变频器课后习题

1.什么叫变频器？变频调速有哪些应用？ 答：变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。 变频调速的应用主要有：①在节能方面的应用。例如风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20%～60%；②在提高工艺水平和产品质量方面的应用。例如变频调速应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域；③在自动化系统中的应用。例如，化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。 1. 异步电动机变频调速的机理论是什么？ 答：异步电动机转速n=60f1（1—s）/p 电源频率为f1，由上试可见，调节电源频率f1，可使异步电动机的转速n得到大范围的调节。

1.晶闸管的导通条件是什么？关断条件是什么？ 答：晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正 向电压。要使导通的晶闸管的关断，必须将阳极电流IA降低到维持电流IH以下，上述正反馈无法维持，管子自然关断。维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。 2. 说明GTO的开通和关断原理。与普通晶闸管相比较有何不同？ 答：GTO开通过程与普通晶闸管相似，在GTO阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正向电压。关断过程是通过在GTO控制极施加关断脉冲（门极G和阴极K间也加负向电压）实现的。 3. GTO有哪些主要参数？其中哪些参数与普通晶闸管相同？哪些不同？ 答：GTO的多数参数与普通晶闸管相同，意义不同的参数有： （1） 最大可关断阳极电流ＩTGQM (2）关断增益Goff 4. GTO为什么要设置缓冲电路？说明缓冲电路的工作原理。 答：GTO关断时，抑制阳极电流下降过程中所产生的尖峰阳极电压Ｕp， 以降低关断损耗，防止结温升高；抑制阳极电压ＵＡk的上升率du／dt，以免关断失败；GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有GTO元达到擎住电流值。因此，缓冲电路不仅对GTO具有保护作用，而且对于GTO的可靠开通和关断也具有重要意义。 以图2-13为例说明缓冲电路的工作原理。 图中R、L为负载，VD为续流二极管， LA是GTO导通瞬间限制di／dt的电感。RsCs和VDs组成了缓冲电路。 GTO的阳极电路串联一定数值的电感LＡ来限制di／dt， 当门极控制关断时抑制阳极电流ＩA的下降，di／dt 在电感LＡ上感应的电压尖峰Ｕp通过VDA和ＲA加以限制。当GTO开通瞬间， 电容Cs要通过阻尼电阻Rs向GTO放电，若Rs小，则Cs放电电流峰值很高，可能超出GTO的承受能力。为此，增加了二极管VDs，在GTO关断时，用ＶＤs的通态内阻及GTO关断过程中的内阻来阻尼LA和Cs谐振。Rs则用于GTO开通时，限制Cs放电电流峰值，并于GTO关断末期ＶＤs反向恢复阻断时阻尼LA和Cs谐振。 5. GTR的应用特点和选择方法是什么？ 答：GTR的热容量小，过载能力低，过载或短路产生的功耗可能在若干徽秒的时间内使结温超过最大允许值而导致器件损坏。为此GTR的驱动电路既要及时准确地测得故障状态，又要快速自动实现保护，在故障状态下迅速地自动切除基极驱动信号，避免GTR损坏。保护类型包括抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热及脉宽限制等多方面。此外，驱动电路还得具有能在主电路故障后自动切断与主电路联系的自保护能力。 6. P-MOSFET的应用特点和选择方法是什么？ 答：P-MOSFET的栅极是绝缘的，属于电压控制器件，因而输入阻抗高，驱动功率小，电路简单。 为了正确的控制P-MOSFET的开通和关断，对栅极驱动电路提出如下要求： 1）触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以保证P-MOSFET的可靠触发导通。 2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电容提供低电阻放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高P-MOSFET的开关速度。 3）P-MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电流。P-MOSFET的极间电容越大，所需的驱动电流也越大。为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值。 7. 说明IGBT的结构组成特点。 答：IGBT是一种新型复合器件。输入部分为MOSFET，输出部分为GTR，它综合了MOSFET和GTR的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。 8．IGBT的应用特点和选择方法是什么？ 答：IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，从而使IGBT导通。在栅极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，IGBT即为关断。 选用IGBT的参数时应注意： 1)集电极-发射极额定电压UCES。 2)栅极-发射极额定电压UGES，使用中不能超过该值。 3)额定集电极电流IC ：该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。 4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)：此参数给出IGBT在正常饱和导通时集电极-发射极之间的电压降。5)开关频率。 9. IGCT的特点是什么？ 答：（1）缓冲层 提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗。同时，采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。 （2）透明阳极 采用透明阳极来代替阳极短路，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。 （3）逆导技术 逆导GCT与二极管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断了GCT与二极管阳极间的电流流通。 （4）门极驱动技术 10. 智能功率模块IPM的应用特点有哪些？ 答：IPM 内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC）保护、短路（SC）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；IPM内含欠电压（UV）保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；IPM内含过热（OH）保护，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高时即输出报警（ALM）信号，该信号送给变频器的单片机，使系统显示故障信息并停止工作。IPM还内含制动电路，用户如有制动要求可另购选件，在外电路规定端子上接制动电阻，即可实现制动。

