變頻器原理與應(yīng)用第二版王廷才課后習(xí)題解答

變頻器原理及應(yīng)用習(xí)題解析第1章概述1.什么叫變頻器？變頻調(diào)速有哪些應(yīng)用？答：變頻器是將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的裝置。變頻調(diào)速的應(yīng)用主要有：①在節(jié)能方面的應(yīng)用。例如風(fēng)機、泵類負載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率可以達到20%～60%；②在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用。例如變頻調(diào)速應(yīng)用于傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域；③在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。例如，化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導(dǎo)絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。2.為什么說電力電子器件是變頻器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)？答：變頻器的主電路不論是交-直-交變頻或是交-交變頻形式，都是采用電力電子器件作為開關(guān)器件。因此，電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ)。3.為什么計算機技術(shù)和自動控制理論是變頻器發(fā)展的支柱？答：計算機技術(shù)使變頻器的功能也從單一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為包含算術(shù)、邏輯運算及智能控制的綜合功能；自動控制理論的發(fā)展使變頻器在改善壓頻比控制性能的同時，推出了能實現(xiàn)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等多種模式。現(xiàn)代的變頻器已經(jīng)內(nèi)置有參數(shù)辨識系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器和通訊單元等，根據(jù)需要可實現(xiàn)拖動不同負載、寬調(diào)速和伺服控制等多種應(yīng)用。4.變頻調(diào)速發(fā)展的趨勢如何？答：①智能化；②專門化；③一體化；④環(huán)?；?5.按工作原理變頻器分為哪些類型？按用途變頻器分為哪些類型？答：按工作原理變頻器分為：交-交變頻器和交-直-交變頻器兩大類。按用途變頻器分為：①通用變頻器；②專用變頻器。6.交-交變頻器與交-直-交變頻器在主電路的結(jié)構(gòu)和原理有何區(qū)別？答：交-交變頻器的主電路只有一個變換環(huán)節(jié)，即把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源轉(zhuǎn)換為變壓變頻（VVVF）電源；而交-直-交變頻器的主電路是先將工頻交流電通過整流器變成直流電，再經(jīng)逆變器將直流電變成頻率和電壓可調(diào)的交流電。7.按控制方式變頻器分為哪幾種類型？答：按控制方式變頻器分為：①V/f控型變頻器；②轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器；③矢量控制變頻器；④直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。第2章變頻器常用電力電子器件1.晶閘管的導(dǎo)通條件是什么？關(guān)斷條件是什么？答：晶閘管的導(dǎo)通條件：在晶閘管的陽極A和陰極K間加正向電壓，同時在它的門極G和陰極K間也加正向電壓。要使導(dǎo)通的晶閘管的關(guān)斷，必須將陽極電流IA降低到維持電流IH以下，上述正反饋無法維持，管子自然關(guān)斷。維持電流IH是保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。2.說明GTO的開通和關(guān)斷原理。與普通晶閘管相比較有何不同？答：GTO開通過程與普通晶閘管相似，在GTO陽極A和陰極K間加正向電壓，同時在它的門極G和陰極K間也加正向電壓。關(guān)斷過程是通過在GTO控制極施加關(guān)斷脈沖（門極G和陰極K間也加負向電壓）實現(xiàn)的。3.GTO有哪些主要參數(shù)？其中哪些參數(shù)與普通晶閘管相同？哪些不同？答：GTO的多數(shù)參數(shù)與普通晶閘管相同，意義不同的參數(shù)有：（1）最大可關(guān)斷陽極電流ＩTGQM(2）關(guān)斷增益Goff4.GTO為什么要設(shè)置緩沖電路？說明緩沖電路的工作原理。答：GTO關(guān)斷時，抑制陽極電流下降過程中所產(chǎn)生的尖峰陽極電壓Ｕp，以降低關(guān)斷損耗，防止結(jié)溫升高；抑制陽極電壓ＵＡk的上升率du／dt，以免關(guān)斷失??；GTO開通時，緩沖電容通過電阻向GTO放電，有助于所有GTO元達到擎住電流值。因此，緩沖電路不僅對GTO具有保護作用，而且對于GTO的可靠開通和關(guān)斷也具有重要意義。以圖2-13為例說明緩沖電路的工作原理。圖中R、L為負載，VD為續(xù)流二極管，LA是GTO導(dǎo)通瞬間限制di／dt的電感。RsCs和VDs組成了緩沖電路。GTO的陽極電路串聯(lián)一定數(shù)值的電感LＡ來限制di／dt，當門極控制關(guān)斷時抑制陽極電流Ｉ的下降，di／dt在電感LＡ上感應(yīng)的電壓尖峰Ｕp通過VDA和ＲA加以A限制。當GTO開通瞬間，電容Cs要通過阻尼電阻Rs向GTO放電，若Rs小，則Cs放電電流峰值很高，可能超出GTO的承受能力。