第2讲高压变频器性能

23 过电流保护与过载保护有什么区别?

答：1)电流保护的界限不同。过电流保护对象是变频器本身，因此，基本特征是工作电流超过了变频器的额定电流：I>In。

2)增加了检测位置。由于过电流产生的原因，除了输出侧不正常工作外，也有可能是因为变频器内部的不正常引起的。所以，判断过电流的依据除了输出电流外还必须检测输入电流。

3)变频器的处理方法不同。过载保护按反时限特性进行保护(过载电流越大，允许运行的时间越短)。过电流保护则根据不同的情况分别进行处理，如在升速或减速过程中出现过电流，但未超过变频器的过载能力，则可以通过“防止跳闸功能”进行自处理;当电流超过了变频器的过载能力时，则必须立即跳闸。

24 过载保护的对象是什么?在哪些情况下电动机的过载是允许的?

答：变频器的过载保护功能是用来保护电动机的，即负载转矩(折算值)超过了电动机的额定转矩。在变频调速系统中，过载可以通过变频器的输出电流反映出来。根据电动机发热情况，短时间的过载是允许的，电动机所谓的短时间过载，一般都在数分钟以上。而变频器所能允许的过载能力通常只有1 分钟(120豫)，它只在电动机的启动过程才有意义。而对于电动机在运行过程中的过载来说，实际上并不起作用。因此，电动机的过载电流应该在变频器的额定电流范围内。

25 变频器在哪些情况下发生过电流可以不跳闸?

答：因为变频器每次跳闸都会给生产带来不便和损失。所以，对于某些由于非故障原因引起的过电流，变频器应尽量采取一些自行消除过电流的措施，以免跳闸，此功能也称为“防失速功能”。

1)加速过程防止跳闸功能当变频器在加速过程中输出电流超过变频器的额定电流(或用户自定义的电流值)时，变频器就自动延长加速时间或暂停加速，待加速电流减小到额定电流以内后，再恢复原来的加速时间，如此反复，直到加速到给定额率为止。

2)运行中防止跳闸功能在运行的过程中，由于某种原因，运行电流超过了变频器的额定电流，则变频器可自行降低运行频率，这种情况在二次方负载中尤为有用。

26 什么是“飞车启动”?为什么变频器可以自如地从变频切换到工频却不能从工频切换到变频?

答：一般地说，变频器驱动电机均为零速启动，即电机转子静止时启动。“飞车启动”是指当电机转子旋转时，将变频器输出的某一定大小、一定频率的电压加在电动机上启动的过程。“飞车启动”需要解决的技术问题是当变频器输出电压加在电动机上时，由于电动机的反电动势和变频器输出电压多数情况不同步(相位和大小不等)，使变频器和电机承受着冲击电流，一般为额定电流的2~3 倍。如何使得变频器输出和电机反电动势同步，消除冲击电流是“飞车启动”的技术关键。

当从变频切换到工频时，冲击电流不通过变频器，所以可以实现。当从工频切换到变频时，冲击电流通过变频器，使变频器各部分器件有烧坏的危险，所以必须采用“飞车启动”技术。

27 什么是转差补偿?

答：转差补偿如图12 所示。

1)转差补偿的目的当负载从轻载增大到重载的过程中，使电动机的转速基本不变，以得到较硬的机械特性。

2)转差补偿的方法当负载增加时，电动机的转速必有所下降，转差增大。通过适当提高变频器的输出频率，可以使电动机降低了的转速得到补偿。例如，当负载转矩为TL1 时，转差为吟n1，通过预置“转差补偿”，适当提高变频器的输出频率，使电动机的同步转速从n0上升至n0忆，而拖动系统的工作点则从Q1 上升至Q1忆。使拖动系统的转速与原来给定同步转速n0基本相等。如负载转矩又增加为TL2，通过“转差补偿”，变频器的输出频率又提高一些，使电动机的同步转速上升至n0义，而拖动系统的工作点则从Q2 上升至Q2忆，拖动系统的转速仍与同步转速n0基本相等。由于用户的给定频率并未改变，因此，宏观地从转速给定的角度看，电动机的机械特性变“硬”了。

 

 

28 故障单元的机械式旁路与电子式旁路相比有何优势?

