变频器调速技术与应用 项目2 变频器在电梯上的应用- 电子教案

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节项目2.1变频器主电路原理课次/周授课方法原理图讲授+波形分析+元器件讲解教具G120-PM240实物、主电路图纸、整流逆变波形PPT、IGBT元件教学内容1.交-直-交整体拓扑结构；2.三相6脉波整流原理、电压数值与谐波成因；3.直流滤波、预充电限流回路功能；4.IGBT器件结构、驱动条件与测量方法；5.三相逆变桥、续流二极管作用；6.单/双极性、三相PWM脉宽调制原理教学目标知识目标：掌握整流滤波、IGBT、逆变、PWM全环节原理，理解整流谐波产生机理；能力目标：能识读主电路原理图，区分单/双极性PWM波形，看懂三相调制逻辑重点、难点重点：6脉波整流参数、IGBT驱动电平、PWM面积等效原理；难点：整流电流间断谐波、续流二极管工作机理、三相PWM生成逻辑复习提问交直交变频器三大部分名称？2.U/f=C恒压频比含义？作业1.简述6脉波整流输出空载、带载电压；2.IGBT导通/关断栅极电压是多少？3.什么是PWM面积等效原理？4.续流二极管作用？授课时长2学时课后小结本节课系统学习G120-PM240主电路，从整流、滤波、预充电到IGBT逆变、PWM调制逐层讲解；6脉整流空载540V、负载515V，整流造成电流间断产生谐波，加装电容谐波升至43%超标；IGBT+15V导通、-5V关，逆变上下管严禁直通；依托面积等效讲解单、双极性及三相PWM，为后续滤波电抗器、制动配件学习打底。教案附页注释【知识学习】2.1.1主电路G120的PM功率模块为交-直-交结构，由三相整流回路、直流滤波回路、预充电保护回路、IGBT逆变回路四部分组成，滤波器、制动电阻、抱闸电源属于外部选配器件，可根据负载工况灵活选配。功率模块自带独立CPU，一方面接收CU控制单元下发的运行指令，另一方面采集母线电压、IGBT温度、故障信号，异常时向上传递故障代码至CU，实现整机保护。2.1.2整流滤波电路的工作原理由VD1~VD6六只整流二极管组成三相全桥整流，工频380V三相交流电输入，理论空载母线峰值=380×√3≈540V，额定带载工况直流平均电压约515V；工作特性：三相电源任一时刻只有两相导通、第三相断电，每相电源一个工频周期内有120°断电区间，相线电流出现断续，无滤波电容时电网谐波含量约30%；并联电解电容后，电容充放电加剧电流尖峰，谐波升高至43%，超出国标电网谐波≤5%的规范，因此谐波超标现场必须加装输入交流电抗。2.滤波与预充电电路滤波：C1、C2两只大容量电解电容串联，R1、R2均压电阻均衡两只电容分压，防止单只电容过压击穿；电容充电储存电能、放电补充电压低谷，把脉动直流修整为平滑直流电；预充电：RL限流电阻+KA短路继电器，设备冷机上电瞬间电容电压为0，瞬时充电电流极大易烧毁整流管，上电初期RL串联限流，电容电压升至额定值后CPU驱动KA吸合，短接限流电阻，整机进入正常工作状态。2.1.3逆变电路工作原理1.IGBT功率器件详解器件构成：绝缘栅双极晶体管，融合MOS管电压驱动、双极晶体管大电流输出的优点，栅极G、集电极C、发射极E三个引脚；G极+15V正向电压IGBT导通，-5V反向可靠关断，饱和压降2.2~3.2V，功耗低；模块结构：工业IGBT多做成半桥模块，单模块内置上下两只IGBT，变频器每相采用一个半桥，三相合计六只IGBT组成全逆变桥；简易检测：万用表测G-E极无导通，外加10V控制电压即可实现C-E导通，可现场快速判断器件好坏。2.逆变桥与续流二极管六只IGBT分三组构成U/V/W三相逆变，同桥臂上下管禁止同时导通，否则直流母线短路炸管，驱动电路设置死区延时规避直通故障；2.VD7~VD12续流二极管与IGBT并联，电机绕组是感性负载，电流突变产生反向感应高压，二极管提供续流回路，吸收反电动势，保护功率开关器件不被过压击穿。2.1.4开关管PWM驱动信号PWM脉宽调制原理核心理论：面积等效原理，不同宽窄等幅脉冲施加在惯性负载（电机绕组）上，等效于连续正弦波形；单极性P：正弦调制波+单向三角载波，正半周出正向脉冲、负半周出负脉冲；双极性P：正负双向三角载波，全周期交替输出正负脉冲；三相PWM：U/V/W三相调制波相位互差120°，共用同一三角载波，分别生成三相独立PWM波，改变调制波频率=调速，改变幅值=调压，完美实现U/F=C恒压频比控制。