《交流变频调速技术》习题课

《交流变频调速技术》

习题课

庞新民

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分析题

【分析题1】

三相逆变桥的结构如图2所示，简述三相逆变桥工作过程。为什么低压变频器逆变开关器件不宜使用硅可控（SCR ），而使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)？

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a)、三相逆变桥的构成b)、三相逆变桥的输出电压

图1 三相逆变桥及其工作

【分析与解答】

(1)、三相逆变桥工作过程如下：

如图1电路，逆变桥采用绝缘栅双极型晶体管(1GBT)作为开关器件，它由6个桥臂组成。其逆变电路的基本工作方式是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一组上下2个桥臂交替导电，因为每次换相都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此称为纵向换相。

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6个管子控制的导通顺序为V1～V6，控制间隔为60°，这样，在任一瞬间，将有3个桥臂同时导通。可能是上面1个桥臂和下面2个桥臂，也可能是上面2个桥臂和下面1个桥臂同时导通。逆变电路输出的电压波形如图1b)所示。

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显然，三相逆变桥与单相逆变桥的区别是：单相逆变桥交替过程之间互差二分之一周期(T/2)；三相逆变桥交替过程之间互差三分之一周期(T/3)，从而使三相输出电压的相位之间互差(2π/3)电角度就可以了。

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(2)、之所以低压变频器逆变开关器件绝大多数使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，而不使用硅可控（SCR），是因为逆变桥必须同时满足以下要求：

①、能承受足够大的电压和电流：我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为513V(k=1.35)，而峰值电压则为537V(k=1.05)。

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②、允许频繁地接通和关断：硅可控（SCR）在直流电路中不具有自行关断的能力，在逆变桥中，其相互关断的电容器要求电压高、容量大；并且在不同的负载电流下，硅可控逆变桥的关断条件也并不一致，影响了工作的可靠性。IGBT具有较好的频繁地接通和关断性能。

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③、接通和关断的控制必须十分方便：硅可控(SCR)控制驱动电流大；而绝缘栅双极型晶体管(1GBT)是场效应晶体管(MOSFET)和电力晶体管(GTR)相结合的产物。它是一种以极小的控制功率来控制大功率电路的器件，接通和关断的控制十分方便。

所以，低压变频器逆变开关器件绝大多数使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，而不使用硅可控（SCR）。

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ABB 【分析题2】低压通用变频器拓扑结构如下图，它由整流电路、中间电路、逆变电路三个部分组成。设逆变桥所用的开关器件是IGBT 。简述低压通用变频器各电力元件的作用，并说明为什么每个IGBT 旁边，反并联一个二极管(VD 1～VD l2)？

图2低压通用变频器主电路

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【分析与解答】

(1)、输入电路(整流部分)：在中、小容量的通用变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块，如图2所示；它是变频器输入电路，电压为电源电压U S ，电流是整流电流,即变频器的输入电流I S 。一般变频器整流模块由六个二极管构成，三相输入端分别为R 、S 、T (或L1、L2、L3)；输出端为P (直流“+”端)和N (直流“-”端)。

(2)、直流电路(中间部分)：三相全波整流后的电压波形脉动较大，需要进行滤波。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。直流电压指示灯HL通常是在主控板上，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕；由于CF的容量较大，电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。

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(3)、输出电路(逆变部分)：开关器件VI 1～VI 6构成逆变桥，其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电。逆变电路实际输出线电压的波形是经过SPWM 调制后的高频脉冲系列，但就宏观效果而言，它和正弦波是等效的。

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(4)、在变频器的逆变电路里，逆变桥每个IGBT 旁边，都反并联一个二极管(VD 1～VD l2)。这是由于外加电压和电动机定子绕组的反电动势之间相互作用的需要。

因为逆变管只能在电源作功时单方向导通，因此，必须为反电动势作功提供安全回路，反向二极管就是为此而设立的。

【分析题3】

某厂的饮料传输带进行设备改造后，新设备上已经有变频器了，原有的变频器被空置。于是把旧变频器用到了容量相同的鼓风机上。结果在起动时，频率上升到5Hz 就因“过电流”而跳闸了。试分析其原因。

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a)、变频器接至传输带b)、变频器接至风机

图3变频器从传输带上拆下接至风机示意图

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【分析与解答】

对二次方律负载，在低转速(频率较低)运行时，负载的阻转矩很小，电动机的有效转矩也比负载转矩大得多，故变频器专门设置了若干根“负补偿线”，在低频运行时，电压应适当减小；

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而恒转矩负载，必须考虑在物料最多的情况下，低频时也能带动负载的问题，因此，应该选择具有“正补偿量”的U/f线，使电动机的有效转矩足以克服负载的阻转矩。

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所以，如图5所示，当变频器用于传输带电动机时(恒转矩负载)，在低频运行的情况下，是需要一定的电压补偿的——“正补偿量”。而风机则是二次方律负载，低频运行时，非但不需要正的电压补偿，相反地，还应该进行负补偿——“负补偿线”。

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因此，当变频器转为用于风机上时，如果不调整对U/f线的预置，则在低频运行时，必将处于补偿过分的状态，导致电动机磁路高度饱和，励磁电流出现尖峰脉冲，使变频器因过电流而跳闸。

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