答：电子式旁路如图13 所示，相对于机械式旁路，其存在以下问题：1)当逆变桥的功率模块开始输出导通时，由于晶闸管两端起始电压为零，功率单元的直流电压会直接加在晶闸管的阴阳两极，使得晶闸管承受了超过其耐受的dv/dt，易导致其误导通，引发功率单元的短路故障。2)因为电子式旁路装置常与逆变单元装置一体化，如当过压将逆变单元烧损时，电子旁路装置也难幸免。而采用机械式旁路却可以解决上述问题。

 

 

29 什么是谐波?谐波的危害有哪些?

答：电力系统谐波的定义是在对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解后，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，称这部分电量为谐波。谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。其危害包括以下几个方面：

1)谐波使公用电网中的电气设备产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述1)和2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。

4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量;重者导致数据丢失，使通信系统无法正常工作。

30 高压变频器中谐波是怎样产生的?如何减小谐波对电网的污染?

答：由于大量使用IGBT等非线性电力电子功率器件，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉冲的断续方式向电网索取电流，这种脉冲电流和电网的沿路阻抗共同形成脉冲电压降叠加在电网的电压上，使电压发生变化，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

抑制谐波的基本思路有三：其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，其三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波，具体方法有以下几种。

1)采用多相脉冲整流在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12 相脉冲整流THD原V 为10%耀15%，18 相脉冲整流的THD原V 为3%耀8%，满足国际标准的要求。需要专用的移相变压器，这也是现阶段高压变频器普遍采用的方法。

2)安装适当的电抗器变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的AC-DC变换电路系统，可利用并联功率因数校正DC 电抗器组，电源侧串联AC 电抗器的方法，使进线电流的THD原V 降低30%耀50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

3)装设有源电力滤波器除传统的LC滤波器还在应用外，目前谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而倍受关注，在日本等国家已获得广泛应用。

31 高压变频器为什么会产生共模电压?共模电压有哪些危害?

答：高压变频器采用PWM 控制技术，变频器电压输出均为矩形脉冲。这时在电动机三相绕组中性点处，将存在共模电压，即变频器输出的零序电压，其大小为Vcm=(Vu+Vv+Vw)/3，其中，Vcm为共模电压;Vu，Vv和Vw为电动机端各相相电压，由于变频器输出为矩形脉冲，Vu，Vv 和Vw 在任意时刻下可能对称，Vcm任意时刻也不会为零。所以在任何电压源PWM控制变频器中共模电压都存在。共模电压产生的危害：

(1)会在电动机转轴上感应出高幅值轴电压，并形成轴承电流，使电动机的轴承在短期内损坏，缩短电动机使用寿命。

(2)产生EMI，并且高次谐波电流在线路阻抗上形成谐波压降，产生有功和无功损耗，影响供电电网电能质量，影响电网上的其它电子设备的正常运行。

32 dv/dt 代表什么意义?

答：dv/dt 表示电压的变化率，在高压变频中，由于输出电压为一系列等幅不等宽矩形脉冲，脉冲的幅度越大，上升延或下降延时间越短，dv/dt越大。dv/dt的大小对变频器的性能和可靠性影响较大：1)dv/dt 越大，变频器将承受冲击电流，可能会烧坏变频器。2)dv/dt越大，对绝缘材料损伤越大，使得绝缘材料易老化，缩短了变频器的使用寿命。

3)dv/dt大，一些电子开关器件易误导通。

33 什么是差动保护?变频器为什么不采用差动保护?