拓展：PWM有源整流（选学）采用电感泵升电路补齐电流断档，谐波极低，但元器件成本高，仅风电、特种变频使用，普通设备沿用二极管6脉整流方案。【工程应用】1.普通风机、水泵PM240标配无回馈功率模块，依靠外接制动电阻消耗回馈电能；2.冶金、矿井大功率设备选用PM250有源回馈模块，电能回送电网节能。【能力培养】能独立拆分主电路四大组成部分，标注各元器件功能；根据现场电网质量，判断是否需要加装输入滤波器件；通过波形区分单、双极性PWM，理解变频调压调频本质。【总结】交直交整流滤波实现工频变直流，PWM逆变实现直流变可调频调压交流电，是变频器能量变换核心，所有后续制动、滤波配件均围绕主电路电能特性配套选型。××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节2.2配套电磁选件与制动电阻原理课次/周授课方法实物对照+原理+负载案例教具进出电抗器、EM滤波器、制动电阻实物、干扰路径示意图教学内容1.变频器三类电磁干扰传播形式；2.输入电抗器、EM磁环滤波器功能区别；3.输出普通电抗器、正弦滤波器适用场景；4.电机倒发电（电动/制动双工况）；5.制动斩波器+电阻工作原理；6.制动单元结构与使用条件教学目标知识目标：掌握各类滤波元件作用、倒发电产生条件、母线过压制动逻辑；能力目标：根据电网、电机电缆长度选型滤波器件，区分负载是否需要配制动电阻重点、难点重点：进出电抗器作用、n＞n1倒发电原理、制动投入母线电压；难点：共模/差模滤波区分、制动PWM斩波调压原理复习提问1.整流为何产生谐波？2.PWM调制的核心理论？作业1.输入电抗器和磁环滤波器用途区别？2.什么工况电机进入发电状态？3.母线电压多少V制动斩波器导通？4.长线电机配什么滤波器？授课时长2学时课后小结本课先梳理辐射、传导、耦合三种干扰；输入电抗滤差模谐波、磁环滤共模干扰；输出电抗限尖峰，正弦滤波器把PWM转为正弦波适配超长电缆；位能/惯性负载n＞n1倒发电抬升母线至700V，内置VTB斩波器PWM调压控制电阻耗能，大功率外设独立制动单元，为电梯选型实操铺垫。教案附页注释【知识学习】2.2.1电磁选件1.电路谐波分析（1）整流电路谐波分析（2）逆变电路谐波分析2.输入端“交流电抗器”选配输入端“交流电抗器”时，根据变频器的型号和功率进行选择。电磁滤波器和电抗器的区别：电抗器主要是滤除“差模谐波”电流，三相绕组分别绕在三个铁芯上；电磁滤波器是滤除的“共模谐波”电流，三相绕组绕在同一个磁环上。3.输出交流电抗器（1）高次谐波分析变频器输出的是PWM矩形波，频率为1~20kHz可调。现在变频器常用频率为10kHz。矩形波的谐波非常丰富，衰减很慢，由于载波频率很高，其谐波更高，电磁干扰有3个途径，分别为：①辐射干扰。是以电磁波辐射形成的干扰。该干扰一般发生在距离相线比较近的地方。②传导干扰。是沿着相线形成的干扰。该干扰的特点是被干扰设备和变频器采用了同一台变压器供电。③电磁耦合干扰。（2）输出电磁滤波器2.2.2制动电路原理与选件1.电动机倒发电原理（1）电动状态根据电动机转动原理，当在定子绕组通入三相交流电，在定子表面产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下产生电磁力而转动。转动方向和旋转磁场方向相同，转速n低于旋转磁场转速n1，转速差为△n。发电状态（a）（b）图2-21电动机的工作状态（a）电动状态（b）制动状态2.惯性负载停机制动物体都具有惯性，惯性能储存在运动的速度中。物体加速时要给物体施加推动力，物体降速时要给物体施加制动力。大家熟悉的汽车、电动车、自行车等当需要降速或停机时，必须踩刹车或刹闸，通过闸皮的摩擦力将动能消耗掉，车辆才能降速或停机。电动机驱动的负载同样也有惯性，例如卷绕机的卷轴，当卷轴的质量大，卷绕速度又较高时，卷轴就具有很大的惯性能，当停机时，必须进行减速制动。位能负载下降制动位能负载设备是机械设备中的大类负载，一切提升类的负载均为位能负载。