变频器调速技术与应用 教案全套 项目1-10 变频器应用技术概论- 变频器在风力发电机上的应用

××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1.1.2直流电动机课次/周授课方法讲授+图示分析+实物观摩教具PPT、直流电动机实物（或模型）教学内容1.直流电动机定子、转子、换向器结构2.他励、并励、串励三种绕组接线形式3.转矩公式T=KTΦIa，并励/串励机械特性4.直流电机优缺点、各类应用场景5.直流电机倒发电制动原理教学目标知识目标：掌握直流电机结构、三种励磁方式、机械特性，理解倒发电工作条件；能力目标：能区分不同励磁电机适用工况，识别电机主要零部件重点、难点重点：电机结构、并励串励特性、电机优缺点；难点：换向器换向原理、串励软特性成因、倒发电运行条件复习提问1.电路中电流的热效应是什么？2.欧姆定律的表达式及含义是什么？作业1.简述直流电机定子与转子组成及各部件作用；2.对比并励、串励电机特性与使用场合；3.简述直流电动机倒发电原理授课时长2学时课后小结本课题主要介绍了直流电动机的核心知识，包括结构、工作原理、机械特性、优缺点及可逆运行。重点掌握定子和转子的组成及作用，理解电磁转矩的产生过程，明确直流电动机良好的调速性能和起动转矩大的优势，同时了解其结构复杂、需维护碳刷等缺点，为后续学习交流电动机及应用奠定基础。教案附页注释【知识学习】1.1直流电动机直流电动机依靠直流电源供电，核心是利用电磁感应原理产生电磁转矩，在手持电动工具、机器人等领域应用广泛。1.1.1直流电动机的结构主要由定子和转子组成，辅以换向器、电刷等部件。定子固定不动，产生恒定磁场；转子（电枢）转动，产生电磁转矩；换向器与电刷配合实现电流换向，保证转子持续转动。直流电动机在工作中，励磁绕组和电枢绕组有3种连接方法：他励、并励和串励。如图1-3所示。1.1.2直流电动机的工作原理基于电磁感应定律和左手定则，定子通入直流电产生恒定磁场，电枢绕组通入电流后，导体在磁场中受电磁力形成转矩，驱动转子转动；换向器与电刷配合改变电枢电流方向，保证转矩方向不变。电磁转矩T=KTΦIa，转速n∝U/Φ，调速性能优良。1.1.3直流电动机的机械特性主要指转速与转矩的关系，串励直流电动机特性最特殊：转矩与电枢电流平方成正比，转速随转矩增加显著下降（软特性），适合电动工具等冲击性负载。2.转矩特性与机械特性（1）他励（并励）转矩和机械特性当电源电压Uf和励磁回路的电阻一定时，励磁电流If和磁通Φ恒定不变，即Φ=常数。转矩表达式为T=KTΦIa式中，T——电动机转子转矩，单位N·m；Φ——主磁通，单位为Wb（韦伯）；KT——转矩比例系数，是常量；Ia——为电枢电流，单位为A。由式中可见，当并励直流电动机的磁通Φ为常数，KT也为常数，转矩T与电枢电流Ia成正比。特性线如图1-4（a）所示。当电枢绕组的体电阻Ra比较小时，△n很小，有很硬的机械特性，即转矩T变化时，转速基本不变，见图（b）所示。当需要调速时，改变电枢电流Ia，Ia和n是线性关系，同时动作没有时间的延迟，即调速响应非常的快，这是直流电动机调速性能优良的标志。并励直流电动机工作中励磁绕组不能开路，开路会造成飞车事故。（a）（b）图1-4直流电动机并励特性线（a）并励转矩特性（b）并励负载特性（2）串励转矩和机械特性图1-5是直流电动机串励连接特性线，因为励磁绕组和电枢绕组串联，If和Ia为同一电流。因为工作中Ia变化时If变化，励磁磁通Φ不为常数。由转矩表达式（T=KTΦIa）可见，当Ia增加，Φ增加，转矩和转速大大增加；因为励磁绕组和电枢绕组串联，机械特性很软，如图1-5中的n-Ia线。这种特性线很有用，在电动工具、冲击性负载中应用时可以自动的调整输出功率。防止电动机过载。图1-5直流电动机串励机械特性线串励直流电动机可以交流直流两用。特别是现在的手持电动工具都是采用的串励交流电动机，因为串励电动机的转子转速和电源的频率无关，通过提高转子的转速可以提高电动机的功率重量的比率，减小电动机的体积重量，手电钻功率可达1kW以上，但重量不足1kg。1.1.4直流电动机的优缺点优点：调速性能好、起动转矩大、功率密度大；缺点：起动电流大、维护成本高（需更换碳刷）、结构复杂、成本高。1.1.5直流电动机的可逆运行（倒发电）可实现电能与机械能双向转换，外力驱动转子转动时，可作为发电机输出直流电，主要用于发电制动，实现快速停机。【工程应用】1.1.6实际应用适用于手持电动工具、精密控制设备（机器人、无人机）及应急发电场景。【能力培养】1.识别直流电动机核心部件并说明作用；2.排查电动机不能正常转动的常见原因。【总结】重点掌握直流电动机的结构、工作原理及调速优势，了解其缺点，为后续学习交流电动机奠定基础。××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1.1.3三相交流笼型异步感应电动机课次/周授课方法讲授+图示演示+原理分析教具PPT、三相笼型异步电动机实物（或分解模型）教学内容1.三相笼型异步电动机的结构；2.工作原理；3.转差率；教学目标知识目标：掌握三相笼型异步电动机的结构、工作原理、转差率及机械特性，了解其优缺点和变频器控制的作用；能力目标：能识别电动机结构部件，理解异步转动的原理，能解释变频器对电动机的控制作用重点、难点重点：三相笼型异步电动机的工作原理、转差率；难点：旋转磁场的产生、转差率的理解复习提问1.直流电动机的结构由哪两大部分组成？2.直流电动机的调速优势是什么？作业1.简述三相笼型异步电动机的结构组成；2.说明三相笼型异步电动机的工作原理，解释“异步”的含义；3.什么是转差率？额定负载下转差率的范围是多少？