变频技术教案(短训班)

1、变频技术教案,广州机电高级技工学校 -罗恒年,直流电动机调速系统具有良好的启动、制动性能及在 大范围内平滑调速的优点。因此过去很长一段时间内，在 需要进行调速控制的拖动系统中一直占主导地位。但直流 电动机采用机械换向器换向，它在单机容量、最高电压、 最大转速等方面受到限制，而且维护、维修复杂。20世纪 70年代以来。随着交流电动机调速控制理论、电力电子技 术、以微处理器为核心的全数字化控制等关键技术的发展， 交流电动机变频调速技术逐步成熟。目前，变频调速技术 的应用几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空 调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛的应用。 变频调速系统的核心是变频器，变频

2、器的构成及工作 原理较复杂，本课程仅对变频器的构成、原理、实际操作 等作一简单介绍。,概述,11变频器的定义、发展,12 变频器的分类,11 变频器的定义、发展,我们知道，三相交流异步电动机的转速公式为： n=（1s）60f1/p 式中 f1电动机电源的频率（Hz） p电动机定子绕组的磁极对数 s转差率 可见，在转差率s变化不大的情况下，可以认为，调 节电动机定子电源频率f1，电动机的转速n随之成正比变 化。若均匀改变电动机电源的频率f1，则可以平滑地改变 电动机的转速。,一、变频调速的基本原理,二、电源的分类 直流电：电压恒定且极性不变化 电源 单相交流电 交流电：电压的极性周期性地变化 三

3、相交流电 频率：交流电每秒钟极性改变的次数,三、整流和逆变 1 、整流：交流电变为直流电的过程。回忆单 相桥式整流电路的工作原理。 2 、逆变：直流电变为交流电的过程。 逆变器是变频器的核心部件 3 、逆变的原理性电路 控制S1和S2的动作，负荷上的电压eL为矩形 波的交流电压。该交流电压的频率取决于开关 的切换速度。,用一种控制可关断的晶闸管（GTO）代替上图中的开 关构成逆变器电路。 可关断晶闸管（GTO)是指得用正的门极脉冲触发导通， 用负的门极触发脉冲关断阳极电流，恢复其阻断状态的 元件。 工作原理：1）VS1、VS2控制极G加正的脉冲，VS1、 VS2导通。 2）VS3、VS4控制极

4、G加正的脉冲，VS3、 VS4导通。 由于GTO的电流只能从AK单方向流过，增加反并联 二极管实现开关功能。,四、变频器的组成 构成图（图16a）；电路组成（图16b） 整流器 主回路 滤波器 变频器 逆变器 控制回路 单片机 驱动电路 光电隔离电路,五、变频器的发展 1、新型电力电子器件的应用，使变频器的容量和电压 等级不断扩大和提高； 2、微处理器位数的的增加使变频器的功能从单一的变 频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的变频器； 3、应用矢量控制和转矩直接控制使变频器不仅能实现 宽调速，还可以进行伺服控制（具有内置的可编程、 参数辨识及通信等功能）。,课堂作业： 1、某一交流电极性改变10

5、0次耗时2秒钟，则该交流电 的频率为（ D ）。 （A）100HZ （B）2HZ （C）200HZ （D）50HZ 2、由（直流）变为（交流 ）的过程称为逆变 。 3、变频器的核心部件是（逆变器 ）。 4、变频器的主回路由（ 整流电路）、（ 控制电路）和 （逆变电路 ）组成。,12 变频器的分类,一、按变换频率的方法分 二、按主电路工作方式分 三、按变频器调压方式不同分 四、按工作原理分类 五、按照用途分类,一、按变换频率的方法分 1、交直交变频器 又称间接变频器（中间直流环节的变频装置）。 工作原理：先将工频交流电通过整流器变成直 流电，再经过逆变器将直流电变成 可控频率的交流电。 构成环节

6、：,整流 逆变,AC,DC,AC, 50HZ,恒压恒频 CVCF,中间直流环节,变压变频VVVF,2、交交变频器 又称直接变频器。 工作原理：只用一个变换环节就可以把恒压恒 频的交流电源变换成VVVF电源。常 用的交交变频器输出的每一相都是 一个两组晶闸管整流装置反并联的可 逆线路，正反向的两组按一定周期相互 切换，在负载上就获得交变的输出电 压，输出电压的幅值取决于两组整流 装置的控制角，输出电压的频率取决于 两组整流装置的切换频率。 电路原理图：,二、按主电路工作方式分 1 、电压型变频器 经整流电路产生的直流电压通过电容进行滤 波后再送入逆变器的方式。输出电压是矩形波或 阶梯波。适用于不

