变频器原理与应用 第3版 教案全套 王廷才 第1-10章 变频器的认识- 变频器应用实例

PAGE《变频器原理及应用（第3版）》电子教案PAGE第3页共3页中等职业教育课程改革国家规划新教材《电子技术基础》电子教案 PAGE1章节课题第1章变频器的变频器概述课时2教学目的1.了解变频器技术发展和应用。2.掌握变频器的分类。重点难点重点：变频器的分类教学方法结合日常生活和家用电器，联系实际因材施教，让学生了解变频器的广泛应用，激发学生学习兴趣和调动学生的学习积极性。本次课老师要准备好变频器应用的视频片，进行课堂播放，结合实际讲解，尽可能达到好的教学效果。教具及参考书教具：变频器参考书：王廷才．变频器原理及应用(第3版)．机械工业出版社作业习题1－1：习题1－2；习题1－3课后小结1.变频器的发展2.2.变频器的分类1)按变频的原理分类2)按变频器的控制方式分类3）按用途分类3.变频器的应用教学内容第1章变频器的认识知识目标：1.了解变频器技术发展和应用。2.掌握变频器的分类。技能目标：1.观察变频器的外形及结构。2.识读变频器铭牌，了解变频器的主要参数。教学内容1.1变频器技术的发展1.1.1电力电子器件是变频器发展的基础1.1.2计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱1.1.3市场需求是变频器发展的动力1.1.4变频器的发展趋势1）智能化2）专门化3）一体化4）环保化1.2变频器的分类1.2.1按变频的原理分类单相按相数分三相有环流交-交变频器按环流情况分无环流方波按输出波形分正弦波变频器电压型按储能方式分电流型交-直-交变频器脉幅调制按调压方式分脉宽调制1.V/f控制变频器教学内容1.2.2按变频器的控制方式分类1）V/f控制变频器2）转差频率控制变频器3）矢量控制变频器4）直接转矩控制按用途分类通用变频器2）专用变频器1.3变频器的应用1.3.1在节能方面的应用1.3.2在自动化系统中的应用1.3.3在提高工艺水平和产品质量方面的应用章节课题1.2异步电动机变频调速的原理课时2教学目的1.掌握异步电动机变频调速的原理。2.了解异步电动机的机械特性。重点难点重点：异步电动机变频调速的原理难点：异步电动机变频调速的原理教学方法联系异步电动机实际，讲解异步电动机变频调速的原理及其调速方式，尽可能达到好的教学效果。教具异步电动机作业习题1-4课后小结异步电动机的转速n的表达式为，可见改变p、s、f1即可实现电动机的速度调节。教学内容1.2异步电动机变频调速的原理知识目标：1.掌握异步电动机变频调速的原理。2.了解异步电动机的机械特性。技能目标：熟悉异步电动机变频调速的原理。教学内容1.2异步电动机变频调速的原理1.2.1异步电动机变频调速工作原理异步电动机的转速n的表达式为改变f1、p和s都可以调速。1.2.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性曲线如图1-5所示。图1-5三相异步电动机的机械特性曲线教学内容1．起动转矩Tst度2．额定转矩TN3．最大转矩TM1.2.3三相异步电动机的起动在生产中，除了小容量的三相异步电动机能直接起动外，一般要采取不同的方法起动，比如自耦变压器降压起动、串电阻或电抗器降压起动、Y-Δ降压起动等。在变频调速拖动系统中，变频器用降低频率f1从而也降低了U1的方法来起动电动机。如图1-6所示为低频起动时电动机的机械特性曲线。电动机以很低的频率起动，随着频率的上升，转速上升，直至达到电动机的工作频率后，电动机稳速运行。在此过程中，转速差Δn被限制在一定的范围，起动电流也将被限制在一定的范围内．而且动态转矩ΔT很小，起动过程很平稳。图1-6低频起动时电动机的机械特性曲线1.2.4三相异步电动机的制动电动机的制动状态是指电磁转矩T与转速n方向相反的状态。三相异步电动机的制动方式有直流制动、回馈制动和反接制动等。教学内容1．直流制动电动机制动时，切断电动机的三相电源，在定子绕组中通入直流电，产生一恒定磁场，如图1-7a所示。由于转子在机械惯性作用下仍按原方向旋转．它切割恒定磁场产生感应电流．用左手定则可判断感应电流在磁场中的受力方向，从而可判断电磁转矩方向与转子转速方向相反，为制动转矩。如图1-7b所示。a)直流制动的原理b)直流制动的机械特性曲线图1-7直流制动的原理与机械特性2．回馈制动由于某些原因，当n＞n1时，转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态n＜n1正好相反，转子中感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩T也就和n反向，为制动转矩。回馈制动的实质是将轴上的机械能转换成电能，回馈给电源。如图1-8所示，图1-8回馈制动的机械特性曲线章节课题1.3变频器的结构与主要技术参数课时2教学目的1.掌握变频器的结构。2.掌握变频器铭牌及主要技术参数。重点难点重点：变频器的结构变频器铭牌的含义及主要技术参数教学方法结合变频器实际，讲解变频器的外形和结构，铭牌及技术参数，有条件可以到变频器生产厂家或商场参观，增加感性认识，并进行讲解，可能会事半功倍。教具变频器作业习题1-5课后小结变频器的基本组成可分为两大部分：由电力电子器件构成的主电路；以微处理器为核心的控制电路。表达式表明调节电源频率fx，即可调节异步电动机的转速nx，这就是异步电动机变频调速的理论依据。变频器的主要技术参数：输入电压、输出电压、额定电流、输出容量、额定功率和过载能力等。教学内容1.3变频器的结构与主要技术参数知识目标：掌握变频器的结构。技能目标：学会识别变频器铭牌及主要技术参数。教学内容1.3变频器的结构与主要技术参数1.3.1变频器的外形变频器的外形大致可分为挂式、柜式和柜挂式三种。1.3.2变频器的结构变频器的实际电路相当复杂，图1-10所示为变频器的组成框图。交-直-交变频器的主电路；控制电路的基本结构如图1-11所示，它主要由主控板、键盘与显示板、电源板、外接控制电路等构成。1.3.3变频器的铭牌图1-14森兰变频器的铭牌教学内容1.3.4主要技术参数1.输入电压主要是指变频器的输入电压的相数、大小和频率，常见的有以下几种：（1）3相380V50/60Hz绝大多数变频器采用这种规格。（2）3相220V50/60Hz主要用于某些进口变频器。（3）单相220V50/60Hz主要用于家用小容量变频器。2.输出电压UN由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压是指输出电压的相数、电压变动范围和频率变动范围。一般输出电压变动范围为0V～输入电压，即输出电压的最大值总是和输入电压相等。3.额定电流IN通常是指允许长时间输出的最大电流，是用户选择变频器时的主要依据。4.输出容量SNSN取决于UN和IN的乘积（1-6）5.额定功率PNPN是变频器说明书中规定的配用电动机容量。6.过载能力是指变频器输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为1.5IN和60s。章节课题第2章变频器常用电力电子器件（2.1～2.4）课时2教学目的1.了解功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的外形和器件符号。2.掌握功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的主要参数。3.会使用万用表检测功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的好坏和判别极性。重点难点重点：功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的主要参数。难点：使用万用表检测功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的好坏和判别极性。