授课时长2学时课后小结本课题重点讲解了三相笼型异步电动机的核心内容，包括结构、工作原理、转差率和机械特性。关键是理解旋转磁场的产生过程和“异步”的本质（转子转速小于旋转磁场转速），掌握转差率的定义和范围，明确其结构简单、工作可靠的优势及起动电流大、不能调速的缺点，了解变频器如何弥补其缺点，使其在工业生产中得到广泛应用。教案附页注释【知识学习】1.1.3三相交流笼型异步感应电动机三相交流笼型异步感应电动机（在不引起误会时简称三相交流电动机）是工作在三相交流电网上的电动机，由定子和转子两大部分组成，1.定子定子是用来产生旋转磁场的。定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成，定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.3~0.5mm厚的硅钢片叠制而成。硅钢片之间相互绝缘，可以减少由交变磁通引起的涡流损耗。定子硅钢片内圆上冲有均匀分布的槽口，用来安装定子绕组，定子三相绕组在定子表面按“互差120°”机械角度安装，当接通三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是用0.3~0.5mm厚的硅钢片叠制而成，是转子的磁路部分。转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽口，用来安装转子绕组。笼形转子、短路环、导条、风叶是一次浇筑成型，当铁心加工完成之后，放在模具中，将熔化的铝液在模具中进行浇筑成型。转子绕组的作用是产生感应电流，形成电磁转矩，使电动机转动起来3.电动机工作原理（1）电动机转动原理三相绕组在空间相差120°机械角，三相交流电也是互差120°电角度，当将三相交流电通入对应的三相绕组，则在定子内表面上形成旋转磁场。图b是电动机三相绕组的连接，电动机绕组的首端接相线L1、L2、L3，尾端接中性点。随着三相交流时序图随着时间的变化，在定子表面就产生旋转磁场。设旋转磁场按顺时针方向旋转，则静止的转子与旋转磁场之间就有了相对运动，根据法拉第电磁感应定律，转子导体因切割磁力线而产生感应电流，因载流导体处在旋转磁场中，受电磁力的作用而对转轴产生电磁转矩，用左手定则判断转矩方向与旋转磁场方向一致，因此，转子在电磁，转矩的作用下，就顺着旋转磁场的旋转方向转动起来，如图1-10所示。其中旋转磁场的转速n1式中，n1——旋转磁场的转速，单位r/min；f1——电源的频率，单位Hz。P为磁极对数。电动机工作时，转子的转速n要小于旋转磁场的转速n1，转子导线才能切割磁感线，产生感应电流和电磁转矩。因转子的转速总是小于旋转磁场的转速（n1>n），故称为异步电动机。（2）转差率因为转子的转速总是小于旋转磁场的转速（n1>n），其转速差为△n=n1－n。取转速差与同步转速之比，称为异步电动机的转差率，用s表示，4.电动机转子特性线分析（1）电磁转矩电磁转矩是分析三相异步交流电动机的重要参数，其表达式为式中，CT为电动机常数，与电动机的结构有关；Φ为主磁通，当电动机工作在额定状态时，Φ为常数；cosφ2为转子功率因数，随着I2电流的变换而变化，是起动时转矩小的根源。通过理论分析，可得到另一个电磁转矩的参数表达式式中，K——比例常数，K∝1/f1；s——转差率；U1——定子绕组电压；X20——转子静止时（s=1）转子每相绕组的感抗，为常数；R2——转子每相绕组的电阻，在绕线转子中可外接可变电阻改变R2值。电动机工作之前是静止状态，起动中是过渡状态，正常运行中为正常状态。三相笼形异步电动机的过渡状态和正常工作状态明显不同，给应用带来很大麻烦。为了分析方便，下面将转矩表达式、电流表达式和功率因数表达式绘在一起，如图1-11所示。图1-11异步电动机转子特性线（2）转矩特性①当s很小时（如s=0~sm）,>>(sX20)2则T∝s。在笼型异步转子中，额定负载下s值为0.02~0.06，转子的电流频率仅为1~3Hz，X2很小，转子电流功率因数很高，有T∝s∝I2∝I1。即转矩T和I2电流成正比，具有直流电动机的转矩特点，机械特性很硬，图中的sN点为额定工作点，处于机械特性线的最佳位置。②当s很大时（如s=sm~1），R2<<（sX20）2，则。当s=1（电动机起动时），cosφ2最小，I2最大，为额定值的4~7倍，但转矩只接近额定转矩，起动能力差。电动机在堵转时，s=l，堵转电流为额定值的4~7倍，所以电动机工作中严禁堵转。由上述分析可见，交流笼型异步电动机直接起动时电流很大，必须在起动中采取限流措施。一般电动机的容量≥10kW时，就要采取降压限流起动。③改变电阻R2，可改变sm值。sm改变，Tm出现的位置改变。见图1-12所示。R2是转子绕组电阻，笼型转子绕组因为是“导条”结构，R2为固定值。绕线转子可以任意改变R2值。图1-12R2变化转矩特性（3）当其他参数不变时，转矩T∝。因转矩正比于定子电压的平方，当电动机定子电压偏离了额定值，尽管偏离得不多，也会对电动机的转矩造成较大的影响（这个特点在后续变频器矢量控制原理时还要用到）。【总结】掌握结构、工作原理、特性、优缺点。××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1.1.3三相交流笼型异步感应电动机课次/周授课方法讲授+图示演示+原理分析教具PPT、三相笼型异步电动机实物（或分解模型）教学内容1.电磁转矩与机械特性；2.优缺点及变频器控制；3.倒发电原理与应用教学目标知识目标：掌握三机械特性，了解其优缺点和变频器控制的作用；能力目标：能理解异步转动的原理，能解释变频器对电动机的控制作用重点、难点重点：三相笼型异步电动机的工作原理、转差率及机械特性；难点：旋转磁场的产生、转差率的理解及电磁转矩的影响因素复习提问1.