7、要求正反转或快速加减速的通 用变频器中。 结构图： 因电容器两端的电压不能突变，输出电压波 形较平直。,逆 变 器,+,-,Ud,Cd,2、电流型变频器 经整流电路产生的直流电压通过大电感滤波 后再送入逆变器的方式。输出交流电流是矩形波。 适用于频繁可逆运转的变频器和大容量变频器。 结构图： 因流过电感器的电流不能突变故输出电流波 形较平直。,逆 变 器,+,-,Ud,Ld,id,三、按变频器调压方式不同分 1、PAM（脉冲幅度调制）变频器 是一种改变电压源的电压Ud或电流源的电流 Id的幅值进行输出控制的方式。 在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的幅度， 达到改变输出电压有效值的目的。

8、2、PWM （脉冲宽度调制）变频器 是在变频器输出波形的一个周期内产生多个 等幅不等宽的脉冲。 在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度， 达到改变等效输出的一种方法。保持脉冲个数不变而改变 脉冲宽度，均可改变半周内输出电压的平均值，从而达到 改变输出电压有效值的目的。,四、按工作原理分类 1、U/f控制变频器 对变频器输出电压和频率同时进行控制，通过保持 U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性。成本低，多用 于精度要求不太高的通用变频器。 2、SF控制变频器（转差频率控制变频器 ） 转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进，这种控 制方式需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机 的转速

9、，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率， 而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差 频率之和决定。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流的能力得到 提高。,3、VC控制变频器（矢量控制变频器 ） 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它的 基本思路是：将异步电动机的定子电流分为产生磁场电 流的分量（砺磁电流）和与其垂直的产生转矩的电流分 量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方 式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位， 即定子电流的矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制 方式。 转差频率控制和矢量控制的原理较复杂，本书不作 进

10、一步的讨论。,五、按用途分类 1、通用变频器 所谓通用变频器，是指能与普通的笼型异步电动机 配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供 选择功能的变频器。 2、高性能专用变频器 高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求 较高的系统，与通用变频器相比，高性能专用变频器大 多数采用矢量控制方式，驱动对象是变频器厂家指定的 专用电动机。,3、高频变频器 在精加工和高性能机械中，常常要用到高速电动机， 为了满足这些高速电动机的驱动要求，出现了采用PAM （脉冲幅值调制，是一种在整流电路部分对输出电压的 幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制 的控制方式）控制方式的高频变频器，其输出

11、频率可达 到3kHz。 4、高压变频器 一般是大容量的变频器，最高功率可达5000KW。,课堂作业： 1、变频器按变换频率的方法分为（ ）和（ ）。 2、变频器按主电路工作方式分（ ）和（ ）。 3、电压型变频器适用于频繁可逆运转的变频器和大容量 变频器。（ ） 4、由公式n=（1s）60f1/p，调节电动机定子电源频率f1， 电动机的转速n随之成正比变化，频率f1改变的同时， 对电动机的结构产生什么影响？如何改善？,5、以下变频器中，属于输出波形在一个周期内产生多个 等幅不等宽脉冲的是（ ） 。 （A）PAM变频器 （B）PWM变频器 6、在整流电路部分对输出电压的幅值进行控制，而在逆 变电

12、路部分对输出频率进行控制的是（ ）。 （A）脉冲宽度调制 （B）脉冲幅度调制 7、变频器按工作原理可分哪几种？,13 变频器的整流器,一、概述 变频器分四个主要部分，简化结构图如下所示 ： 整流器 中间电路 逆变器 M 控 制 电 路,（1）整流器 将交流电压变为脉动的电压 可控 不可控 （2）中间电路 三种类型： 将整流电压变换成直流电流（电流型） 使脉动的直流电压变得稳定或平滑（电压型） 将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压 （3）逆变器 产生可变电压、频率的变频交流电,（4）控制电路 将信号传递给整流器、中间电路和逆变器，同时 也接受其反馈信号。 二、不可控整流器 由二极管整流电路

