《交流变频调速技术》习题.pps

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1、交流变频调速技术 习题课 庞新民,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)？,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。,6个管子控制的导通

2、顺序为V1V6，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1 b)所示。,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(2/3)电角度就可以了。,(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： 、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

3、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)。,、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。,、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

4、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）。,【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(VD1VDl2)？,图2 低压通用变频器主电路,【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US，电流是整流电流,即变频器的输入电流IS。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

5、、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。,(3)、输出电路(逆变部分)：开关器件VI1VI6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

6、弦波是等效的。,(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(VD1VDl2)。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。,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,【分析与解答】,对二次方律负载，在

7、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；,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。,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”。,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

8、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。,【分析题4】,根据下列示意图，简答变频器的V/f控制原理；并说明V/f控制策略的优缺点。,【分析与解答】,U/f控制（又称为VVVF Variable VoltageVariable Freqency 控制方式）是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使Uf为常数，这样才能使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。,变频器的U/f控制原理如下，由U1E1f1M可知：若U1没有变化，则E1也可认为基本不变。如果这时从额定频率fN向下调节频率，必将使M增加，即f1

9、M。由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，M增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。,可见，在变频调速时单纯调节频率是行不通的。为了达到下调频率时，磁通M不变，必须让 ， 即 。,U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机；因转速的改变是靠改变频率的设定值f来实现的，故它动态性及精确度都欠佳，常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。,要实现变频又变压，最佳的方法是正弦脉宽调制(SPWM)。当正弦量较小时，脉冲的占空比也较小。反之，当正弦量为振幅值时，脉冲的占空比也较大

10、。SPWM的显著优点是：由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通人电动机的电流却十分逼近于正弦波。,圆明园前的沉思,残破也是一种“美”？,计算题,某矿山提升系统采用变频调速装置。该装置在直流回路内接入制动电阻RB。如图所示。已知绞车电动机为37kW，电动机起、制动频繁，其额定电流INM为70A，直流电压上限值UDH取700V，容量修正系数取0.81.0。试问：,、矿山提升变频调速装置在直流回路内接入制动电阻的作用是什么？根据图5b)，分析制动电阻RB的能耗制动过程。 、如制动电阻的规格是：20、5kW，使用不多久，制动电阻就烧坏了。请你根据已知运行参数，分析原因，

11、并确定制动电阻的正确阻值RB及耗能容量PB。,a)、制动电阻RB b)、制动电阻的作用过程 图4 接入能耗电路,【分析与计算】 、分析能耗制动过程,异步电动机或由于同步转速因频率下降而下降，或由于重力负载的带动，使转子转速超过同步转速，而处于再生制动状态，产生泵升电压，导致直流回路电压升高；为了防止直流电压超过允许限值，必要时，应在直流回路内接入制动电阻RB。,a)、起重机械 b)、能耗电路工况 图5 连续再生制动的工况,制动电阻RB的能耗制动过程如下：矿山提升系统带着重物连续下降，如图所示时，电动机将处于连续再生制动的状态。直流电压将超过上限值UDH，而使能耗电路工作；如果在电路中接入一个放

12、电电阻，滤波电容器上“堆积”的电荷很快地泄放掉，则直流电压将很快下降。,当能耗电路接通时，其放电的速度比泵升电压上升的速度快，因而直流电压将很快回复到上限值UD以下，能耗电路停止工作。但因为电动机的再生制动状态并未结束，直流电压又将上升，上述过程将重复发生。可见，即使在连续再生制动的情况下，能耗电路也处于断续工作的状态。,、制动电阻计算,统计资料表明，当流过能耗电路的制动电流IB等于电动机额定电流的一半时，电动机的制动转矩大约等于其额定转矩。 当制动电阻接人电路时，所消耗的功率为：,式中，PB制动电阻接人电路时消耗的功率(kW)；实际制动电阻的容量可以适当减小（因能耗电路处于断续工作状态之故）

13、：PBBPBO，式中，PB0制动电阻的实际值(kW)；B容量的修正系数。 B的取值范围大致如下：用于减速或停机时B=0.1O.5；用于重力负载下降时B=O.81.0。,对本例题，制动电阻20、5kW，使用不多久，就烧坏了。这说明制动电阻的容量可能过小。因直流电压上限值UDH=700V，RB=20。所以，制动电阻接人电路时消耗的功率：,则制动电阻的修正系数： 。 所以，对本例而言，起动与制动比较频繁的负载，以及对于向下运行的重力负载来说，容量的修正系数宜在O.81.0范围内。上述修正系数0.2，显然是太小了。,对本例题的制动电阻计算，采用发热元件代替原制动电阻。发热元件采用9根2kW的发热电阻丝