教学方法结合日常生活，联系实际因材施教，让学生了解电力电子器件的应用，调动学生的学习积极性。本次课老师要准备好功率二极管、晶闸管、GTO、GTR和万用表，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：功率二极管、晶闸管、GTO、GTR、万用表作业习题2-1；习题2-2：习题2-3；习题2-5课后小结功率二极管的结构是一个PN结，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控的单向导通器件。晶闸管是双极型电流控制器件。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当正向电压时，晶闸管导通。但导通后门极失去控制作用，不能用门极控制晶闸管关断，所以它是半控器件。GTO的导通控制与晶闸管一样，但门极加负电压可使GTO关断，它是全控器件。GTR的工作原理与普通中小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它承受的电压和电流数值大。教学内容2.1功率二极管（D）2.2晶闸管（SCR）2.3门极可关断（GTO）晶闸管2.4功率晶体管（GTR）知识目标：1.了解功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的外形和器件符号。2.掌握功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的主要参数。技能目标：会使用万用表检测功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的好坏和判别极性。教学内容2.1功率二极管（D）1.1.1二极管的基本特征功率二极管的结构与伏安特性1.结构功率二极管的内部是PN或PIN结构，是通过扩散工艺制作的。功率二极管引出两个极，分别称为阳极A和阴极K。2.伏安特性功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图2-2所示。正向特性：硅二极管的开启电压为0.5V左右，锗二极管的开启电压为0.1V左右。反向特性：反向截止区，反向击穿区。2.1.2主要参数1）额定正向平均电流IF2）反向重复峰值电压URRM3）正向平均电压UF教学内容2.1.3功率二极管的选用略2.1.4功率二极管的分类功率二极管一般分为三类：(1)标准或慢速恢复二极管；(2)快速恢复二极管；(3)自特基二极管。2.2晶闸管（SCR）2.2.1晶闸管的结构晶闸管是四层（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件，其内部结构和等效电路如图2-3所示。2.2.2晶闸管的导通和阻断控制晶闸管的导通控制：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。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。2.2.3晶闸管的阳极伏安特性2.2.4晶闸管的参数1.晶闸管的电压参数（1）正向断态重复峰值电压ＵDRM（2）反向重复峰值电压ＵRRM。通常将ＵDRM和ＵRRM二值中的较小者定义为晶闸管的额定电压ＵTn。（3）通态平均电压ＵT(AV)2.晶闸管的额定电流ＩT(Ａv2.2.5晶闸管的门极伏安特性及主要参数略2.2.6晶闸管触发电路1.晶闸管对触发电路的要求1）触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；2）触发脉冲与主电路电源电压必须同步；教学内容3）触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。2.触发电路的分类触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。2.2.7晶闸管的保护2.3门极可关断（GTO）晶闸管2.3.1GTO的结构与工作原理GTO的结构虽然也是四层三端器件，但制作工艺与晶闸管不同。2.3.2GTO的特性与主要参数1）最大可关断阳极电流ＩTGQM2）关断增益Goff2.3.3GTO的门极控制GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出Ｐ2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。2.3.4GTO的缓冲电路GTO使用时须接缓冲电路，缓冲电路的作用主要有：在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。2.4功率晶体管（GTR）2.4.1GTR的结构2.4.2GTR的参数1)UCEO：既基极开路CE间能承受的电压。2)最大电流额定值ICM3)最大功耗额定值PCM4）开通时间ton5）关断时间ｔoff。2.4.3二次击穿现象2.4.4GTR的驱动电路2.4.5GTR的缓冲电路章节课题第2章变频器常用电力电子器件（2.5～2.8）课时2教学目的1.了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的外形和器件符号。2.掌握功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的主要参数。重点难点重点难点：功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块的主要参数。教学方法联系实际让学生了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块的应用，调动学生的学习积极性。本次课老师要准备好功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块作业习题2-6；习题2-7：习题2-9；习题2-10课后小结功率场效应晶体管（P-MOSFET）是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。智能功率模块（IPM）是将高速度、低功耗的IGBT，与栅极驱动器和保护电路一体化，IPM具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。教学内容2.5功率场效应晶体管（P-MOSFET）2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）2.8智能功率模块(1PM)知识目标：1.了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的外形和器件符号。2.掌握功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的主要参数。技能目标：会使用万用表检测功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的好坏。教学内容2.5功率场效应晶体管（P-MOSFET）2.5.1功率场效应管的结构功率场效应晶体管的导电沟道也分为Ｎ沟道和Ｐ沟道，栅偏压为零时漏源之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（Ｎ沟道）才存在导电沟道的称为增强型。