為此，增加了二極管VDs，在GTO關(guān)斷時，用ＶＤs的通態(tài)內(nèi)阻及GTO關(guān)斷過程中的內(nèi)阻來阻尼LA和Cs諧振。Rs則用于GTO開通時，限制Cs放電電流峰值，并于GTO關(guān)斷末期ＶＤs反向恢復(fù)阻斷時阻尼LA和Cs諧振。5.GTR的應(yīng)用特點和選擇方法是什么？答：GTR的熱容量小，過載能力低，過載或短路產(chǎn)生的功耗可能在若干徽秒的時間內(nèi)使結(jié)溫超過最大允許值而導(dǎo)致器件損壞。為此GTR的驅(qū)動電路既要及時準確地測得故障狀態(tài)，又要快速自動實現(xiàn)保護，在故障狀態(tài)下迅速地自動切除基極驅(qū)動信號，避免GTR損壞。保護類型包括抗飽和、退抗飽和、過流、過壓、過熱及脈寬限制等多方面。此外，驅(qū)動電路還得具有能在主電路故障后自動切斷與主電路聯(lián)系的自保護能力。6.P-MOSFET的應(yīng)用特點和選擇方法是什么？答：P-MOSFET的柵極是絕緣的，屬于電壓控制器件，因而輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，電路簡單。為了正確的控制P-MOSFET的開通和關(guān)斷，對柵極驅(qū)動電路提出如下要求：1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證P-MOSFET的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電容提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時間常數(shù)，提高P-MOSFET的開關(guān)速度。3）P-MOSFET開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電流。P-MOSFET的極間電容越大，所需的驅(qū)動電流也越大。為了使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值。7.說明IGBT的結(jié)構(gòu)組成特點。答：IGBT是一種新型復(fù)合器件。輸入部分為MOSFET，輸出部分為GTR，它綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的優(yōu)點。8．IGBT的應(yīng)用特點和選擇方法是什么？答：IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。柵極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，從而使IGBT導(dǎo)通。在柵極上施以負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，IGBT即為關(guān)斷。選用IGBT的參數(shù)時應(yīng)注意：1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES。2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES，使用中不能超過該值。3)額定集電極電流IC：該參數(shù)給出了IGBT在導(dǎo)通時能流過管子的持續(xù)最大電流。4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat)：此參數(shù)給出IGBT在正常飽和導(dǎo)通時集電極-發(fā)射極之間的電壓降。5)開關(guān)頻率。9.IGCT的特點是什么？答：（1）緩沖層提高了器件的效率，降低了通態(tài)壓降和開關(guān)損耗。同時，采用緩沖層還使單片GCT與二極管的組合成為可能。（2）透明陽極采用透明陽極來代替陽極短路，可使GCT的觸發(fā)電流比傳統(tǒng)無緩沖層的GTO降低一個數(shù)量級。（3）逆導(dǎo)技術(shù)逆導(dǎo)GCT與二極管隔離區(qū)中因為有PNP結(jié)構(gòu)，其中總有一個PN結(jié)反偏，從而阻斷了GCT與二極管陽極間的電流流通。（4）門極驅(qū)動技術(shù)10.智能功率模塊IPM的應(yīng)用特點有哪些？答：IPM內(nèi)含驅(qū)動電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動條件進行設(shè)定；IPM內(nèi)含過流（OC）保護、短路（SC）保護，使檢測功耗小、靈敏、準確；IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護，當控制電源電壓小于規(guī)定值時進行保護；IPM內(nèi)含過熱（OH）保護，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測元件，結(jié)溫過高時即輸出報警（ALM）信號，該信號送給變頻器的單片機，使系統(tǒng)顯示故障信息并停止工作。IPM還內(nèi)含制動電路，用戶如有制動要求可另購選件，在外電路規(guī)定端子上接制動電阻，即可實現(xiàn)制動。第3章交-直-交變頻技術(shù)1.交-直-交變頻器的主電路包括哪些組成部分？說明各部分的作用。答：交-直-交變頻器主電路包括三個組成部分：整流電路、中間電路和逆變電路。整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；中間電路具有濾波電路或制動作用；逆變電路可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。2.不可控整流電路和可控整流電路的組成和原理有什么區(qū)別？答：不可控整流電路整流元件為二極管，不可控整流電路輸出的直流電壓不可調(diào)節(jié)；可控整流電路的整流元件為晶閘管，利用晶閘管的可控導(dǎo)電性可使輸出的直流電壓大小可以調(diào)節(jié)。