三相笼型异步电动机的的结构由哪两大部分组成？2.转差率是什么？作业1.简述三相笼型异步电动机的工作原理，解释“异步”的含义；2.简述变频器对三相笼型异步电动机的控制作用。授课时长2学时课后小结本课题重点讲解了三相笼型异步电动机的机械特性。了解变频器如何弥补其缺点，使其在工业生产中得到广泛应用。教案附页注释【知识学习】5.额定转矩、起动转矩、最大转矩图1-13是笼型电动机的机械特性线。图1-13笼型电动机机械特性线（1）额定转矩TN额定转矩是应用电动机的依据，一般在电动机的铭牌上给出。也可以通过额定转速和额定功率计算得出，计算公式为式中，TN为额定转矩，单位为N·m；PN为额定输出功率，单位为kW；nN为电动机额定转速，单位为r/min。（2）起动转矩Tst起动转矩是绝对值，不便于比较，一般用起动转矩Tst和额定转矩TN之比，来定义起动能力，用λst表示，表达式为在额定电压下直接起动时，起动电流是额定电流的4~8倍，相应的起动能力λst为1.6~2左右。但是笼形异步电动机直接起动电流太大，都是采用降压起动。在Y-△降压起动时，起动电流是全压起动的1/3，即1.3~2.6倍的IN，相应的起动能力λst在0.3~0.6之间，显然降压起动时电动机起动转矩都达不到额定值TN，所以三相笼型异步电动机不能带载起动。（3）过载能力λm为了衡量电动机的过载能力，定义了过载参数λm，表达式为式中，λm称为过载能力，笼型电动机一般过载能力λm=1.8~2.2。当电动机转矩达到过载能力，会出现堵转现象，所以在选用电动机时，不能让负载的瞬时转矩达到堵转转矩。由图1-13可见，当转矩在TN和Tm之间变化时，电动机的转子电流按着线性关系变化，当转矩达到Tm，转子电流也达到Im，即Im=1.8~2.2IN，如果转矩T＞Tm，电动机堵转，电动机定子电流为额定电流的4~7倍。6.三相笼型异步电动机的优缺点（1）优点①结构简单，不用滑环导电，是通过电磁感应传递能量，工作可靠；密封工作，几乎免维护。可以在任意环境下工作。这是其他所有的电动机所不能及的。②在额定负载下工作时，速度稳定，能满足很多负载的运行要求，在没有特殊要求的情况下，就选择三相笼型异步电动机。③三相交流电是幅值相等，互差120°相位差的对称交流电，相应的电动机的三相绕组也是互差120°相位差，相互对称的。从结构上来分析，三相电动机的铁芯和绕组利用率高，相同功率的电动机，三相交流电动机的体积要比直流电动机小，节省有色金属；三相交流电动机运行噪音低，工作现场比较安静。（2）缺点①起动电流是额定电流的4~7倍，必须配备降压起动设备。不适合在频繁启动的场合工作。②转速恒定，不能调速。③起动转矩小，不能带载起动。（3）电动机变频器控制上述缺点在变频器控制下全都得到解决，变频器从零速恒流起动，不用起动设备；变频器调速工作，矢量控制，具有直流电动机的调速特性。带载起动、频繁起动都没有问题。【总结】掌握结构、特性、优缺点及可逆发电知识点。××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1.1.4三相异步绕线转子电动机课次/周授课方法讲授+图示演示+公式分析教具PPT、绕线转子电动机、永磁同步电动机实物（或模型）、变频器教学内容笼型电机定子、铸铝转子结构电机优缺点、变频改善措施3.倒发电原理及实际应用教学目标知识目标：掌握异步运行原理、转差率，熟记电机优缺点和倒发电条件；能力目标：会分析电机工作原理重点、难点重点：三相异步绕线电机工作原理、转差率、电机优缺点；难点：旋转磁场生成、n＞n₁倒发电条件复习提问1.并励与串励直流电机特性区别？2.直流电机实现发电的条件？作业三相异步笼型电机工作原理、转差率、电机优缺点2.解释异步含义，写出转差计算公式；授课时长2学时课后小结本节课学习绕线型异步电机构造，工作原理、优缺点，在实际当中的应用。教案附页注释【知识学习】1.1.4三相异步绕线转子电动机1.三相异步绕线转子电动机原理（1）工作原理根据对三相笼型电动机的分析，改变转子绕组的电阻R2，可以改变电动机的转矩特性线，当R2电阻达到一定值，可以使最大转矩出现在“0速点”，即电动机起动时的转矩最大，可用来达到带载起动的目的。（2）转子结构图1-15是绕线转子结构图，该转子的绕组是由线圈绕制而成，分为3个独立绕组，每个绕组为1相，将3个尾端连接在一起，首端分别用滑环引出。2.绕线转子电动机应用绕线转子电动机械特性线如图所示。带载起动由图中可见，当转子串联电阻为时，转矩最大点落在0速，即起动时具有最大转矩。解决了异步电动机带载起动的问题；起动电流为额定电流的1.5~2.5倍，对电动机和电网影响不大。（2）小范围调速绕线转子电动机还有一个用途，就是小范围调速。由图中可见，R2阻值越大，特性线的斜率越大，在相同转矩下电动机的转速越低。（3）均分负载在工程上，称这种向下倾斜的特性线为“下垂特性”。除了应用于小范围调速之外，还用于多台电动机同速控制时均分负载。比如某辊筒用两台电动机同轴驱动，4.绕线转子电动机的优缺点（1）优点①电动机起动时通过转子绕组串联电阻，一是增加了起动转矩，可以带载起动；二是通过串联电阻，减小了起动电流，不再需要额外增加降压起动装置。②通过改变R2电阻，可以小范围调速，这在风机和水泵上应用，调速范围能满足要求。（2）缺点①转子外串电阻的功率损耗很大，大大降低了电动机的效率；当用接触器切换时，接触器的触点经常损毁，停机维修影响生产。②电动机不能远程控制，没有保护和报警，跟不上现代设备的步伐。5.绕线转子电动机“倒发电”应用（1）倒发电原理绕线转子电动机同属于感应电动机，当转子由负载拉着转动时，当转子的转速n大于同步转速n1时，电动机变为发电机。发出的电能通过转子绕组引出。【工程应用】风机、水泵、通用输送设备。