2.5.2P-MOSFET的工作原理当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，Ｐ型区和Ｎ-型漂移区之间的ＰＮ结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面Ｐ型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的Ｐ型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面Ｐ型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使Ｐ型半导体反型成Ｎ型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。教学内容2.5.3P-MOSFET的特性１.转移特性２．输出特性３.开关特性2.5.4功率场效应晶体管的主要参数1）漏源击穿电压BUDS；2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM3)栅源击穿电压BUGS4)开启电压UT5)极间电容2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的栅极驱动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。2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保护1)工作保护;2)静电保护2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.6.1IGBT的结构与基本工作原理从结构示意图可见，IGBT相当于以GTR为主导元件、以MOSFRT为驱动元件的达林顿结构。2.6.2IGBT的基本特性1)传输特性;2)输出特性2.6.3IGBT的主要参数1)集电极-发射极额定电压UCES；2)栅极-发射极额定电压UGES；3)额定集电极电流IC；4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)；5)开关频率2.6.4IGBT的驱动电路1)IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗。2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率。3)驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4)驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。5)在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-10～-1V。教学内容2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）2.7.1IGCT的结构与工作原理2.7.2IGCT的特点（1）缓冲层；（2）透明阳极；（3）逆导技术2.8智能功率模块(IPM)2.8.11PM的结构其中包括用于于电动机制动的功率控制电路和三相逆变器各桥臂的驱动电路，还具备欠压、过流、桥臂短路及过热等保护功能。2.8.2IPM的主要特点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。2.8.3IPM选择注意事项（1）采用光电耦合器；（2）采用双脉冲变压器章节课题第3章交-直-交变频技术3.1整流电路课时2教学目的1.了解整流电路组成形式。2.掌握整流电路的工作原理。重点难点重点：整流电路的工作原理难点：整流电路的波形分析教学方法结合日常生活，联系实际因材施教，让学生了解由整流电路组成的直流电源的广泛应用。本次课老师要准备好整流电路示教板，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：整流电路示教板作业习题3-2课后小结整流电路把电源提供的交流电压变换为直流电压，电路型式分为不可控整流电路和可控整流电路。三相不可控整流电路的组成和工作原理。三相可控整流电路的组成和工作原理。教学内容第3章交-直-交变频技术知识目标：1.了解整流电路组成形式。2.掌握整流电路的工作原理。技能目标：1.会绘制三相不可控整流电路和三相可控整流电路原理图。教学内容3.1整流电路整流电路的功能是将交流电转换为直流电。整流电路按使用的元件不同分为两种类型，即不可控整流电路和可控整流电路。3.1.1不可控整流电路不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。图3-2是变频器中应用最多的三相整流电路原理图。图3-2三相桥式整流电路三相桥式整流电路共有六只整流二极管，其中VD1、VD3、VD5三只管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组。讲述三相桥式整流电路的工作原理。教学内容3.1.2可控整流电路图3-4所示为三相桥式可控整流电路。电路工作原理：1)三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。2)整流输出电压ud波形是由电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序为：（VT6和VT1）→（VT1和VT2）→（VT2和VT3）→（VT3和VT4）→（VT4和VT5）→（VT5和VT6）。3)六只晶闸管中每管导通120°，每间隔60°有一只晶闸管换流。章节课题3.2中间电路课时2教学目的1.了解中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。2.掌握滤波电路的工作原理。重点难点重点：滤波电路的工作原理难点：制动电路的工作原理分析教学方法联系直流电源组成结构实际，让学生了解滤波电路组成及广泛应用。本次课老师要准备好滤波电路示教板，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：滤波电路示教板作业习题3-3；习题3-4；习题3-5课后小结中间电路分为滤波电路和制动电路等不同的形式，滤波电路是对整流电路的输出进行电压或电流滤波，经大电容滤波的直流电提供给逆变器的称为电压型逆变器，经大电感滤波的直流电提供给逆变器的称为电流型逆变器；制动电路是利用设置在直流回路中的制动电阻或制动单元吸收电动机的再生电能的方式实现动力制动。教学内容3.2中间电路知识目标：1.了解滤波电路和制动电路组成形式。2.掌握滤波电路的工作原理。3.了解制动电路的工作原理。技能目标：1.会用万用表测量滤波电路的输入和输出电压。2.会用示波器测量滤波电路的输入和输出电压波形。教学内容变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。3.2.1滤波电路1.电容滤波通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般采用电解电容。为了得到所需的耐压值和容量，往往根据变频器容量的要求，将电容进行串并联使用。采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。2.电感滤波采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。3.2.2制动电路利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。制动电路可为制动电阻或制动单元.教学内容3.1.2可控整流电路图3-4所示为三相桥式可控整流电路。电路工作原理章节课题3.3逆变电路的工作原理及基本形式3.4SPWM控制技术课时2教学目的1.掌握逆变电路的工作原理及基本形式。2.了解SPWM控制技术。重点难点重点：逆变电路的工作原理及基本形式难点：逆变电路的工作原理教学方法结合变频器的结构，让学生学习掌握逆变电路的工作原理。