位能负载分为提升之后就不再下降和有升有降两种类型。水泵、风机、矿井提升机、斜井输送皮带机等，属于负载只升不降，不产生回馈电能，变频器不用加制动电阻。有升有降的负载如电梯、各类起重机，都有提升和下降。提升时电动机对负载做功，下降时负载对电动机做功，电动机通过倒发电，将位能转化为电能，由制动电阻消耗掉，保持负载匀速下降。4.制动电阻选件（1）制动电路（2）制动模块组件2.2.3电磁抱闸选件1.抱闸用途传动设备制动抱闸，是非常重要的一项功能。运行中的电梯抱闸失灵会出现轿厢墩底；起重机抱闸失灵会出现重物高空坠落，都是很危险的事故。变频器驱动设备对“抱闸”要求更高，抱闸要可靠的抱和松，抱闸时间要准确，要和变频器的运行同步。2.抱闸模块抱闸控制系统要有继电器、控制电路等部件，为了便于安装和维护，变频器厂家都把控制电路做成模块。功率模块通过屏蔽电缆将抱闸信号传到抱闸模块“CTRL”接口，由模块内部电路转换为继电器开关信号。这个开关信号用来控制“电磁抱闸器”的抱闸、松闸。抱闸原理抱闸时序图。图2-31G120变频器抱闸时序图（1）时序图分析①电动机通电。“抱闸”之前电动机通电，产生磁场才能产生电磁力。首先确定抱闸使能参数p1215的选项，设置p1215=3，变频器“抱闸带监控”。②电动机已励磁。交流电动机是感性特性，电流滞后电压，通电之后要有100~200ms励磁建立时间。可由p0346进行设置，默认值为1s。③打开制动功能。当p0346设置时间到，制动功能打开，但制动功能还没有实施，要等到“p1216”设定的时间到，“松闸或抱闸”才起动。“p1216”的默认值为0.1s。④运行已使能。抱闸松开，电动机转子转动。⑤电动机按照工艺参数自由转动。⑥打开抱闸。变频器工作结束，频率下降，当下降到转差频率△Hz，转子已经不转动，但是还有额定转矩，抱闸打开，电动机制动。抱闸控制有个核心参数必须选对：就是电动机的转差频率n1－n=△n。变频器由电动机的额定转速参数中可计算出△n。变频器可读参数r0330=△n，变频器抱闸要启用△n，用p1351来设置，设置p1351=100/%，就是调用（r0330=△n）额定的△n。还有一个要设置的参数p1352，是电动机抱闸启动频率的信号源，设置为p1352=1351即可。还有另一个参数，直接设置抱闸的起动频率，就是p1226，叫静止转速阈值，就是抱闸起动的最低频率，参数默认值为p1226=20r/min，折算为频率为0.333Hz，和变频器的△n基本相同。这个参数一般不用改动。（2）制动参数选择【工程应用】普通供水泵无制动配件；2.起重机、货梯标配制动电阻+进线电抗；3.井下长距离皮带电机配套正弦输出滤波器。【能力培养】1.根据供电质量、线缆长度、负载类型自主选型滤波和制动配件；2.现场排查仪表跳变、电机异响等干扰故障。【总结】滤波器件治理变频器对外干扰，制动元件消化回馈电能，二者都是依托主电路电能特性的配套选件，是现场调试必备元器件。××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节2.3电梯变频整机调试与参数设置课次/周授课方法案例+参数表格+接线实操教具G120C一体机、电梯控制原理图、制动电阻选型表、抱闸元器件教学内容1.电梯结构与对重计算公式；2.电梯位能负载下行倒发电工况；3.7.5kW电梯制动电阻阻值、功率选型；4.电磁抱闸结构（得电松、失电抱）；5.G120抱闸核心参数含义与设定；6.整机接线、空载调试步骤教学目标知识目标：掌握对重计算、制动选型、抱闸时序逻辑；能力目标：查表选制动元件，填写抱闸参数，完成简易接线调试重点、难点重点：制动电阻选型、P1215/P1216等参数设置；难点：抱闸开闭时序匹配、P1280过压保护屏蔽原因复习提问1.制动电阻投入电压？2.哪些负载需要配置制动？作业1.写出电梯对重计算公式；2.7.5kW电梯制动电阻参数；3.罗列抱闸关键参数及设定值；4.简述电梯调试步骤。授课时长2学时课后小结本节课以1000kg客梯为例，对重=轿厢自重+1/2满载；下行轿厢＞对重，电机回馈发电；查表7.5kW选用56Ω电阻，工作制20%选配2.6kW；抱闸得电松开、失电抱紧，P1215=3等关键参数匹配开闭延时，屏蔽P128避免650V误跳闸，最后梳理主回路+抱闸接线与分步调试流程。