1. 交-直-交变频器的主电路包括哪些组成部分？说明各部分的作用。 答：交-直-交变频器主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。整流电路的功能是将交流电转换为直流电；中间电路具有滤波电路或制动作用；逆变电路可将直流电转换为交流电。 2. 不可控整流电路和可控整流电路的组成和原理有什么区别？ 答：不可控整流电路整流元件为二极管，不可控整流电路输出的直流电压不可调节；可控整流电路的整流元件为晶闸管，利用晶闸管的可控导电性可使输出的直流电压大小可以调节。 3. 中间电路有哪几种形式？说明各形式的功能。 答：中间电路有滤波电路和制动电路两种形式。滤波电路是利用电容或电感的储能特性，将整流电路输出的直流电压或电流减少谐波分量趋于稳定；而制动电路一般由制动单元和制动电阻组成，可将电动机的再生能量返送电网或消耗掉，并产生制动作用，使电动机快速停车。 4. 对电压型逆变器和电流型逆变器的特点进行比较。 答：电压型逆变器是将整流电路产生的直流电压，通过电容进行滤波后供给逆变电路。由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源，逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。 电流型逆变器是将整流输出的直流电压采用大电感滤波，因此，直流电流波形比较平直，因而电源内阻很大，对负载来说基本上是一个电流源，逆变电路输出的交流电流是矩形波。 7. SPWM控制的原理是什么？为什么变频器多采用SPWM控制？

4. 三相交-交变频有哪些连接方法？ 答：公共交流母线进线方式；输出星形联结方式。 5. 交-交变频有什么优点和缺点？ 答：交-交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高；可方便地使电动机实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：接线复杂。

1. 高（中）压变频器通常指电压等级为多少的变频器？ 答：高（中）压变频器通常指电压等级在1kV以上的大容量变频器。 2. 高（中）压交-交方式的变频器多用在什么场合？该方式的变频器有什么优缺点？ 答：交-交变频的高/中压变频器一般容量都在数千kW以上，多用在冶金、钢铁企业。交-交变频器过载能力强、效率高、输出波形好，但输出频率低，且需要无功补偿和滤波装置，使其造价高，限制了它的应用。 3. 高（中）压变频调速系统的基本形式有哪几种？画出其结构图答：⑴ 直接高-高型（也有的称为直接中-中型）如下图所示。

4. 简述高（中）压变频器的应用及重要意义。 答：在冶金、钢铁、石油、化工、水处理等工矿企业中，大容量的电动机基本上都是中压和高压电动机。这类企业的风机、泵类、压缩机及各种其他大型机械的拖动电动机消耗的能源占电机总能耗的70％以上，而且绝大部分都有调速的要求，采用高（中）压变频器调速，达到节能、高效、提高产品质量的目的。 5. 高（中）压变频器的技术要求主要有哪些方面？ 答：(1) 可靠性要求高；(2) 对电网的电压波动容忍度大；(3) 降低谐波对电网的影响；(4) 改善功率因数；(5) 抑制输出谐波成分；(6) 抑制共模电压和du／dt的影响。 6. 说明图5-7所示并联多重化PWM电压型变频器电路的工作原理。 答：图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。采用二极管构成二组三相桥式整流电路，按12脉波组态，输出为二重式，每组由六个IGBT构成一个桥式逆变单元。输出滤波器用来去除PWM的调制波中的高频成分并减少du／dt、di／dt的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。 变频器的驱动(逆变)单元设计成模块化独立单元的形式，直流母线(DC-BUS)上可任意连接1～6个驱动单元，驱动单元可驱动同一个电机，也可以驱动不同的电机(驱动同一个电机的逆变单元一般不超过2个)。 这种设计使工厂中不同地方的设备可采用公共的直流母线供电，从而减少设备总投资，并使多电机调速系统的总功率平衡达到最优化。 7. 说明图5-8所示电路为什么称为三电平式变频器？该电路结构有什么优点？ 答：由图5-8可见，变频器的整流部分由两个三相整流桥电路串联，输出12脉波的直流电压，大大减少了电网侧的谐波成分。同时，直流侧采用两个相同的电解电容串联滤波，在中间的连接处引出一条线与逆变电路中的钳位二极管相接，若将该节点视为参考点（电压为零），则加到逆变器的电平有三个：Ud、0、-Ud。所以逆变器部分是由IGBT和箝位二极管组成的三电平电压型逆变器。 三电平变频器的输出谐波比低压通用变频器低；因为省去升、降压变压器，因而结构紧凑，损耗减少，占地面积小，节省土建费用；当功率较大时，电源输入端仍设置隔离用三绕组变压器，变压器副边采用Δ和Y接法，可输出12脉冲整流电压，使得电源输入端谐波大为降低。 8. 高压变频器为什么不采用双电平控制方式? 简述三电平逆变器的工作原理。 答：三电平或多电平变频器的输出谐波比低压通用变频器低；因为省去升、降压变压器，因而结构紧凑，损耗减少，占地面积小，节省土建费用。 电压型逆变器的工作原理为：当工作电压较高时，为了避免器件串联引起的动态均压问题和降低输出谐波，逆变器可采用三电平方式，也称为中心点钳位方式(NPC)，下图所示为三电平逆变器一相的结构图。 电路中的逆变器的功率开关器件VT1～VT4为IGBT，VD1～VD4为反并联的续流二极管，VD5和VD6为钳位二极管，所有的二极管均要求选用与功率开关相同的耐压等级。Ud为滤波电容C1上端的电压，0为C1、C2连接中心点的电位，-Ud为滤波电容C2下端的电压。当改变VT1～VT4的通断状态时，在输出端将获得三种不同的电压。 9. 说明功率单元多级串联电压型变频器电路结构原理？若每相由5个功率单元串联得到6,000V的线电压，每个功率单元的电压大致为多少？ 答：依据功率单元多级串联电压叠加的原理，例如，对于额定输出电压为6kV的变频器，每相由6个低压为580V的IGBT功率单元串联而成，则叠加后输出