本次课老师要准备好变频器主板，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：变频器主板作业习题3-6；习题3-7课后小结逆变电路是将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，对逆变电路中功率器件的开关控制一般采用SPWM控制方式。教学内容3.3逆变电路的工作原理及基本形式3.4SPWM控制技术知识目标：1.掌握逆变电路的工作原理及基本形式。2.了解SPWM控制技术。技能目标：学会识读逆变电路。教学内容3.3逆变电路的工作原理及基本形式3.3.1逆变电路的工作原理3.3.2逆变电路的基本型式1.半桥逆变电路当V1或V2导通时，负载电流与电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2导通时，负载电流与电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，电容器起缓冲作用。由于二极管VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，故称反馈二极管；同时VD1、VD2也起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管。教学内容2.全桥逆变电路全桥逆变电路可看作两个半桥逆变电路的组合。电路原理如图3-15a所示。直流电压Ud接有大电容C，使电源电压稳定。电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b所示。3.4SPWM控制技术3.4.1概述实现调压和调频的方法有很多种，但一般从变频器的输出电压和频率的控制方法分为PAM和PWM。3.4.2SPWM控制的基本原理全控型电力电子器件的出现，使得性能优越的脉宽调制（PWM）逆变电路应用日益广泛。这种电路的特点主要是：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流，所以也称为正弦波脉宽调制SPWM（SinusoidalPWM）。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。3.4.3SPWM逆变电路的控制方式1.单极性方式2.双极性控制方式教学内容图3-19单极性PWM控制原理图3-20双极性PWM控制原理3.4.4SPWM逆变器的调制方式在SPWM逆变器中，三角波电压频率ft与调制波电压频率(即逆变器的输出频率)fr之比N＝ft／fr称为载波比，也称为调制比。根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。3.4.5SPWM波形成的方法1)自然采样法;2)数字控制法;3.采用SPWM专用集成芯片章节课题第4章交-交变频技术课时2教学目的1.掌握单相交-交变频器的原理。2.了解三相输出交-交变频电路。重点难点重点：单相交-交变频器的原理难点：单相交-交变频器的原理教学方法联系实际，让学生学习掌握交-交变频技术原理。尽可能达到好的教学效果。教具作业习题4-1；习题4-2；习题4-5课后小结交-交变频就是把电网频率的交流电变换成可调频率的交流电，此类变频器能量转换效率较高，多应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机的低速变频调速。但由于交-交变频输出频率低（一般为电网频率的1/3～1/2）和功率因数低，使其应用受到限制。教学内容4.1单相输出交-交变频电路4.2三相输出交-交变频电路4.3矩形波交-交变频知识目标：1.掌握单相输出交-交变频电路的原理。2.了解三相输出交-交变频电路的主要连接方式。3.了解矩形波交-交变频的原理。技能目标：熟悉交-交变频的应用。教学内容4.1单相输出交-交变频电路4.1.1电路组成及基本工作原理单相交-交变频器的原理框图如图4-1所示。电路由P（正）组和N（负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一交流电源，Z为负载。两组变流器都是相控电路，P组工作时，负载电流自上而下，设为正向；N组工作时，负载电流自下而上，为负向。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电，如图4-2所示。4.1.2感阻性负载时的相控调制如果把交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动分量，就可以把电路等效为图4-4a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路只允许电流单方向流过。假设负载阻抗角为φ，即输出电流滞后输出电压φ角。另外，两组变流电路在工作时采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。教学内容图4-4b给出了一个周期内负载电压、电流波形及正负两组变流电路的电压、电流波形。4.1.3输入输出特性1．输出上限频率输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网为50Hz时，交-交变频电路的输出上限频率约为20Hz。2.输入功率因数交-交变频电路采用的是相位控制方式，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。从图4-3可以看出，在输出电压的一个周期内，α角是以90°为中心而前后变化的。输出电压比越小，半周期内α的平均值越靠近90°，位移因数越低。另外，负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。而且不论负载功率因数是滞后还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。交-交变频器的特点为：1)因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高。2)由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好。3)由于变频器按电网电压过零自然换相，故可采用普通晶闸管。4)因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低，为电网频率的三分之一左右。5)功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。鉴于以上特点，交-交变频器特别适合于大容量的低速传动，在轧钢、水泥、牵引等方面应用广泛。教学内容4.2三相输出交-交变频电路三相输出交-交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，三相输出交-交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交-交变频电路组成的，所以其控制原理与单相交-交变频电路相同。4.2.1公共交流母线进线方式图4-6是公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图。4.2.1公共交流母线进线方式图4-6是公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路简图。它由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交-交变频电路构成，它们的电源进线接在公共的交流母线上。4.2.2输出星形联结方式图4-7是输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图。