答：差动保护是比较被保护设备输入和输出端口电流的大小或相位的继电保护。如图14 所示，流入保护装置的电力差动电流icd=im+in，当被保护设备在正常运行或外部短路以及系统振荡时，由于im忆和in忆大小相等，方向相反，差动电流icd 为零，保护不会误动作;当被保护设备本身发生内部短路时，差动电流将icd 不为零，当icd 值大于某一整定值时，保护将灵敏动作。

由于变频器中间的直流环节采用电容器，使得变频器在工作的时候其内部含有有源设备，这样，即使变频器正常工作时输入输出两端电流在某一时刻不满足平衡，这与差动保护机理相违背，所以变频器一般不采用差动保护。

 

 

34 IGBT 的原意及如何检测IGBT?

答：IGBT全称是Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，是由BIT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动型电力电子器件，本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。

功率模块的好坏判断主要是对功率模块内的续流二极管的判断。对于IGBT模块还需判断在有触发电压的情况下能否正常导通和关断。

将数字万用表拨到二极管测试档，测试IGBT模块cl原el、c2原e2 之间以及栅极G 与el、e2 之间正反向二极管特性来判断IGBT模块是否完好。

35 IGBT 的驱动电路有什么特点?

答：驱动电路的作用是将微处理器输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作。驱动电路起着至关重要的作用，IGBT 驱动电路有以下基本特点：

(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。

(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。

(3)具有尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。

(4)具有足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

(5)具有灵敏的过流保护能力。

36 以IGBT为逆变管的变频器的特点?

答：以IGBT为逆变管的变频器的逆变电路与GTR 等其他逆变电路基本相同，但IGBT 逆变电路具有以下特点：

(1)载波频率高。大多数变频器的载波频率可在(3耀15 kHz)的范围内任意可调。载波频率越高，电流的谐波成分越小。

(2)功耗减小。由于IGBT的驱动电路取用电流极小，几乎不消耗功率。而GTR基极回路取用电流常常是安培级的，消耗功率不可小视。[!--empirenews.page--]

37 电解电容器的寿命有多长?

答：电解电容的使用寿命与环境温度有关，日本安川公司电容器的寿命与环境温度的关系如图15 所示。从图中知，如果周围温度在30益以下，电解电容的使用寿命可长达10 年以上;而当周围温度为50益时，使用寿命只有2.5 年。

 

 

38 频率精度和频率分辨率有什么区别?

答：频率精度是指变频器输出频率的准确程度，即变频器的实际输出频率与给定频率之间的误差。通常用最高频率(由用户设定)的百分数来表示。例如，频率精度为0.01%，用户设定的最高频率是50 Hz。则输出频率的误差吟f 为吟f越50伊0.01%越0.005 Hz，假设给定频率为40 Hz，则实际输出频率在39.995耀40.005 Hz 之间。

而频率分辨率则是指频率变化的步长，如0.01 Hz，它与频率控制器的精度有关。如频率控制器的寄存器的字长为10 位，最高频率为50 Hz，则频率分辨率为0.05 Hz，如频率控制器的寄存器的字长为14 位，最高频率为50 Hz，则频率分辨率为0.003 Hz。

39 和滤波电容器并联的电阻的作用?

答：目前，电解电容器耐压只能做到450 V。

而三相380 V的电源电压经全波整流后，直流电压的峰值为537 V，平均值也有513 V。因此，滤波电容器只能由2 个(或2 组)电解电容串联而成。

为了增大电容量，改善滤波效果，变频器内总是先将若干个电解电容器并联成一组，然后再将2 组或3 组电容器串联起来，如图16所示。由于每个电容器的电容量不可能绝对相同，尤其是电解电容器，其电容量的离散性比较大，若干个并联以后，几组电容器的电容量之间的差异是比较明显的。那么串联以后，2个电容器组上的电压分配将是不均衡的，这将导致两组电容器使用寿命的不一致，解决电压不均衡的方法，便是在两个电容器组的两端分别并联电阻值相等的均压电阻RC1 和RC2，原理如下：

 

 

40 失速防止功能是什么意思?

答：如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。

为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率或停止加速。减速时也是如此。两者结合起来就是失速防止功能。

41 什么是再生制动?如何能得到更大的制动力?

答：变频器驱动的电动机在运转过程中，当需要减速运行时，则需要降低指令频率，气隙磁场旋转速度将降低，而电动机转子由于惯性，速度变化不大，异步电动机将由电动状态变为发电状态，气隙磁场具有制动作用，转子动能将反馈给变频器，这就叫作再生(电气)制动。从电机再生出来的能量积在变频器的滤波电容器中，提高电容器的容量和耐压水平可以取得更大的制动力。或整流部件采用可控整流，使得回馈能量能够反馈到电网。

42 高压变频器输出电压波形与低压变频器输出电压波形有何区别?