教案附页注释【知识学习】2.3电梯运行分析2.3.1电梯工作状态分析一、直梯运行分析1.客梯组成：曳引电机、减速曳引轮、轿厢、对重块、钢丝绳、电磁抱闸、限速器、变频器控制柜；2.轿厢加装“对重”电梯是典型的升降系统，因为电梯的负载是“储能”负载，当电梯载人上行时，电梯将机械能变为“人”的位能；当“人”从高处乘坐电梯下行时，“人”的位能释放，拉着电梯下行。在下行时电动机变为发电机，发出的电能被制动电阻消耗掉，电梯才能平稳的下行。为了将下行的“位能”再利用，为电梯加装“对重”是最好方法。“对重”就是在电梯的反方向加配重，由配重抵消掉一部分上升时的拉力。如果对重和负载的重量相等，电梯上升时对重下降，电梯下降时对重上升，理论上电梯除了摩擦损耗之外不消耗电能。“对重”选多大合适，要根据具体情况进行分析。一般电梯的乘载率在30~50%之间，如果按着电梯的承载率选择“对重”，电梯上行时“对重”能释放；电梯下行时“对重”储能，使电梯实际消耗的能量减少。“对重”可以按下式选择：对重=轿厢自重+1/2满载重量3.电梯驱动组件电梯的驱动系统是由变频器、电动机、曳引机等部分组成。2.3.2制动电路分析“本任务”是以12层楼房“直梯”为例，选择动力源。电梯额定载重1000kg，运行速度1.75m/s，按电梯功率计算公式，算得电动机功率为15kW。由于电梯加上了“对重”，实际功率为7.5kW，变频器选择G120C一体变频器，功率为7.5kW。1.制动电路分析相同功率的变频器，应用在不同的场合，回馈电能是不同的，这给变频器制动电阻的选择带来很大麻烦，为了解决这个问题变频器厂家采取了一些应对措施。（1）制动电阻PWM制动为了减少制动电阻的阻值规格，制动电流采用PWM脉宽调制波进行控制，使同一阻值的电阻用于几种不同功率规格的变频器，减小了制动电阻的规格范围。图2-34是西门子G120变频器停机制动波形图。在停机时，负载按照设定的频率下降线减速停机，由于负载惯性能释放，拉着电动机转动，电动机变为发电机。回馈电能使直流母线电压UPN上升，UPN上升到制动开启电压Um，制动斩波器起动，VTB开关管按f=2000Hz做斩波工作。在一个周期中，tno的导通宽度和回馈电能的大小成正比，回馈电能大，tno自动加宽（见图2-35（d）中虚线部分），回馈电能小，tno自动变窄。通过这种方法，可以使同一阻值的电阻应用在不同回馈电能的变频器上。图2-35制动波形2.制动电阻的选择（1）选择制动电阻阻值根据上述脉宽控制原理，变频器厂家将制动电阻的阻值根据变频器的容量，分为若干等级，表2-2是西门子变频器制动电阻选择表。由表中可见，当选定了变频器的容量，在表中就可以查到制动电阻的阻值。本例变频器为7.5kW/380V，查表，制动电阻阻值选为56Ω。

（2）选择制动电阻功率在表2-2中，制动电阻的耗散功率是按“制动/工作时间比”为5%给出的。为了方便选择，给出了5%、10%、20%、50%和100%等5个比值，实际应用中和哪个比值靠近，就按哪个比值选择制动电阻的耗散功率。本例中，电梯上行和下行时间是相同的，“制动/工作时间比”为50%。但是电梯并不是连续工作，制动/工作时间比选为20%就可以了，4×650W=2.6kW。2.3.3控制实施1.制动电阻安装制动电阻安装在图2-36控制柜顶制动电阻防护罩内。变频器控制电路如图2-37所示，G120C变频器是一体机，制动电阻直接连接在R1、R2端子上。变频器还要设置一个关键参数：p1280是变频器的过压保护参数，默认值是p1280=1，当直流母线电压超过了650V，变频器跳闸保护。制动电阻制动起控电压是700V，为了避免过压保护起控，设置p1280=0，p1280保护参数被屏蔽。2.总结提升类设备电动机倒发电是正常工作，有生就有降。下降同样要求平稳准确。通过电动机倒发电进行速度控制要比摩擦控制准确稳定，可控性好。所以现在变频器都是采用“电动机倒发电”进行下降控制。2.3.4电梯抱闸分析1.电梯抱闸的重要性电梯在垂直运行中，频繁的起动停机，在停机时变频器必须立即起动抱闸，使轿厢准确的停在进出口。停机不准出现台阶，会绊脚摔跤。如果抱闸失控，出现轿厢墩底，造成乘客人身伤害。2.抱闸参数选择变频器的“抱闸”装置已经安装在电梯