三组单相交-交变频电路的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机的中性点和变频器的中性点接在一起，电动机要引出六根线。因为三组单相交-交变频电路的输出端联接在一起，其电源进线就必须隔离，因此三组单相交-交变频电路分别用三个变压器供电。章节课题5.1高（中）压变频器概述5.2高（中）压变频器的主电路结构课时2教学目的1.了解高（中）压变频器的分类。2.掌握高（中）压变频器的基本形式。3.掌握高（中）压变频器主电路结构。重点难点重点：高（中）压变频器的基本形式难点：高（中）压变频器主电路结构教学方法联系实际，讲解高（中）压变频器的分类、基本形式和主电路结构，让学生学习掌握高（中）压变频器的组成及应用。尽可能达到好的教学效果。教具作业习题5-1；习题5-3；习题5-4；习题5-7课后小结高（中）压变频器通常指电压等级在1kV以上的大容量变频器。高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交-交方式和交-直-交方式。高（中）压变频调速系统的基本型式有直接高-高型、高-中型和高-低-高型等三种。高（中）压变频器的主电路结构有晶闸管电流型、GTO电流型、1GBT并联多重化PWM电压型、多电平高（中）压变频器等。教学内容5.1高（中）压变频器概述5.2高（中）压变频器的主电路结构知识目标：1.了解高（中）压变频器的分类。2.掌握高（中）压变频器的基本形式。3.掌握高（中）压变频器主电路结构。技能目标：学会识别高（中）压变频器。教学内容5.1高（中）压变频器概述5.1.1高（中）压变频器的分类高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交-交方式和交-直-交方式。5.1.2高（中）压变频调速系统的基本形式高（中）压变频调速系统不像低压变频调速系统那样有统一的结构形式，但常见的基本型式有直接高-高型、高-中型和高-低-高型等三种。5.1.3高（中）压变频器的应用在功率保持不变情况下，如果提高其供电电压，就可以减少绕组中的电流。对大容量的电动机来说，这是非常有意义的，减少绕组中的电流可使电动机的体积和制造成本大大降低。因此在冶金、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，但目前的调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命的降低。教学内容5.1.4高（中）压变频器的技术要求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5.2高（中）压变频器的主电路结构5.2.1晶闸管电流型变频器图5-5所示为晶闸管电流型变频器的主电路。电流型变频器的优点是能量可以回馈到电网，因此系统可以四象限运行。由于存在大的平波电抗器和快速电流调节器，过电流保护较容易实现。但是由于采用三相桥式晶闸管整流，电流型变频器的输入波形畸变较为严重，功率因数也会随电动机转速的下降而有所下降。实际上常采用接入输入滤波器和多重化(如12脉波)的方法，使输入电压和电流畸变达到IEEE519-92的要求。5.2.2GTO电流型变频器该类变频器其主电路如图5-6所示。GTO电流型变频器可以说是SCR方式的改进。5.2.31GBT并联多重化PWM电压型变频器采用IGBT器件的PWM电压型变频器，由于IGBT器件具有优良的性能，在高（中）压变频器中应用较多。其中比较成功的例子是“并联多重化PWM电压型”变频器。图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。教学内容5.2.4三电平高（中）压变频器IGBT三电平高压变频器的主电路如图5-8所示。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。5.2.5五电平高（中）压变频器五电平逆变器如图5-11a所示，结构为二极管钳位式五电平逆变器主电路。5.2.6IGBT功率单元多级串联电压型变频器功率单元串联的方法解决了用低电压的IGBT实现高压变频的困难，它既保留了IGBT和PWM技术相结合所具有的各项优点，且在减小谐波分量等方面有更大的改进，变频器的功率得以提高。山东风光JD-BP37系列高压变频器的系统结构如图5-13所示。章节课题5.3风光JD-BP37系列高压变频器简介5．4高压变频器对电动机的影响及防治措施课时2教学目的1.了解风光JD-BP37/38系列高压变频器的结构。2.掌握高（中）压变频器对电动机不良影响的防治措施。重点难点重点难点：高（中）压变频器对电动机不良影响的防治措施。教学方法联系实际，讲解风光JD-BP37/38系列高压变频器的结构，高压变频器对电动机的影响及防治措施，尽可能达到好的教学效果。教具作业课后小结高（中）压变频器有变频和工频两种运行方式，可采用手动切换和自动切换，但特别注意两种运行方式的控制开关必须设置互锁，以避免同时接通而导致高（中）压变频器损坏。高压变频器对电动机的影响有：输出谐波、输出电压的变化、共模电压等。教学内容5.3风光JD-BP37系列高压变频器简介5．4高压变频器对电动机的影响及防治措施知识目标：1.了解风光JD-BP37/38系列高压变频器的结构。2.掌握高（中）压变频器对电动机不良影响的防治措施。技能目标：学会高（中）压变频器对电动机不良影响的防治措施。教学内容5.3风光JD-BP37系列高压变频器简介5.3.1JD-BP37/38系列高压变频器的系统结构风光JD-BP37/38系列高压变频调速系统结构如图5-13所示。图5-13风光JD-BP37/38系列高压变频调速系统结构风光JD-BP37/38系列高压变频器的柜体结构，主要由开关柜、变压器柜、功率单元柜和控制柜等组成。教学内容5．4高压变频器对电动机的影响及防治措施输出滤波器；二是改变逆变器的结构或联接形式，以降低输出谐波。使其作用到电机上的输出波形接近正弦波。5.4.1输出电压变化率对电动机的影响及防治措施对于电压型变频器，当输出电压的变化率(du／dt)比较高时，相当于在电动机绕组上反复施加了陡度很大的脉冲电压，加速了电动机绝缘的老化。特别是当变频器与电动机之间的电缆距离比较长时．电缆上的分布电感和分布电容所产生的行波反射放大作用增大到一定程度，有时会击穿电动机的绝缘。经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出电压滤波器：二是降低输出电压的变化率。5.4.2输出谐波对电动机的影响及防治措施输出谐波对电动机的影响主要有谐波引起电动机的温升过高、转矩脉动和噪声增加，经常采用的防治措施一般有两种：一是设置5.4.3共模电压对电动机的影响及防治措施当没有输入变压器时．共模电压会直接施加到电动机上，导致电动机绕组绝缘击穿，影响电动机的使用寿命。当共模电压对地产生的高频漏电流经过电动机的轴承入地时，还会出现“电蚀”轴承现象，降低轴承的使用寿命。经常采用的防治措施是设置二次侧中点不接地的输入变压器，由输入变压器和电动机共同来承担共模电压。一般情况下，输入是1／10，那么约有90％的共模电压由输入变压器来承担。因此，对于电流型变频器，电动机的绝缘一定要足够强，否则容易发生因绝缘被击穿而烧毁输入变压器或电动机的后果。章节课题6.1变频器的外部接线端子课时2教学目的1.掌握变频器的外部接线端子。2.了解变频器的外部端子连接。重点难点重点：变频器的外部接线端子教学方法结合变频器实际，讲解变频器的外部接线端子，有条件可以到变频器生产厂家或商场参观，增加感性认识，并进行讲解，可能会事半功倍。教具变频器作业习题6-1；习题6-2课后小结变频器与外部连接的端子分为主电路端子和控制电路端子。教学内容6.1变频器的外部接线端子知识目标：掌握变频器的外部接线端子组成。技能目标：学会区别主电路端子和控制端子。教学内容6.1变频器的外部接线端子图6-1示出森兰SB70G变频器的连接端子图。