14、串、并联来代替，如图5-3c)所示。则合成热态电阻RB的大小为： ；冷态电阻值接近于20。发热元件总的额定功率：,a)、在实际电路中的接法 b)、用电炉丝自制制动电阻 能耗电路及其接法,这时，则修正系数增大为： 。 可见，此时的制动电阻的容量已经足够了。,淮南联合大学主教学楼照片,设计案例,某学校公寓，有一变频器恒压供水系统，如图6所示。设水泵供电电压为380V。请分析下列问题： 、若变频调速电机为22KW，额定电流为43A；试选择塑壳断路器、快速熔断器和输人接触器的规格与参数（塑壳断路器、快速熔断器与接触器的规格参数如下表所示）。,塑壳断路器、快速熔断器与接触器的规格参数,、水泵是二次方律负

15、载，在实行变频调速时，其上限频率与额定频率的关系如何？下限频率是怎样定的？ 、如果变频器运行后，供水系统流量计不能正常工作了，是什么原因？可采取哪些措施来解决？,、若该变频器恒压供水系统使用四台水泵，试比较用一台变频器和用四台变频器的节能效果。,变频器恒压供水闭环控制示意图,恒压供水装置,【解答与分析】：、变频调速系统配电元件选择,、塑壳断路器和快速熔断器选择原则：IQN(1.31.4)IN； 式中：IQN断路器和快速 熔断器的额定电流(A)； IN变频器的额定电流(A)；,输入接触器主触点的额定电流大于变频器的额定电流：IKN1IN。 式中：IKN1输入接触器主触点的额定电流(A)。,因电机

16、Pe=22KW，Ie=43A； ( 1.31.4)IN(1.31.4)43A (59.860.2)A； 选额定电流为63A规格的塑壳断路器和快速熔断器。 又因IKN1IN，故取额定电流为50A规格的接触器。,、水泵负载上下限频率,离心式水泵属于二次方律负载，故最高频率也不允许超过电动机的额定频率(基本频率)。水泵的上限频率通常预置为50Hz，但因为在变频50Hz下运行，与工频50Hz运行相比，至少增加了变频器本身的功耗。,所以，从节能的角度出发，上限频率可预置为49.5Hz或49Hz。如流量不足，可切换至工频运行；由于水泵的扬程特性与转速有关，转速太低，供水系统有可能因达不到实际扬程而不能供水

17、。因此，下限频率须根据实际扬程来预置。,、变频恒压供水流量计异常,如果变频器运行后，供水系统流量计不能正常工作了，究其原因不外乎：流量计本身有故障，变频器高次谐波对流量计电路的干扰。如果能排除第一种情况，流量计异常则主要是变频器高次谐波，通过“电路耦合”、“感应耦合”和“电磁幅射”干扰流量计电子电路而致。,a)、电路耦合干扰,c)、电磁幅射干扰,b)、感应耦合干扰,对变频器高次谐波干扰，可采取以下措施：通过隔离变压器使流量计与电网隔离，以防止窜人电网的高次谐波进入仪器；流量计信号线与控制线应尽量远离变频器的输入、输出电力线，如果无法远离，流量计信号线与控制线在空间上，应尽量与变频器的输入、输出

18、线交叉，最好是垂直交叉。,对频率很高的、具有向空中辐射电磁波的谐波电流分量，应对变频器主电路接入电抗器和滤波器，并注意系统的接地，接地时，应注意以下几点：1)、接地线应尽量粗一些，接地地点尽量靠近变频器； 2)、接地线应尽量远离电源线；,3)、变频器所用的接地线，必须和其他设备的接地线要分开，必须绝对避免把所有设备的接地线连在一起后再接地；如图c所示的那样。 4)、变频器的接地端子不能和电源的“零线”相接。,、恒压供水节能设计,对二次方律负载当电动机在额定转速(nX*=1.0)下运行时，负载转矩等于额定转矩(TX*=1.O)，所以，诸如水泵类二次方律负载所消耗的电功率等于额定功率(PX*=1,

19、0)。,如果平均转速下降至nX*=0.7的话,则负载转矩减小为：TX*=0.72=0.49，而输出功率则减小为： PX*=0.730.36，与额定转速时相比，节约电能为： PX*1.0-0.35=0.65。 即变频调速可节能达65。,a)、高楼供水 b)、节能分析,显然，转速控制的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，在所需流量小于额定流量(QX=QBQN)的情况下，转速控制所需的流体功率比阀门控制要小得多，两者之差P便是转速控制方式节约的流体功率。这就是变频调速供水系统具有节能效果的基本原理。,学校公寓供水系统的特点是：静扬程HA1较大，其管阻特性如图b中之曲线所示。由图知，其转速调节的范围较小，且基本功率所占比例较大，采用变频调速后的节能空间有限。显然，流体功率节能的特点是静扬程越大，则供水时的基本功耗越大，调节流量时的可变功耗越小，节约的功率越小。故用一台变频器比用四台变频器的节能效果好。,结束,谢 谢,