答：高压变频器由多个功率单元串联而成，每个功率单元输出的是脉冲波形，通过载波移相控制，使得功率单元串联后的波形为多电平，非常接近正弦波，低压变频器的输出波形是和单个功率单元波形相近的脉冲波(每个功率单元相当于一个低压单相变频器)。

43 为什么变频器的输入电流总是小于输出电流?

答：1)变频器输入电压为额定电压，变频器的输出电压一般小于额定电压;2)变频器的功率因数一般跃0.95，而电机的功率因数一般约0.85。所以使得变频器的输入电流总是小于输出电流

44 为什么变频器上电时会有冲击电流?

答：1)隔离变压器在上电的时候会有一个冲击电流。2)变频器功率单元电解电容在上电的时候也有一个冲击电流。因为电容器上的电压不能突变，所以电流必然突变。所以变频器若较长时间不用，第一次上电时，最好缓慢升压上电或通过限流电阻上电。

45 为什么变频启动能减小启动电流?

答：电动机从较低转速升至较高转速的过程称为加速过程，加速过程的极限状态便是电动机的启动。

1)工频启动的特点所谓工频启动，是指电动机直接接上工频电源时的直接启动。众所周知，工频启动存在的主要问题有：

(1)启动电流大。因为电动机直接接上工频电源，旋转磁场即以额定同步转速旋转，而电动机转子尚处于静止状态，转子绕组与旋转磁场的相对速度很高，故感应电动势和感应电流都很大，其定子电流可达额定电流的4耀7 倍。当电动机的容量较大时，其启动电流将对电网产生巨大的冲击。

(2)启动过程冲击大。由于电机一直由工频拖动，拖动系统的加速过程将很快，对生产机械的冲击也很大，会使生产机械的使用寿命受到影响。

2)变频启动的特点采用变频调速的启动过程的特点有：

(1)启动电流小。因为频率是从最低频率起按预置的加速时间逐渐上升的，在启动瞬间，变频器的输出频率很低，旋转磁场的转速以及转子绕组与旋转磁场的相对速度也都很低，故启动电流很小，一般可控制在额定电流以下。

(2)启动过程的冲击小。整个启动过程同步旋转磁场速度平缓上升，加速过程将能保持平稳，减小了对生产机械的冲击。

46 变频启动和软启动器启动的区别?

答：1)启动转矩不同。

(1)软启动器的启动方式，实际上就是无级降压启动。异步电动机在改变电源电压时，其机械特性的临界转差是不变的，但临界转矩减小较多。因此，在低压启动时，启动转矩将大幅减小，如图17(a)所示。

(2)变频调速低频启动时，因变频器有各种补偿功能，电动机的机械特性将大为改善，可以保证有较大的启动转矩，如图17(b)所示。

2)启动过程不同。

(1)软启动器虽然可以减小启动电流，但难以控制电动机启动时间的长短。

(2)变频器则可以根据生产机械的具体需要，任意预置加速时间，使启动过程十分平稳。

47 决定加、减速时间的主要依据是什么?

答：主要依据有两个方面：

一是拖动系统的惯性所决定的。在变频器的输出频率上升的过程中，电动机转子的转速能否跟得上频率的上升。如果加速时间预置得较短，变频器输出频率上升较快，而拖动系统的惯性又较大，则电动机转子的转速必将跟不上频率的上升，导致旋转磁场与转子间的转差增大，电动机的电流也必增大。所以，只有在拖动系统能够跟得上频率上升的情况下，才能将加速过程中的电流限制在额定电流上下。

二是生产机械的要求。(1)要求缩短加、减速时间者。由于拖动系统的加速过程属于不进行生产的过渡过程。因此，部分生产机械从提高劳动生产率的角度出发，要求尽量缩短加速时间和减速时间。(2)要求延长加、减速时间者。某些机械本身的惯性不大，但从加、减速过程力求平稳的角度出发，要求适当延长加、减速时间。

总之，在预置加、减速时间时，既要注意拖动系统惯性的大小，又要考虑生产机械对过渡过程的要求。