图6-1森兰SB70G变频器的连接端子图6.1.1主回路端子教学内容变频器通过主电路端子与外部连接，主电路端子及其功能如表6-1所示。表6-1变频器的主电路端子及其功能端子符号端子名称功能说明R、S、T交流电源输入端子连接三相交流电源U、V、W变频器输出端子连接三相电动机P1、P+直流电抗器连接用端子改善功率因数和抗干扰P+、DB外部制动电阻器连接用端子连接外部制动电阻器P+、N-制动单元连接端子连接外部制动单元PE变频器接地端子变频器机壳接地端子SB70G2.2～15机型主回路端子排列如图6-7所示。图6-7SB70G2.2～15机型主回路端子排列教学内容3.控制板端子、跳线及配线SB70G375kW及以下机型控制板端子排列如图6-11所示。图6-11SB70G375kW及以下机型控制板端子排列6.1.3控制端子的配线1）模拟输入端子配线2）多功能输入端子X1～X6、FWD、REV端子及多功能输出端子Y1、Y2配线3）继电器输出端子TA、TB、TC配线章节课题6.2变频器的主要功能参数及预置6.3变频器的频率参数课时2教学目的1.掌握变频器的主要功能参数及预置方法。2.了解变频器的频率参数及预置。重点难点重点：变频器的主要功能参数及预置难点：变频器的主要功能参数教学方法结合变频器实际，讲解变频器的主要功能参数及预置方法，最好通过实训操作，使学生真正掌握变频器的主要功能参数及预置。教具变频器作业习题6-4；习题6-5课后小结对功能参数进行预置，大致有下面几个步骤：1)查功能参数码表，找出需要预置参数的功能码。2)在参数设定模式(编程模式)下，读出该功能码中原有的数据。3)修改数据，送入新数据。教学内容6.2变频器的主要功能参数及预置6.3变频器的频率参数知识目标：1.掌握变频器的主要功能参数及预置方法。2.了解变频器的频率参数及预置。技能目标：学会变频器的主要功能参数及预置方法。教学内容6.2变频器的主要功能参数及预置6.2.1变频器运行前的功能参数预置变频器在运行前需要经过下面几个步骤的操作：功能参数预置，运行方式的选择，给出起动信号。6.2.2变频器的运行功能参数1.加速时间；2.加速模式；3.减速时间；4.减速模式；5.多功能端子；6.程序控制6.2.3优化特性功能及预置1.节能功能；2.PID控制功能；3．自动电压调整；4．瞬间停电再起动；5.电动机参数的自动调整；6.变频器和工频电源的切换6.2.4变频器的保护功能及预置1．过电流保护；2．电动机过载保护；3.过电压保护；4.欠电压保护和瞬间停电的处理教学内容6.3变频器的频率参数及预置6.3.1各种基本频率参数1.给定频率；2.输出频率；3．基本频率；4.上限频率和下限频率；5.跳跃频率6.3.2变频器的其他频率参数1.点动频率；2.载波频率(PWM频率)；3.起动频率；4.直流制动起始频率；5.多挡转速频率章节课题第7章变频器的控制方式7.1U／f控制7.2转差频率控制（SF控制）课时2教学目的1.掌握变频器常用的控制方式。2.掌握变频器的U／f控制方式。3.了解转差频率控制方式。重点难点重点难点：变频器的U／f控制方式。教学方法联系工程实际讲授变频器常用的控制方式，使学生掌握变频器的U／f控制方式，了解转差频率控制方式。。教具作业习题7-1；习题7-2；习题7-6课后小结变频器的控制方式有：U／f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。U／f控制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U／f为常数，这样可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。低频时，可通过提高U/f比使输出转矩得到补偿的，这种方法被称作转矩补偿。转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，使速度的静态误差变小。教学内容7.1U／f控制7.2转差频率控制（SF控制）知识目标：1.掌握变频器的U／f控制原理。2.了解转差频率控制原理。技能目标：学会根据负载类型选择变频器的U／f控制曲线。教学内容7.1U／f控制7.1.1U／f控制原理U／f控制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U／f为常数，这样可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。7.1.2恒U／f控制方式的机械特性观察各条机械特性，它们的特征如下：1）从fN向下调频时，n0x下移，TKx逐渐减小。2）fx在fN附近下调时：kf=ku→1，TKx减小很少，可近似认为TKx≈TKN，fx调的很低时：kf=ku→0，TKx减小很快。3）不同fx时，临界转差ΔnKx变化不是很大，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的，且机械特性较硬。7.1.3对额定频率fN以下变频调速特性的修正在低频时，TKx的大幅减小，严重影响到电动机在低速时的带负载能力，造成低频时TKx教学内容针对kf=ku下降时Ex在Ux的比重减小，从而造成ΦM和电磁转矩TKx的下降的情况，可适当提高调压比ku，使ku＞kf，即提高Ux的值，使得Ex的值增加。从而保证Ex/fx＝常数。因此这种方法被称作电压补偿，也有些资料称为转矩补偿。7.1.4U／f控制的功能低频时U／f比决不可盲目取大。但在负载变化较大的拖动系统，会不可避免的出现上述情况。例如：起重机械起吊的重物有时重，有时轻；电梯里的乘客有时多、有时少等等。负载变动，则电流也必变动，阻抗压降也就变动。而U／f比只能根据负载最重时的工况进行设定，设定后是不能随负载而变的。因此，在轻载时就出现了补偿过分。针对U／f控制中的过分补偿情况，一些高性能的变频器都设置了自动转矩补偿功能。2.U／f控制功能的选择为了方便用户选择U／f比，变频器通常都是以U／f控制曲线的方式提供给用户，让用户选择的，如图8-3所示。7.2转差频率控制（SF控制）转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机速度对应的频率与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与U／f控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静态误差小，适用于自动控制系统。教学内容7.2.1转差频率控制原理如果保持电动机的气隙磁通一定，则电动机的转矩及电流由转差角频率决定，因此，若添加控制电动机转差角频率的功能，那么异步电动机产生的转矩就可以控制。转差频率是施加于电动机的交流电压频率与电动机速度(电气角频率)的差频率，在电动机转子上安装测速发电机(PG)等速度检出器可以检测电动机的速度，检测出的转子速度加上转差频率(与产生所要求的转矩相对应)就是逆变器的输出频率。7.2.2转差频率控制的系统构成图8-7为转差频率控制系统构成图。采用转子速度闭环控制，速度调节器通常采用PI控制。它的输入为速度设定信号ω2*和检测的电机实际速度ω2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号ωs*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率ω1*为转差频率设定值ωs*与实际转子转速ω2之和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。章节课题7.3矢量控制（VC）7.4直接转矩控制课时2教学目的1.掌握变频器矢量控制方式。2.了解直接转矩控制方式。重点难点重点难点：变频器的矢量控制方式。教学方法联系工程实际讲授变频器的矢量控制方式，使学生掌握变频器的矢量控制方式原理，了解直接转矩控制方式。。