【能力培养】转速、转差计算，区分电动/发电工况。【总结】吃透异步核心原理，掌握变频改造优势。××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1.2变频器分析课次/周授课方法对比教学+框图讲解教具PPT、绕线转子模型教学内容变频器结构、工作原理、分类。2.G120变频器结构、工作原理.教学目标知识目标：掌握变频器分类和内部架构；能力目标：会使用变频器重点、难点重点：掌握变频器分类和内部架构；难点：会使用变频器的各个功能和控制复习提问1.绕线型电机倒发电的条件？2.绕线型电机的优点、缺点？作业1.简述变频器的结构和分类。授课时长2学时课后小结本课主要介绍了变频器的结构、工作原理。重点介绍了G120的相关知识，主要通过对变频器相关知识的理解，达到会使用变频器进行各种控制的目的。教案附页注释【知识学习】1.2.1变频器1.变频器定义变频器是由计算机控制的具有电能变换功能的电动机驱动电器。电动机配备变频器控制，可以使电动机具备自动控制、远程控制功能；可以完成复杂的工艺控制，提升产品的生产质量，节能环保。变频器是当今电动机必须的配套设备。2.变频器分类（1）按电压分类变频器是一个大家族，按工作电压分类：工作电压在1kV以下，称为低压变频器；工作电压在1kV以上，10kV以下，称为中压变频器；工作电压在10kV及以上，称为高压变频器。（2）按变换环节分类根据变换环节不同，分为“交—交”变频器和“交—直—交”变频器。3）按用途分类分为通用变频器、专用变频器、高速变频器、防爆变频器等。3.变频器结构原理变频器是由计算机控制的智能电器，计算机的核心是CPU芯片，在框图中“CPU”是变频器的控制核心。变频器是由以下几大部分组成。（1.）输入控制端子（端口）输入控制端子是对变频器输入控制“指令”的端子。分为数字端子和模拟端子。（2.）输出指示端子输出指示端子是指示变频器工作状态的端子，也分为数字端子和模拟端子。（3）.保护电路保护电路是为变频器“保驾护航”的，（4）.主电路主电路是由整流、滤波、逆变三部分组成，（5）.控制面板控制面板又称人机界面，具有对变频器进行控制、显示、参数预置等功能。通过控制面板就可以在“本地”完成变频器的控制和工作状态的显示。（6.）通信接口通信接口是远距离控制接口，通信距离可以达到1km，主要在无人车间和不便于现场控制的场合应用。（7）.控制框图的阅读1.2.2西门子G120变频器控制单元1.西门子变频器简介西门子G120变频器的设计目标是为交流电动机提供经济的、高精度的速度/转矩控制。其功率范围覆盖0.37~250kW，广泛应用于机械传动、风机水泵等调速驱动的应用场合，是西门子M440变频器的升级替代产品。2.控制单元G120变频器有三大类可选控制单元。（1）CU230控制单元（2）CU240控制单元（3）CU250控制单元2.2.2.G120功率模块G120变频器有四大类可选功率模块。1.PM230功率模块PM230功率模块是风机、泵类和压缩机专用模块，其功率因数高、谐波小。这类模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。2.PM240功率模块PM240功率模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。3.PM240-2功率模块PM240-2功率模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。PM240-2功率模块允许穿墙式安装（和CU240控制模块通过电缆连接）。4.PM250功率模块PM250功率模块能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量可以通过外接制动电阻转换成热量消耗，也可以回馈电网，达到节能的目的。5.控制单元和功率模块兼容性1.2.3G120变频器接口类型与应用1.数字输入控制端口（1）接口连接（2）功能参数与接口功能2.模拟输入控制接口3.输出指示端口1.数字输出指示端子2.模拟输出指示接口4.通信接口与通信控制通信控制要采用通信电缆和通信接口，采用不同的网线连接形式和接口形式，称为“网络接口协议”。通信控制采用不同的数字编码方式称为“通信协议”。二者不能混淆。【工程应用】通用变频：风机水泵节能改造。【能力培养】识读变频原理图。【总结】掌握变频器基础组成、分类、工作原理。××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1.3.4操作板应用课次/周授课方法理论讲授+接线实操+参数调试教具PPT、G120(CU+PM)、BOP面板、电位器、甩干控制电路教学内容G120CU/PM各模块选型区别DI/AI/DO/AO端子接线与参数设置RS485、PROFINET通讯与应用宏P0015U/F=C恒压频比原理与关键参数5.22kW甩干机接线、参数整定与整机调试教学目标知识目标：掌握G120软硬件选型、I/O参数、U/F控制；能力目标：完成接线、参数写入，独立调试甩干机组重点、难点重点：端口参数、U/F参数、现场实操调试；难点：电流电压切换、总线终端电阻设置复习提问1.交直变频器三大组成？2.CPU在变频器中的作用？作业1.简述CU24、PM240适用场合；2.电位调速接线与P0756参数含义；3.U/F三个关键参数；4.总结甩干机调试步骤。授课时长2学时课后小结本课时学习G120模块化构造，CU230水泵专用、CU240通用、CU250高精度；PM250支持电能回馈；学习DI启停、AI电位调速、DO故障反馈参数；掌握U/F=C恒压频比控制；结合离心甩干机完成起保停接线、参数设置、0~50Hz全行程调速实操。