13、构成，主要用于PWM变频器， 电路图如下： 特点：输出电压的幅值无法控制,三、可控整流器 晶闸管整流器 特点：输出电压的幅值可以控制 单向型晶闸管整流器：电流只能朝一个方向流动，用 于电压型变频器 可逆型晶闸管整流器：电流方向既可以正向又可以反 （反并联） 向，用于电流型变频器,课堂作业,1、以下不属于变频器主要组成部分的是（ ） A、振荡电路 B、整流器 C、逆变器 D、中间电路 2、整流器的两种基本类型是（ ）和（ ）。 3、以下变频器组成部分中能产生可变电压、频率的变频 交流电的是（ ） A、控制电路 B、整流器 C、逆变器 D、中间电路,14 变频器的逆变器,交直交变频器中的逆变器一般

14、接成三相桥 式电路，组成交流变频电源。由电力电子开关（晶闸管 或其它全控器件） S1 S6组成的三相逆变器主电路如下：,+,-,Ud,A,B,C,S1,S3,S5,S4,S6,S2,O,负载,1800导通型 1200导通型 一、1800导通型逆变器 1、同一桥臂上下两个开关之间互相换相，每个开 关在一个周期内的导通区间为1800 。 2、6个开关的导通顺序为S1 S2 S3 S4 S5 S6 ，S1、 S3 、S5间相位差1200 ， S2、 S4 、S6间相位差1200 。,电路的工作原理：在一个周期内，控制各个 开关轮流导通和关断，使输出端A、B、C获得三 相交流电压，改变开关导通和关断时

15、间，则可得 到不同的输出频率。,3、画出1800导通型的开关导通波形和输出电压波 形。 4、分析波形的形成 A、区间 B、区间 C、区间 D、区间 E、区间 F、区间 由以上六点，可画出uAO、uBO、uCO为梯形波。线 电压uAB、uBC、uCA为矩形波，幅值为Ud 。,二、1200导通型逆变器 1、每个开关在一个周期内的导通区间为1200 ， 任意时刻只有两个开关同时导通。 2、6个开关的导通顺序为S1 S2 S3 S4 S5 S6 ,时间间隔为600。 3、相电压uAO、uBO、uCO为矩形波，幅值为Ud/2； 线电压uAB、uBC、uCA为梯形波，幅值为Ud 。,三、电力电子器件概述

16、1、电力电子器件是构成变频器的关键器件之一，电 子器件成为弱电控制强电的纽带，电力电子器件的发 展促进变频器的发展。 2、电力电子器件 的分类 单极型：器件内部只有一种极性载 流子参与导电 按导电的载流子分 双极型：器件内部的电子与空穴两 种极性载流子均参与导电 混合型：两者混合集成,不可控器件(如整流二极管） 按控制方式分 半控器件（如普通晶闸管、硅可控整流管） 全控器件 电流控制器件(如BJT、GTO) 场控器件 (电压控制器件) (如功率场效应管等） 半控器件：只能控制导通不能控制关断的器件 全控器件：可以控制导通和关断的器件,四、PAM控制和PWM控制的比较 1、在逆变器变频的同时，改

17、变输入直流电压 （整流部分）的大小，称为脉冲幅度控制即PAM 控制。（调电压幅值） 2、逆变器部分实现变频和调压，开关采用全控 器件，按一定规律控制其导通或关断，使输出端 获得一系列宽度不等的矩形电压脉冲列。（调电 压宽度）,四、SPWM原理 SPWM即正弦脉宽调制，其波形是与正弦波 等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。 等效原则：每一区间的面积相等。 如图6-5，几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成 的波形就与正弦波等效,称为SPWM波形.,作业： 1、三相桥式逆变器有（ ）和（ ）两种工作 方式。 2、1800导通型逆变器中每个开关在一个周期内的导通 区间为（ ）度。 3、1800导通型逆变器

18、中开关S2、 S4 、S6间相位差 （ ）度。 4、1200导通型逆变器输出线电压uAB、uBC、uCA为 （ ）。 A、梯形波 B、矩形波 C、阶梯波 D、正弦波,5、 1200导通型逆变器在任意时刻有三个开关同时导通。 （ ） 6、 1800导通型逆变器线电压uAB、uBC、uCA为矩形波，幅 值为（ ）。 A、 Ud /4 B、 Ud /2 C、 Ud D、1.732 Ud 7、SPWM的全称是（ ）。 A、脉冲幅度控制 B、脉冲宽度控制 C、正弦脉宽调制 D、正弦波,15 变频器的U/F控制,VVVF控制（恒U/f控制） 交流异步电动机的转速公式 ，改变f可实现转 速n的改变即调频调速