教具作业习题7-10；习题7-11课后小结矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性能的异步电动机控制方式。直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。教学内容7.3矢量控制（VC）7.4直接转矩控制知识目标：1.掌握变频器的矢量控制原理。2.了解直接转矩控制原理。技能目标：弄清楚使用矢量控制的要求。教学内容7.3矢量控制(VC)矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。7.3.1直流电动机与异步电动机调速上的差异1．直流电动机的调速特征直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差π/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。2．异步电动机的调速特征异步电动机虽然也有两套绕组，即定子绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流I1是从电源吸取电流，转子电流I2是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。既然直流电动机的调速性能优良，那么能否将异步电动机的定子电流分解成励磁电流和负载电流，并分别进行控制，而它们所形成的磁场在空间上也能互差π/2电角度？如果能实现上述设想异步电动机的调速就可以和直流电动机相差无几了。教学内容7.3.2矢量控制中的等效变换异步电动机的定子电流，实际上就是电源电流，我们知道，将三相对称电流通入异步电动机的定子绕组中，就会产生一个旋转磁场，这个磁场就是我们所说的主磁场ΦM。设想一下，如果将直流电流通入某种形式的绕组中，也能产生和上述旋转磁场一样的ΦM，就可以通过控制直流电流实现先前所说的调速设想。7.3.3.直角坐标／极坐标变换在矢量控制系统中，有时需将直角坐标变换为极坐标，用矢量幅值和相位夹角表示矢量。7.3.4变频器矢量控制的基本思想7.3.5使用矢量控制的要求1．矢量控制的给定；2．矢量控制的要求；3．使用矢量控制的注意事项7.3.6矢量控制系统的优点和应用范围优点：1）动态的高速响应；2）低频转矩增大；3）控制灵活。应用范围：1）要求高速响应的工作机械；2）适应恶劣的工作环境；3）高精度的电力拖动；4）四象限运转。教学内容7.4直接转矩控制7.4.1直接转矩控制系统图8-13所示为按定子磁场控制的直接转矩控制系统的原理框图，采用在转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响，因此，转速与磁链子系统也是近似独立的。7.4.2直接转矩控制的优势直接转矩控制的优势在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电动机参数变化鲁棒性好；所引入的定子磁链观测器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制也称为无速度传感器直接转矩控制。章节课题第8章变频调速系统的选择与操作8.1变频器的选择课时2教学目的掌握变频器选择的方法。重点难点重点难点：变频器选择的方法教学方法联系工程实际讲授变频器选择的方法。教具变频器作业习题8-1；习题8-2课后小结变频调速系统包括变频器、电动机和负载等，合理选择系统设备和规范的操作，是实现系统安全、可靠和经济运行的保证。变频器一般依据容量大小选择电压等级，而容量大小的选择应依据所带电动机的类型、电动机的运行方式、负载机械特性等因素。教学内容8.1变频器的选择知识目标：1.掌握变频器电压等级的选择;2.掌握变变频器容量的选择方法。技能目标：能根据电动机类型、运行方式和负载类型选择变频器及控制方式。教学内容8.1变频器的选择8.1.1变频器电压等级的选择变频器电压等级的选择应考虑以下因素：系统的综合造价、电源谐波的影响以及场地环境等。一般情况下，400kW以下的功率范围建议选用400V（380V）的变频器产品；400～1000kW的功率范围建议选用660V或以上电压等级的变频器产品；1000～2000kW的功率范围建议选用2.3kV电压等级的变频器产品；5000kW及以上建议选用4.16kV或以上电压等级的变频器产品。8.1.2变频器容量的选择变频器的容量以千伏安（kVA）值表示，同时也标明它所适配的电动机功率（kW）值。变频器容量的选择主要依据以下几个方面。根据原有的电动机功率。根据电动机的实际功率。3）根据代换后的功率。实际工作中，有时采取临时措施将不同工作制的电动机代用。例如短时工作制的电动机使用到连续工作的负载上，这时需要合理计算代换后的电动机功率，然后再去选择变频器。教学内容8.1.3依据电动机的类型选用变频器1笼型电动机1．依据负载电流选择变频器2．考虑低速转矩特性3．考虑短时最大转矩4．考虑容许最高频率范围5．考虑噪声6．考虑振动2绕线式异步电动机绕线式异步电动机采用变频器控制运行，大多是对老设备进行改造，利用已有的电机。改用变频器调速时，可将绕线式异步机的转子短路，去掉电刷和起动器。考虑电机输出时的温度上升的问题，所以要降低容量的10％以上。由于绕线式异步电动机转子内阻较小，是一种高效的笼形异步机，但容易发生谐波电流引起的过电流跳闸，所以应选择比通常容量稍大的变频器。3变频器专用电机1)在运转频率区域内低噪声、低振动。2)在低频区内提高连续容许转矩(恒转矩式电机)。3)高速用电机。4)用于闭环控制(抑制转速变动)的带测速发电机的电机。5)矢量控制用电机。教学内容8.1.4依据电动机的运行方式选择变频器1．一台变频器驱动一台电动机一台变频器驱动一台电动机，变频器的额定工作电流应满足I＞1.1Im(8-1)式中I——变频器的额定工作电流，A；Im——电动机最大工作电流，A。详见电动机参数，该电流值与电动机种类、极数等有关，当最大电流小于额定电流时取额定电流。2．一台变频器驱动多台电动机1）n台电动机同时起动、停止，变频器工作电流I应满足I＞1.1∑IM(8-2)式中∑IM——n台电动机输出电流总和，A。2）先投入n1台，后投入n2台，变频器工作电流I应满足I＞(8-3)式中Ist——电动机的起动电流，A。电动机周期性4）电动机非周期运行3.电动机快速加速或快速减速教学内容教学内容8.1.5依据负载的机械特性选择变频器1．恒转矩负载变频器的选择1）依据调速范围。2）依据负载转矩的变动范围。3）考虑负载对机械特性的要求。2．恒功率负载变频器的选择对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用V/f控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要求的卷取机械，则必须采用具有矢量控制功能的变频器。3．二次方律负载变频器的选择可以选用“风机、水泵用变频器”。4．直线律负载变频器的选择直线律负载的机械特性虽然也有典型意义．但在考虑变频器时的基本要点与二次方律负载相同，故不作为典型负载来讨论。5．特殊性负栽变频器的选择当机床对加工精度有特殊要求时，才考虑有反馈矢量控制方式。8.1.6变频器控制方式的选择变频器控制方式的选择是依据电动机特性的以下几个主要指标。1）机械特性的硬度。2）低频时带负载能力。3）起动转矩值。4）调速范围。5）动态响应能力。章节课题8.2变频调速系统的主电路及电器选择课时2教学目的掌握变频调速系统的主电路的组成。掌握主电路电器选择的方法。重点难点重点难点：变频调速系统的主电路的组成教学方法联系工程实际讲授变频调速系统的主电路及电器选择方法。教具变频器作业习题8-3；习题8-4；习题8-5课后小结变频调速系统的主电路的主要电器有：断路器、接触器、继电器和开关器件等。应根据变频器和负载的需要，合理选择。教学内容8.2变频调速系统的主电路及电器选择知识目标：1.