教案附页注释【知识学习】1.2.5操作板应用1.BOP-2操作面板图是BOP-2操作面板，面板具有操作功能和参数的读、写功能。具有英文显示，功能比BOP操作面板多一些。是变频器参数读写和就地操作常用选件。2.BOP-2操作面板应用1.2.7总结1.G120变频器是分体机G120变频器分为控制单元模块和逆变功率模块。控制单元分为CU230P-2、CU240B-2、CU240E-2、CU250S-2等4大系列。逆变模块分为PM230、PM240、PM250等3大系列。控制单元模块和逆变功率模块可以交叉互换，根据需要采取最佳组合。分体机的好处是散热情况得到了改善，寿命更长；另一个好处是可以隔墙安装，控制机安装在控制室，逆变模块安装在现场。2.控制功能更加强大随着计算机技术的发展，G120变频器的控制功能明显提高。增加了USB接口，使本地调试和诊断更为简单；机内增加了4个可自由编程的PID控制器，使风机、水泵和压缩机类负载应用更为灵活；增加了集成定位功能，可在运行过程中实现高动态特性的定位任务；创新的冷却方案和电子模块上的涂层有助于提升牢固度和延长变频器的使用寿命。3.变频器应用方法和M440相同G120变频器和M440变频器应用参数没有大的区别，只是“二进制互联技术”应用多一些，通讯技术与时俱进，接口增加，连接更为方便。变频器的调试方法和思路是一样的，这为用户从M440过渡到G120铺平了道路。任务实施任务三相笼形感应电动机变频器控制1.3.1任务准备与实施1.选择实施器材G120C-0.75kW变频器1台，0.55kW电动机1台，接触器、继电器、点动开关部分。2.任务实施（1）实验电路图1-32是实验电路。图中QF是隔离开关，KM继电器是工作开关，控制变频器工作与停机。图中SB1是通电开关，SB2是断电开关。SB3是工作开关，SB3闭合，KA闭合，变频器运行。SB4是停机开关，SB按下，KA释放，变频器停机。AI0端口是速度给定，当改变4.7kΩ电位器的动触点，可得到0~10V的电压调速信号。（2）参数选择选择“12应用宏”，可选参数少了很多。电动机参数是必选参数，要根据具体的电动机来选择，因此应用宏中不包括电动机参数。表1-12是参数选择表。3.变频器实验（1）变频器通断电控制当按下SB1按钮，KM线圈通电，其触点吸合，变频器通电；按下SB2按钮，KM线圈失电，触点断开，变频器断电。（2）变频器起动停机按下SB3按钮，中间继电器KA线圈得电吸合，其触点将变频器的DI0与+24V接通，电动机正向转动。此时KA的另一常开触点封锁SB2自保，当SB2断开电路仍然接通。当需要停止时，按下SB4按钮，KA线圈失电，其常开触点KA断开，变频器停机。（3）调速控制当变频器运行中，通过改变4.7kΩ电位器，变频器输出频率从0~50Hz可调。（4）观察变频器工作电流变频器起动后，按表1-13中给出的频率值设置频率，由操作面板读出对应的电流值填入表中。频率从5Hz上升到50Hz，正是电动机的起动过程。观察起动过程中电流有无变化。1.3.2总结（1）低压指令控制电路由图1-32可见，控制变频器运行停机采用的就是低压电器的“起保停”电路，变频器通、断电采用的是QF隔离开关和KM接触器控制。QF只起隔离作用，不能用于控制，KM是控制开关，可以控制变频器的通断电。这是电气设备通行的标准配置。（2）通过设置参数选择变频器功能变频器应用中需要根据工作的需要设置参数，只有通过合理的设置参数，变频器才能良好的工作。（3）淘汰了电动机的起动设备在工频起动时，起动电流为额定电流的4~7倍，对电网和电动机都造成影响，变频器起动时起动电流为恒定值，淘汰了电动机的起动装置。由于变频器控制起动电流恒定，可以频繁起动和正反转控制，不会引起电动机过热和对电网造成的影响。这对大功电动机是非常好的控制方法。（4）变频器直接驱动电动机解决了电动机的起动和调速问题，如同给电动机插上了翅膀，凡是用电能驱动的设备，可以上天入地、下海，飞机的螺旋桨用变频电机驱动；高铁动车用变频电机驱动；地铁变频电机驱动；轮船变频电机驱动；在通用设备上变频电机控制已经普及。【工程应用】洗涤厂离心脱水设备变频改造。【能力培养】G120接线、参数设置、整机调试。【总结】熟练G120硬件、参数、实操全流程××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的动力源上（见图2-34），变频器必须设置和“抱闸”相关的参数，“抱闸”才能正常工作。表2-3是G120C变频器在电梯“抱闸控制”的相关参数。3.“抱闸”连接G120C变频器是一体机，没有抱闸模块，抱闸控制信号由“DO0”端子输出，见图2-37所示。抱闸的电磁线圈由170V直流供电，通过380V交流电半波整流获得，图中VD1即为整流二极管。2.3.5变频器控制与抱闸调试1.变频器控制图2-37是变频器控制电路图。图中，用SB1控制变频器通电，点动SB1，KM接触器闭合，变频器得电，同时KM动合触点接通KA1支路，点动SB3，KA1闭合，接通变频器DI0运行端子，变频器开始运行。当变频器输出频率达到0.33Hz时，电动机充磁完成，抱闸打开，电动机开始转动。电动机在转动中，只要工作频率不低于0.33Hz，抱闸始终处于打开状态。当变频器停机，频率下降到0.33Hz，延时p1217,变频器抱闸。抱闸后变频器停止输出。因为抱闸不用电，变频器可以断电休息，也可以连续工作。2.电磁抱闸调试1.调整电磁抱闸的工作间隙工作间隙是指电磁抱闸脱离电机时的最大距离。工作间隙是根据具体的应用需求来确定的，一般在电机开始运行之前应进行调整。调整间隙的方法通常是通过调节电磁抱闸上的调整螺栓或螺母来实现。2.调整电磁抱闸的释放压力释放压力是指电磁抱闸脱离压盘的力度。释放压力的大小通常通过调整电磁抱闸上的弹簧来实现。