19、，三相异步电动机每相电动 势的有效值是：,U1不变 f1增大 m减少，造成铁心未 没有充分利用 忽略定子压降 U1 Eg U1不变 (定子绕组输入电压) f1减少 m增大，造成铁心饱 和，使绕组过热损坏, ,由上式，要维持恒磁通（m恒定），只要使U1 与 f1成比例改变即可，即在改变频率调速的同时， 改变U1，使比值 恒定，称恒 控制。,16 变频装置的结构与器件配置,从电路结构上看，通用变频器大多采用交直交 变频变压方式。 （1）变频器的主电路,它主要由以下几部分组成： 1）整流部分 整流部分的作用是将频率固定的三相交流电变换成 直流电。它包括： 三相整流桥 由整流二极管VD1VD6构成三相

20、桥式电路。如电 源的线电压为UL，则整流后的平均电压为： 滤波电容器 CF的作用是滤平桥式整流后的电压纹波，使直流电 压保持平稳。,限流电阻 在变频器电源接通的瞬间，滤波电容CF的冲电电流 很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极 管。为了保护二极管，在电路中串限流电阻RL，通过开 关S来控制， 从而将电容器CF的冲电电流限制在允许的 范围内。当CF充电到一定程度，开关S接通，将RL短接 掉。在许多新系列的变频器中，S已由晶闸管代替。 电源指示 HL除表示电源是否接通外，还有一个重要的功能， 即在变频器切断电源后，指示电容器CF上的电荷是否已 释放完毕。,电容器CF的容量较大，而切断变

21、频器电源又必须在 逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电 电路，其放电时间往往需数分钟，而CF上的电压又较高， 如电荷没有释放完毕，会对人身安全构成威胁。故在维修 时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器的内部带电部 分。 2)逆变部分 逆变管V1V6构成三相逆变桥，这六个逆变管按一定规 律轮流导通和截止，将直流电逆变成频率可调的三相交流 电。 续流二极管VD7VD12的主要作用是在换相过程中为电 流提供通路。 缓冲电路（R01R06、VD01VD06、C01C06）的作用 限制过高的电流和电压，保护逆变管免遭损坏。,3）制动电阻 在电动机调速过程中，当变频器的输出频率下降过快 时，

22、电动机将处于发电制动状态，拖动系统的动能要到回 馈到直流电路中，使直流电压上升，导致变频器本身的过 电压保护电路动作，切断变频器的输出。为避免出现这一 现象，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，RB和VB的 作用就是消耗这部分能量。 （2）变频器的控制电路 为变频器的主电路提供通断控制信号的电路，称为控 制电路。其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制 和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两 种。目前已广泛采用了以微处理器为核心的全数字控制技 术，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种 控制功能，以充分发挥微处理器计算能力强和软件控制灵 活性高的特点，完成许多模拟控制方式难

23、以实现的功能。,控制电路主要由以下几部分组成： 1）运算电路 运算电路的主要作用是将外部的速度、转矩等指令信 号同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频 器的输出频率和电压。 2）信号检测电路 将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由 微处理器按事先确定的算法进行处理后为各部分电路提供 所需的控制或保护信号。 3）驱动电路 驱动电路的作用是为变频器中逆变电路的换流器件提 供驱动信号。当逆变电路的换流器件为晶体三极管时，称 为基极驱动电路；当逆变电路的换流器件为SCR、GTO或 IGBT时，称为门极驱动电路。,4）保护电路 保护电路的主要作用是对检测电路得到的各种信号进 行运算处理

24、，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当 检测到出现异常时，进行各种必要的处理，如使变频器停 止工作或抑制电压、电流值等。,用变频器控制的电梯，电梯减速时，电动机处于发电 制动状态，产生的电能通过变频器主回路的反向续流二极 管整流后向滤波电容充电，当电容上的电压增加到600V 时，变频器的电压检测起作用，使制动单元中的功率晶体 管导通，电能通过制动电阻消耗能量。 作业： 1、变频器的控制电路由哪几部分组成？ 2、变频器主回路中的电源指示灯HL的作用？ 3、讲述变频器主回路中的制动单元由哪些元件组成， 工作原理如何？,一、选择题。 1、以下器件中，利用正的门极脉冲触发导通，用负的门极脉冲关断 的