掌握变频器选择的依据。2.掌握变频调速系统的主电路及电器选择方法。技能目标：能根据电动机和负载类型选择变频调速系统的主电路及电器.教学内容变频调速系统的完整主电路示意图。教学内容8.2.1断路器一般变频器允许的过载能力为150%，1min。所以为了避免误动作，低压断路器的额定电流IQN应选：IQN≥（1.3～1.4）IN（8-15）式中，IN为变频器的额定电流。在电动机要求实现工频和变频的切换控制的电路中，断路器应按电动机在工频下的起动电流来进行选择：IQN≥2.5IMN（8-16）式中，IMN为电动机的额定电流。8.2.2接触器变频器输入侧接触器的选择原则是，主触点的额定电流IKN只需大于或等于变频器的额定电流IN即可。IKN≥IN（8-17）变频器输出侧接触器仅用于和工频电源切换等特殊情况下，一般不用。主触点的额定电流IKN就满足：IKN≥1.1IMN（8-18）工频接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个挡次来选择。8.2.3传感器传感器的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”1.传感器的种类2.传感器选用的一般原则教学内容8.2.4输入交流电抗器接入的交流电抗器应满足以下要求：电抗器自身分布电容小；自身的谐振点要避开抑制频率范围；保证工频压降在2%以下，功耗要小。8.2.5电源滤波器在对防止无线电干扰要求较高及要求符合CE、UL、CSA标准的使用场合，或变频器周围有抗干扰能力不足的设备等情况下，均应使用该滤波器。安装时注意接线尽量缩短，滤波器亦应尽量靠近变频器。8.2.6制动电阻及制动单元1.制动电阻RB的大小RB=UDH/2IMN～UDH/IMN式中，UDH为直流回路电压的允许上限值(V)，在我国，UDH≈600V。2)电阻的功率PB式中，γ为修正系数。2.制动单元VB一般情况下，只需根据变频器的容量进行配置即可。8.2.7直流电抗器根据变频器的容量选择。8.2.8输出交流电抗器输出交流电抗器的选择与输入交流电抗器相同。章节课题8.3变频调速系统的控制电路8.4变频器的程序控制8.5外接给定信号课时2教学目的1.掌握变频调速系统常用的控制电路原理。2.掌握变频器的程序控制。2.掌握变频调速系统外接给定电路。重点难点重点：1）变频与工频切换的控制电路；2）变频器的程序控制。难点：变频器的程序控制。教学方法联系工程实际讲授变频调速系统常用的控制电路及外接给定电路。让学生掌握变频调速系统常用的控制电路及外接给定电路的原理，并会依据工程实际进行线路的设计。教具变频器、各类控制电器，控制电路PPT课件。作业习题8-6；习题8-7；习题8-8；习题8-9课后小结变频调速系统的正转、反转、正反转、工频-变频切换的控制电路是工程中最常用的电路，要理解电路原理，并学会设计控制电路。教学内容8.3变频调速系统的控制电路8.4变频器的程序控制8.5外接给定信号知识目标：1.掌握变频调速系统常用的控制电路原理。2.掌握变频调速系统外接给定电路。技能目标：学会变频调速系统常用的控制电路及外接给定电路的设计方法。教学内容8.3变频调速系统的控制电路8.3.1控制电路的主要组成控制电路主要由1)运算电路2)信号检测电路3)驱动电路4)保护电路等组成。由外接的控制电路来控制变频器运行的有以下几种。8.3.2正转控制电路由继电器控制的正转运行电路如图8-23所示。教学内容8.3.3正、反转控制继电器控制的正反转电路如图8-24所示。8.3.4升速与降速控制升速和降速控制如图8-26所示。教学内容8.3.5变频与工频切换的控制电路图8-27所示为变频与工频切换的电路。8.4变频器的程序控制1．用变频器的编程功能进行程序控制2.多挡转速控制电路8.5外接给定信号8.5.1频率给定信号的种类1.数字量给定方式：（1）面板给定；（2）通讯接口给定。2.模拟量给定方式：（1）电位器给定；（2）直接电压(或电流)给定。8.5.2选择给定方法的一般原则8.5.3频率给定线1．频率给定线的定义2．基本频率给定线3.频率给定线的预置4.最大频率、最大给定频率与上限频率的区别章节课题8.6变频器与PLC的联结8.7变频器“1控X”切换技术8.8变频器与PC机的通讯课时2教学目的1.掌握变频器与PLC联结的方法。2.掌握变频器“1控X”切换技术。3.了解变频器与PC机的通讯方法。重点难点重点：1）变频器“1控X”切换技术；2）变频器与PLC的联结。难点：变频器与PLC的联结。教学方法联系工程实际讲授变频器与PLC的联结、变频器“1控X”切换技术和变频器与PC机的通讯，让学生掌握原理，学会应用。教具变频器、变频器与PLC的联结、变频器“1控X”切换技术和变频器与PC机的通讯实物演示，PPT课件。作业习题8-11课后小结变频器与PLC联结与“1控X”切换技术也是工程中常用的电路，要理解电路原理，并学会设计控制电路。教学内容8.6变频器与PLC的联结8.7变频器“1控X”切换技术8.8变频器与PC机的通讯知识目标：1.掌握变频器与PLC联结的方法。2.掌握变频器“1控X”切换技术。3.了解变频器与PC机的通讯方法。技能目标：学会变频器与PLC联结的方法和变频器“1控X”切换技术。教学内容8.6变频器与PLC的联结8.6.1PLC与变频器联结时注意的问题1.开关指令信号的输入2.数值信号的输入8.6.2PLC与变频器联结实现多挡速控制例，某机床有8挡转速(0挡转速为0)，由手柄的8个位置来控制，每个位置只有一对触点。一般来说，实现一对触点与多个控制端之间的切换，采用PLC控制是比较方便的。现以三菱FR-A540系列变频器为例，其电路如图9-25所示。8.7变频器“1控X”切换技术8.7.1“1控X”工作过程假设有三台水泵同时供水，由1号泵在变频控制的情况下工作，当用水量增大，1号泵已经到达50Hz而水压仍不足时，经过短暂的延时后，将1号泵切换为工频工作。同时变频器的输出频率迅速降为0Hz，然后使2号泵投入变频运行。当2号泵也到达50Hz而水压仍不足时，又使2号泵切换为工频工作，使3号泵投入变频运行。教学内容反之，当用水减少时，则先从1号泵，然后2号泵依次退出工作，完成一次加减泵的循环。8.7.2“1控3”供水电路原理图1控3供水系统电路如图9-27所示。8.8变频器与PC机的通信8.8.1计算机与变频器的通信连接图8-39所示为计算机与变频器硬件连接框图。图8-39计算机与变频器硬件连接框图8.8.2SB70变频器的通信协议SB70变频器使用的是RS-485Modbus协议，该协议包含三个层次：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层采取了基于RS-485Modbus协议的接口方式，应用层即控制变频器运行、停止、参数读写等操作。8.8.3计算机与变频器的数据格式SB70变频器使用的数据格式有：1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，1个停止位。1个起始位，8个数据位，偶校验，1个停止位。1个起始位，8个数据位，奇校验，1个停止位。1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，2个停止位。教学内容默认为1个起始位，8个数据位，无奇偶校验，1个停止位。数据格式的选择可查阅附录B，通过功能码FF-01进行设置。8.8.4计算机与变频器的波特率SB70变频器使用的波特率有：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps、250000bps、500000bps。8.8.5变频器参数编址变频器参数编址方法：16位的Modbus参数地址的高8位是参数的组号，低8位是参数的组内序号，按16进制编址。例如参数F4-17的地址为：0411H。对于通讯变量（控制字，状态字等），参数组号为50（32H）。8.