调整过程中要注意保持适当的压力，以确保电磁抱闸能够可靠地脱离压盘。【工程应用】居民楼客梯、工厂货梯全部采用该套变频+抱闸+制动方案，是位能负载典型应用范例。【能力培养】熟练套用对重公式、查表选配制动元件；2.独立完成图纸接线、参数录入与现场故障排查（溜梯、不松闸、过压跳闸）。【总结】本课时整合主电路、滤波、制动全知识点，落地电梯实操，位能负载依靠倒发电+能耗制动+机械抱闸双重安全防护，是变频器工程最经典应用。××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3变频水泵恒压供水控制3.1~3.2课次/周授课方法讲授+图示分析+案例讲解教具PPT、G120变频器、电动机铭牌、水泵模型教学内容1.变频器恒压频比（U/f=C）控制原理、参数设置与特性；2.变频器矢量控制原理、模式选用与参数设置；3.恒压频比与矢量控制的区别及应用场景教学目标知识目标：理解恒压频比控制原理、特性曲线；掌握矢量控制原理，分清两类控制模式关系；熟记G120变频器对应功能参数。能力目标：能根据电动机参数计算恒压频比系数；能依据负载类型选择控制模式；可独立完成电机基础参数预置。重点、难点重点：恒压频比控制原理、参数设置；矢量控制应用选型。难点：低频转矩补偿原理；交流电机矢量控制等效直流电机的控制逻辑。复习提问1.三相异步电动机感抗与电源频率存在什么关系？2.变频器单纯改变频率调速会出现哪些问题？作业1.一台额定电压380V、额定频率50Hz的电机，计算其恒压频比系数。2.简述恒压频比控制的三大作用。授课时长2学时课后小结1.变频器恒压频比（U/f=C）控制原理、参数设置与特性；2.变频器矢量控制原理、模式选用与参数设置；3.恒压频比与矢量控制的区别及应用场景教案附页注释【知识学习】一、课堂导入水泵、风机是工业与民用领域常用负载，传统工频供水存在水压不稳、电能浪费、电机启动电流过大等问题。变频器依靠调速技术实现恒压供水，而驱动电机的核心就是控制模式选择。本节课学习两大核心电机控制模式：恒压频比控制与矢量控制，为后续恒压供水闭环控制学习奠定理论基础。二、知识学习3.1变频器恒压频比（U/f=C）控制3.1.1恒压频比控制原理电感电路的电压、电流用有效值表示时，符合欧姆定律，即或，式中，UL为电压有效值，单位为V；IL为绕组电流有效值，单位为A；XL为绕组感抗，单位为Ω。感抗是频率的函数，即XL=2πfL式中，f是电源的频率，单位Hz；L是电动机绕组的电感量，单位为H。当电动机制造完毕，L即为常数。由式中可见，f↓→XL↓，当f=0，XL=0。由（3-1）式可见，XL=0，IL→∞。可见，当频率很低时，电动机的电流趋近无穷。显然只改变频率调速是不行的。将式（3-1）改写，把电流IL定为常量，有，令2πLIL=C有式中C为常量，即当改变f时电压也成比例的变化，可使电流不受影响。该式称为“恒压频比”控制。因为一切变频器都得按照“恒压频比”进行工作，因此，又称“恒压频比”控制为“基本恒压频比”控制。3.“恒压频比”特性线根据“恒压频比”模式，当变频器的输出频率变化时，输出电压也同时成比例的变化。输出频率上升，输出电压上升，输出频率下降，输出电压下降，如图3-2所示。当频率上升到50Hz，输出电压上升到380V。在电动机起动时，因为f很低，U很低，电动机的绕组体电阻不减，使起动电流很小，不能满足起动要求。为提高起动转矩，人为的将起动时的电压提高一些，称为低频转矩补偿，见图中虚线所示。图3-2恒压频比特性曲线4.“恒压频比”特性线设置因为“恒压频比”特性线，是针对电动机设置的工作特性线，所以必须将电动机的相关参数“预值”到变频器，变频器才能按照预置的参数对电动机进行“恒压频比”控制。变频器需要设置的参数就是电动机铭牌标定的额定电压和额定频率。如G120变频器设置参数：p0304=380V（电动机额定电压，非电网额定电压）；p0311=50Hz（电动机额定频率，非电网额定频率）。如果是国外电动机，额定电压和额定频率与我国不同，按电动机铭牌参数设置。3.1.2.“恒压频比”特性的用途1.解决了三相笼型电动机的起动难题变频器“恒压频比”控制，因为起动电流是恒定的，解决了三相笼型电动机起动电流大的问题。因此淘汰了电动机的起动电路，电动机可以频繁起动，不再因为起动电流大造成电动机过热。特别是对于大功率的交流电动机，工作中本不需要调速，但是需要频繁起动，因此选用变频器控制。2.变频器工作平稳由于变频器恒流工作，在起动中没有了“电流的过渡过程”，在电梯、起重机以及往复运行的设备中，变频器的这个特点特别的受欢迎，这也是变频器普及应用的原因之一。3.“恒压频比”控制满足了设备工艺要求和节能（1）满足工艺要求传动设备随着生产质量的提高，对传动速度的要求提出更高的要求。变频器在调速过程中，“恒压频比”控制是恒转矩控制，转速高低转矩不变，速度在0~50Hz变化时，电动机始终有额定转矩输出，保证了传动设备的动力需求。（2）满足了节能控制风机、水泵等负载，在工频电网上工作时，转速和转矩是恒定的，电功率也是恒定的，出水量或出风量也是恒定的。当需要的用水量或用风量减少，就由截门节流，多余的风或水就被节流掉了，造成能量的浪费。采用变频器调速控制，当用水量或用风量减少，降低速度就解决了，可以节省大量的电能。5.变频器加减速特性线设置变频器工作中总有起动和停机以及加速或减速的过程。因为电动机驱动的负载都有惯性，根据力学原理，加速或减速都要有力的作用，变频器输出的转矩表达式为TM=TL+TA式中，TM——变频器输出的总转矩，单位N.mTL——负载工作时的转矩，单位N.mTA——变频器加速时的附加转矩，单位N.m根据牛顿力学定律，F=ma，m是负载的质量，a是加速度，变频器在起动时是加速过程，即起动时在TL的基础上又叠加了TA，当正常工作之后，TA自然消失。