25、是（ ） A、晶闸管 B、硅可控整流管 C、三极管 D、可关断晶闸管 2、1200导通型逆变器输出线电压uAB、uBC、uCA为（ ）。 A、梯形波 B、矩形波 C、阶梯波 D、正弦波 3、以下不属于变频器的控制回路的是（ ）。 A、光电隔离电路 B、中间电路 C、驱动电路 D、单片机 4、不可控整流器主要用于 变频器。 A、PWA B、PWM C、PAM D、PAW 5、变频器中的不可控整流器由 整流电路构成。 A、二极管 B、三极管 C、晶闸管 D、场效应管 6、以下属于场控器件的是（ ）。 A、功率场效应管 B、硅可控整流管 C、二极管 D、GTO 7、以下变频器的分类中，不属于按工作原

26、理分类的是（ ）。 A、SF控制变频器 B、SPWM变频器 C、VC控制变频器 D、U/f控制变频器,练 习,21 变频器的操作,一、变频调速实验装置的组成 实验台 实验装置面板 负载电动机组（装有旋转编码器） 数显测速表 各种香蕉插头导线,二、变频器的控制端子已用连接线接至面板上的 接线柱，可进行外部控制。 实验指导书图1： STF-正转启动 STR-反转启动 JOG-点动模式 SD-输入公共端 SE-开路输出公共端 三、变频器的接线 1、电源连接 电源接线端子为R、S、T，一般按端子的颜色 连接。,2、电动机连接 电动机接线端子为U、V、W，一般按端子和 接线头的颜色连接，如果旋转方向相反

27、，可变换 任意两相。 实验指导书图3,一、变频器的操作面板和按键的操作 必须熟悉它的面板显示和键盘操作以及合理设置参数。 操作面板上半部为面板显示器，下半部为各种按键。,22 操作面板的显示和按键的操作,FR-DU04,CONTROL PANEL,HZ,A,V,MON,EXT,PU,REV,FWD,MODE,SET,REV,FWD,STOP/RESET,显示 LED X 4,（模式）键,（设置）键,（增/减）键,单位显示,操作状态显示,（操作指令）键,（停止/复位）键,变频器的操作面板,表1 操作面板各按键功能,【 】键（增减键）,二、五种操作模式及特征 监示模式：“MON”灯亮，可监示频率、

28、电流、 电压、转速等物理量 频率设定模式:显示一个频率数值,如“50”。 参数设定模式：显示“Pr.” 运行模式：显示“OP.Nd”、 “PU”、 “JOG”中任一 帮助模式:显示“HELP”,三、各种显示模式下的不同功能 1)监示模式 监示模式下指示的操作命令 EXT指示灯亮表示外部操作； PU指示灯亮表示PU操作； EXT和PU灯同时亮表示PU和外部操作组合方式。 监视显示在运行中也能改变 2)频率设定模式 在PU运行模式下设定运行频率。,3)参数设定模式 设置变频器的各种参数。 4)运行（操作）模式 在79号参数设定后选择各种操作模式 PU连续操作 PU点动操作 外部操作 5)帮助模式

29、进行参数清除（PrCL）、全部清除(ALLC)、 用户清除(USrC)、报警记录、消除报警记录、 读软件版本号等。,四、参数表 几种常用的参数,注1：参数写入禁止选择,注2：操作模式选择,五、操作项目 1、通过按“MODE”键熟悉五种模式的转换； 2、监示模式下进行频率、电流、电压等值的监测方法； 3、频率设定模式下进行电动机运行频率的设置； 4、参数设定模式下进行变频器参数的设置； 5、运行模式下各种操作方式的转换； 6、帮助模式下进行全部清除、参数清除和用户清除； 7、SX-801型变频调速实验装置的熟悉、变频器的电源 输入和信号输出线路的连接； 8、参数写入禁止（77号参数）的设置练习； 9、测速表的使用方法，并进行测量；,课题考核及讲评,一、由学生先自行复习所学的变频器的按键操作 二、测验的内容： 1、五种模式的转换 2、电动机PU运行频率的设置 3、变频器参数的设置 4、操作方式的转换 全部清除 5、清除操作： 参数清除 用户清除 6、PU连续运行电动机，会调频调速及监视变频器的 输出频率、电流和电压值 7、PU点动运行电动机，会改变电动机的点动频率 8、用测速表测量电动机的运行转速，并会准确读数,三、测验总结 总结测验过程中存在的问题和指出学生错误的操作 方式并加