3.中間電路有哪幾種形式？說明各形式的功能。答：中間電路有濾波電路和制動電路兩種形式。濾波電路是利用電容或電感的儲能特性，將整流電路輸出的直流電壓或電流減少諧波分量趨于穩(wěn)定；而制動電路一般由制動單元和制動電阻組成，可將電動機的再生能量返送電網(wǎng)或消耗掉，并產(chǎn)生制動作用，使電動機快速停車。4.對電壓型逆變器和電流型逆變器的特點進行比較。答：電壓型逆變器是將整流電路產(chǎn)生的直流電壓，通過電容進行濾波后供給逆變電路。由于采用大電容濾波，故輸出電壓波形比較平直，在理想情況下可以看成一個內(nèi)阻為零的電壓源，逆變電路輸出的電壓為矩形波或階梯波。電流型逆變器是將整流輸出的直流電壓采用大電感濾波，因此，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻很大，對負載來說基本上是一個電流源，逆變電路輸出的交流電流是矩形波。5.說明制動單元電路的原理。答：制動電路一般接于整流器和逆變器的P、N之間，圖中的制動單元包括晶體管VB、二極管VDB和制動電阻RB。如果回饋能量較大或要求強制動，還可以選用接于P、R兩點上的外接制動電阻REB。當電動機制動時，能量經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)濾波電容上的電壓升高，當該值超過設(shè)定值時，即自動給VB施加基極信號，使之導(dǎo)通，將RB(REB)與電容器并聯(lián)，則存儲于電容中的再生能量經(jīng)RB(REB)消耗掉。6.說明圖3-15所示全橋逆變電路的工作原理。答：全橋逆變器可看作兩個半橋逆變電路的組合。電路原理如圖3-15a所示。直流電壓Ud接有大電容C，使電源電壓穩(wěn)定。電路中的四個橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時，設(shè)t2時刻之前V1、V4導(dǎo)通，負載上的電壓極性為左正右負，負載電流io由左向右。t2時刻給V1、V4關(guān)斷信號，給V2、V3導(dǎo)通信號，則V1、V4關(guān)斷，但感性負載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導(dǎo)通續(xù)流，負載兩端電壓的極性為右正左負。當t3時刻io降至零時，VD2、VD3截止，V2、V3導(dǎo)通，io開始反向。同樣在t4時刻給V2、V3關(guān)斷信號，給V1、V4導(dǎo)通信號后，V2、V3關(guān)斷，io方向不能突變，由VD1、VD4導(dǎo)通續(xù)流。t5時刻io降至零時，VD1、VD4截止，V1、V4導(dǎo)通，io反向，如此反復(fù)循環(huán)，兩對交替各導(dǎo)通180°。其輸出電壓uO和負載電流iO見圖3-15b所示。a)全橋逆變器b)工作波形圖3-15全橋逆變器及工作波形7.SPWM控制的原理是什么？為什么變頻器多采用SPWM控制？答：SPWM控制技術(shù)就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。變頻器采用SPWM控制可使輸出的SPWM波形，加至電感性的電動機繞組，經(jīng)過濾波作用，使流過繞組的電流波形基本為正弦波，諧波成分大為減少。第四章交-交變頻技術(shù)1.交-交變頻技術(shù)具有什么特點？主要應(yīng)用是什么？答：交-交變頻就是把電網(wǎng)頻率的交流電變換成可調(diào)頻率的交流電，因為沒有中間環(huán)節(jié)，能量轉(zhuǎn)換效率較高，廣泛應(yīng)用于大功率的三相異步電動機和同步電動機的低速變頻調(diào)速。2.交-交變頻的基本原理是怎樣的？答：單相交-交變頻器的原理框圖如圖4-1所示。圖4-1單相交-交變頻器電路原理框圖圖4-2單相交-交變頻器輸出的方波電路由P（正）組和N（負）組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，兩組變流電路接在同一交流電源，Z為負載。兩組變流器都是相控電路，P組工作時，負載電流自上而下，設(shè)為正向；N組工作時，負載電流自下而上，為負向。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電，如圖4-2所示。改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出到負載上的交流電壓頻率，改變交流電路工作時的控制角α，就可以改變交流輸出電壓的幅值。3.如何調(diào)制交-交變頻使其輸出為正弦波電壓？答：為了使輸出電壓的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對控制角α進行調(diào)制。4.三相交-交變頻有哪些連接方法？答：公共交流母線進線方式；輸出星形聯(lián)結(jié)方式。5.交-交變頻有什么優(yōu)點和缺點？答：交-交變頻電路的優(yōu)點是：只用一次變流，效率較高；可方便地使電動機實現(xiàn)四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波。缺點是：接線復(fù)雜。第5章高（中）壓變頻器1.高（中）壓變頻器通常指電壓等級為多少的變頻器？答：高（中）壓變頻器通常指電壓等級在1kV以上的大容量變頻器。2.高（中）壓交-交方式的變頻器多用在什么場合？該方式的變頻器有什么優(yōu)缺點？答：交-交變頻的高/中壓變頻器一般容量都在數(shù)千kW以上，多用在冶金、鋼鐵企業(yè)。交-交變頻器過載能力強、效率高、輸出波形好，但輸出頻率低，且需要無功補償和濾波裝置，使其造價高，限制了它的應(yīng)用。3.高（中）壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本形式有哪幾種？畫出其結(jié)構(gòu)圖。答：⑴直接高-高型（也有的稱為直接中-