为了消除TA的影响，变频器在选型时要留出1~2个功率档次的余量；加速时间根据具体情况，可选择的长一些。图3-3是变频器的加减速特性线设置，加减速时间的长短由负载的惯性大小来决定，以变频器起动和停机时不过电流为限。设置时可以根据经验和试探法，能满足工作需要就可以。G120变频器加速时间参数码为p1120；减速时间参数代码为p1121。图3-3变频器加减速特性线7.变频器恒压频比控制参数设置变频器是把功能细化为功能参数，通过选参数来确定变频器的功能。“恒压频比”控制是变频器对电动机控制，因此要把电动机的相关参数预置到变频器。表3-1是“恒压频比”控制参数预置表。3.2变频器矢量控制3.2.1什么叫矢量控制 既要控制电动机的电流大小，还要控制电流和电压之间的相位，称为矢量控制。1.直流电动机调速分析图3-4（a）是直流电动机的工作原理图，电动机分为两个绕组，定子绕组和电枢绕组。当定子绕组通入电流Im，产生N、S磁极和磁通Φm，该绕组称为励磁绕组。电枢绕组安装在转子上，其绕组的轴心线和励磁绕组正交。当电枢绕组中通入电流Ia，形成转子磁场，两个磁场相互作用使转子产生电磁力矩，转子在电磁力矩的作用下而发生转动。两套绕组在机械结构上互相独立，在空间互差90°，在电气上也是分开的，分别由两个电源供电。（a）（b）图3-4直流电动机的工作原理图（a）工作原理示意图（b）转矩特性线直流电动机的转矩表达式为：T=CTΦmIa（3-5）式中，T—电磁转矩；CT—电动机常数；Φm—定子气隙主磁通，由励磁电流Im控制；Ia——电枢电流。当励磁电流Im一定，Φm为常数。并且在控制Φm时不影响Ia，在控制Ia时同样也不影响Φm。转矩特性如图3-4（b）所示，转矩T与电枢电流Ia成正比，增加Ia，电动机的转矩也线性增加。因而直流电动机具有良好的控制特性。2.交流异步电动机分析交流异步电动机也有两套绕组，即定子绕组和转子绕组。定子绕组工作时和外部电源相连接，当给定子绕组加上三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。转子绕组通过电磁感应在绕组中产生感应电动势和感应电流，感应电流产生电磁力，将电能转换为机械能输出。见图3-5（a）所示。交流异步电动机转子的转矩表达式为T=CTΦmI2cosφ2（3-6）（a）（b）3-5交流异步电动机工作原理（a）转动原理示意图（b）转矩特性式中，T—电磁转矩；CT—电动机常数；Φm—定子气隙磁通；I2—转子电流；cosφ2—转子回路功率因数。图3-6（b）是电动机的的转矩特性，由图中可见，转矩T和I2电流并不是线性关系，主要是受cosφ2的影响。3.矢量控制根据比较分析，直流电动机调速反应快是电枢电流和输出转矩是线性关系，交流电动机调速反应慢是在调速中出现变量cosφ2，并且变量cosφ2和I2电流的变化方向相反！。如果将cosφ2变为常数，则交流电动机和直流电动机的转矩特性相同，交流电动机也就具有了直流电动机的转矩特性。（1）坐标变换首先建立旋转坐标系，直流电动机没有旋转磁场，将电压和电流矢量放在假想的旋转磁场中；交流电动机电压和电流是处在旋转磁场中。令直流电动机假想旋转磁场和交流电动机的旋转磁场转速相等，转向相同。图3-6是旋转磁场坐标系，由图中可见，直流电动机的电流电压同相位，功率因数cosφ=1；交流电动机电压超前电流φ0角，并且φ0随着电流的增加而增大，使功率因数cosφ下降。为了消除交流电动机cosφ的影响，控制交流电动机坐标系中的、矢量等于直流电动机坐标系中的、矢量，即控制φ直=φ交，φ0=C（为常数）。则交流电动机就具有了直流电动机的机械特性。图3-6旋转坐标系（a）直流电动机旋转坐标（b）交流电动机旋转坐标（2）矢量控制过程交流电动机的矢量控制，是由变频器控制输出电压和输出电流的相位来完成控制的。根据控制模型编制控制指令（参数码），由参数码控制矢量控制的实施。矢量控制是动态控制。主要应用于带载起动或调速过程中要求快速性好的系统中。如果速度恒定，定子电流恒定，矢量控制不起作用。如风机、水泵工作时负载很平稳，一般不采用矢量控制。3.2.2.矢量控制模式选用1.矢量控制使交流笼形电动机变的完美交流笼型电动机有了矢量控制，调速具有直流电动机的机械特性，起动具有绕线转子电动机的机械特性，恒速运行机械特性又较硬；结构简单效率高，密封工作免维护。因此交流笼型电动机是变频器驱动的首选电动机。需要指出的是：矢量控制是变频器改变控制策略使交流电动机具有直流电动机的转矩特性，交流电动机的本性没有改变。2.矢量控制和“恒压频比”控制的关系“恒压频比”控制是基本控制，矢量控制是在恒压频比控制基础上的修正控制，矢量控制只有电动机参数出现动态变化时才起作用，电动机平稳运行时按恒压频比特性工作。在选用变频器时，带载起动、重载设备、工作中具有冲击性的负载，调速要求快速性很高的设备，均选择矢量控制变频器。轻载、对控制没有特殊要求，可以选用“恒压频比”控制。变频器采用矢量控制模式，要用参数进行切换，要准确设置电动机参数，变频器对电动机要进行自学习等。3.变频器矢量控制参数选择变频器矢量控制也是变频器对电动机的控制，因此，电动机参数是必设参数。表3-2是G120变频器矢量控制设置参数。三、能力培养能根据电机铭牌数据计算恒压频比系数，读懂特性曲线；能根据负载类型，正确选择恒压频比/矢量控制模式；对照参数表，独立完成G120变频器电机参数、控制模式参数预置。四、课堂互动与拓展思考：家用供水泵长期稳定运行，为何不推荐使用矢量控制？拓展：大功率水泵启动时，开启低频转矩补偿的作用是什么？五、课堂总结恒压频比是变频器最基础的控制模式，适配绝大多数平稳负载；矢量控制是优化方案，专门针对动态、重载负载。两种模式都必须严格按照电机铭牌设置参数，参数错误会造成电机过热、跳闸、无法启动，是变频器实操的重点内容。××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3变频水泵恒压供水控制3.3~3.4课次/周授课方法讲授+框图分析+参数实操演示教具PPT、G120变频器、模拟压力信号源、控制接线图教学内容1.闭环PID控制原理、P/I/D各环节作用；2.恒压供水PID控制流程、信号采集与转换；3.变频器速度控制、转矩控制模式原理与参数设置教学目标知识目标：掌握PID三环节控制特性；理解恒压供水闭环控制逻辑；区分速度控制与转矩控制的应用差异。能力目标：能分析压力给定、反馈信号的工作过程；能完成PID基础参数设置；能根据工况选择速度/转矩控制模式。重点、难点重点：PID控制原理、恒压供水闭环逻辑、速度控制参数设置。难点：P/I/D参数调试逻辑、转矩计算公式与转矩参数设置。复习提问1.1.变频器恒压供水为什么需要采用闭环控制？2.变频器最基础的控制模式是什么？作业1.1.分别说明比例(P)、积分(I)、微分(D)在PID控制中的作用。2.简述水泵PID恒压供水的信号流向。3.已知7.5kW电机、转速1440r/min，计算其额定转矩。授课时长222学时课后小结本节课学习了变频器PID闭环过程控制与两种运行控制模式。PID是恒压供水的核心，比例环节提升响应速度、积分环节消除静差、微分环节抑制波动，水泵类流体设备一般关闭微分环节。速度控制是变频器最常用模式，以转速为控制目标；转矩控制以输出转矩为目标，多用于多电机同步工况。本项目采用速度控制+PID闭环组合方案，参数现场调试是运维核心技能。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入普通开环调速仅能固定水泵转速，用水量变化时水压忽高忽低，无法满足供水要求。想要保持水压恒定，必须采用闭环控制，依靠PID算法自动调节水泵转速。本节课学习PID闭环控制原理、参数调试，以及变频器两大运行模式：速度控制与转矩控制。二、知识学习3.3.1闭环PID控制1.闭环过程控制过程控制是指石油、化工、电力、冶金、加工、水务等各个生产领域，在生产过程中，将其生产过程中某个过程物理量稳定在设定值上的一种控制技术，称为过程控制。被控物理量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量。过程控制是电机拖动技术中重要的组成部分。过程控制是闭环控制，要将输出物理量反馈到输入端。图3-7是闭环控制图。图3-7变频器闭环控制图在过程控制中，希望被控物理量等于目标设定值，当出现了偏差立刻纠正过来。因为物质都具有惯性，纠偏速度快了容易引起系统振荡，纠偏速度慢又反应迟钝。人们通过理论分析，建立数学模型，找到最佳控制模式。2.闭环PID控制（1）闭环PID控制数学模型在闭环稳定控制中，模拟调节器是整个稳定控制的核心，其中模拟PID调节器的控制算法要适应各种惯性负载，其表达式为（3-7）式中，u（t）——调节器的输出量；e（t）——给定量与被控量的偏差；kp——比例增益系数；TI——积分时间常数；TD——微分时间常数。在式（3-6）中，只包含第一项时称为比例（P）作用，将偏差信号放大，提高反应的快速性；只包含第2项时称为积分（I）作用，积分具有延迟和无限趋近的特性，最后消除误差；只包含第3项时称为微分（D）作用，具有超前特性，提高起始时的快速性；只包含第1、2项的是比例积分（PI）作用，是P特性和I特性的中和，反应快、不震荡又没有偏差；只包含第1、3项的是比例微分（PD）作用；同时包含这3项的是比例积分微分（PID）作用。在PID控制算法中，比例作用是最基本的、不可缺少的，但有余差存在；加入积分作用后，能提高控制精度，消除余差；加入微分作用，则起到加速控制作用。只要根据具体的控制系统合理的选择P、I、D参数，就会得到反应快、无偏差、无振荡的跟踪控制。（2）PID控制框图图3-8是PID稳定控制框图，图中是以水泵恒压供水控制为例进行分析。AI0（变频器0号模拟端子）是“目标”信号，表示水泵需要的压力；AI1（变频器1号模拟端子）是反馈信号，表示水泵现场“实际”压力信号；比较器将两个信号进行比较，产生误差信号△x，当△x为：△x＜0，变频器升速，△x＞0，变频器降速，△x=0，变频器恒速运行。△x通过PID处理，生成XG控制信号，控制变频器平稳的升速或降速，跟踪“目标信号”运行。图中“传感器”是检测现场信号的，特别强调的是稳定现场什么物理量，就选择什么物理量的传感器。本例是稳定水泵的出水压力，要选择“压力传感器”。图3-8恒压供水控制框图①设置目标信号XT。XT是水泵的压力给定信号，称为目标信号。变频器应用之前首先要设置目标信号。目标信号的大小和使用的传感器量程有关、和水泵的出口压力设定值有关。假设使用的压力传感器压力量程为0~1Mp，对应的输出电压为0~10V；又假如水泵的出口压力设为0.6Mp，当达到设定的压力时，传感器输出电压为6V，这个6V就是目标信号的给定值。即目标信号给定是两个条件，一个是传感器的压力量程；一个是水泵需要的压力值。②反馈信号XF。反馈信号用XF表示，是水泵的压力通过传感器转化为的电信号，又称为现场信号，其大小和水泵的压力成正比。由上述分析可见，只要≠0，变频器的输出频率就进行调整，使水泵的压力恢复到设定值。图3-9是实际压力和设定压力关系图，是动态跟踪。图3-9压力曲线3.PID各参数控制特点（1）P控制器见图3-11（a）所示，P控制器就是一个模拟电子放大器，输入一个小信号ui，按比例的输出一个放大了的大信号uOP。故称为比例调节器。当比例系数设置的大，纠偏速度快，系统恢复的快，但比例系数调的太大会出现系统振荡。（2）I