变频器技术教案

教学回顾：电力拖动中的设备不少都需要调速，比如机床线路有些是机械调速，而有些则需要电气调速。

教学引导：交流异步电机的调速有三种方法，一.变级调速；二.改变转差率调速；三.变频调速。

正课内容：变频技术课题一：变频调速的基础知识和控制原理一、变频器及其分类1.变频器变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，将工频交流电变换成频率、电压连续可调的交流电的电能控制装置，如图4-2所示。

2.变频器的分类变频器的种类很多，分类方法也有多种，常见的分类方式见下表。

二、通用变频器的甚本结构目前，通用变频器的变换环节大多采用交一直一交变频变压方式。

即先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压连续可调的交流电。

基本框图如下。

常用的逆变管：1. 大功率晶体管（GTR），高电压、大电流。

工作在开关状态。

2. 绝缘栅双级晶体管（IGBT），输入电阻大，栅极电流约为零。

3. IPM智能模块，驱动、保护、检测在一个模块。

2.变频器的控制电路变频器的控制电路为主电路提供控制信号，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。

通用变频器控制电路的控制框图如图4-5所示，主要由主控板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成。

各部分的功能见下表三、变频器的工作原理和功能1.变频器的工作原理(1)逆变的基本工作原理当开关S1、S2与S3、S4轮流闭合和断开时，在负载上即可得到波形如图4-17b所示的交流电压，完成直流到交流的逆变过程。

用具有相同功能的逆变器开关元件取代机械开关，即得到单相逆变电路，电路结构和输出电压波形如图4-18所示。

改变逆变器开关元件的导通与截止时间，就可改变输出电压的频率。

常用的变频器采用三相逆变电路，电路结构如图4-19a所示。

在每个周期中，各逆变器开关元件的工作情况如图4-19b所示，图中阴影部分表示各逆变管的导通时间。

下面以U、V之间的电压为例，分析逆变电路的输出线电压。

间隔6001).在△t1、△t2时间内，Vl, V4同时导通，U为“＋”、V为“一”，u uv为“＋”，且U m＝U D。

2).在△t3时间内，V2, V4均截止，u uv= 0 。

3).在△t4、△t5时间内，V2, V3同时导通，U“一”，V为“＋”，u uv为“一”，且U m＝U D。

4).在△t6时间内，Vl, V3均截止，u uv= 0 。

根据以上分析，可画出U与V之间的电压波形。

同理可画出V与W之间、W与U之间的电压波形，如图4-19c所示。

从图中看出，三相电压的幅值相等，相位互差120 0 。

上面讨论的仅是逆变的基本原理，据此得到的交流电压是不能直接用于控制电动机的运行，实际应用的变频器要复杂得多。

(2) U/f控制是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒定，三相交流异步电动机在工作过程中，铁心磁通接近饱和状态。

在变频调速的过程中，当电动机电源的频率变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。

在励磁不足时，电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时，又会使铁心中的磁通处于饱和状态，使电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铁耗，并易使电动机温升过高。

因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定并为额定值。

由异步电动机定子绕组感应电动势可得到：显然，要使电动机的磁通在整个调速过程中保持不变，只要在改变电源频率f的同时改变电动机的感应电动势E,使其满足E/f为常数即可。

考虑到正常运行时电动机的电源电压与感应电动势近似相等，只要使U/f等于常数，即可使电动机的磁通基本保持不变，采用这种控制方式的变频器称为U/ f控制变频器。

当电动机低速运行时，感应电动势较低，定子阻抗上的压降不能忽略，采用U/f控制的调速系统在工作频率较低时，电动机的输出转矩将下降。

为了改善低频时的转矩特性，可采用补偿电源电压的方法，即低频时适当提升电压U来补偿定子阻抗上的压降，以保证电动机在低速区域运行时仍能得到较大的输出转矩，这种补偿功能称为变频器的转矩提升功能。

综上所述，对电动机供电的变频器一般要求兼有调压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压(VVVF)型变频器。

(3)脉冲宽度调制(PWM)技术在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度（或用占空比表示），达到改变等效输出电压的一种方法。

PWM的输出电压基本波形如图4-20所示。

在半周中保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，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。

PWM输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。

如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，即使脉冲宽度先逐步增大，然后再逐渐减小，则输出电压也会按正弦规律变化，简称SPWM。

如图4-21所示，如将一个正弦波的正半周划分为12等份，每一份正弦波下的面积可用一个与该面积近似相等的矩形脉冲来代替，则这12个等幅不等宽的矩形脉冲的面积之和与正弦波所包围的面积等效。

2.变频器的功能(1)系统所具有的功能1)全范围转矩自动增强功能变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节U/f值，对电动机的输出转矩进行补偿。

2)防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。

3)过转矩限定运行功能这种功能的作用是对机械设备进行保护并保证运行的连续性。

利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，当电动机的输出转矩达到该设定值时，变频器停止工作并发出报警信号。

4)运行状态检测显示功能该功能主要用于检测变频器的工作状态并及时显示。

5)自动节能运行功能该功能使变频器能自动选择工作参数，使电动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行。

6)自动电压调整功能当电源电压下降时，使用自动电压调整功能可以维持电动机的高启动转矩。

7)通过外部信号对变频器进行启停控制的功能变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能。

(2)频率设定功能1)给定频率的设定方法有面板给定、预置给定、外接给定三种方式。

2)基本频率f b和最高频率f max.电动机的额定频率称为变频器的基本频率。

当频率给定信号为最大时，变频器的给定频率称为最高频率。

3)上限频率,f'H和下限频率f L 上限频率与下限频率是调速系统所要求变频器的工作范围，设与f H、f L对应的给定信号分别是X H、X L，则上限频率的定义是：当X > X H时，f x=f H；下限频率的定义是：当X<X L时，f x=f L。

如图4-25所示。

4)点动频率生产机械在调试的过程中，以及每次新的加工过程开始前，常需要点动控制。

(3)升速时间和降速时间的设定功能升降速时间的设定输出频率可以从很低时开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效地将启动电流限制在一定范围内，减速也是如此。

(4)变频器的保护功能1)过电流保护功能2)过载保护功能此功能过载保护可设置为反时限特性，可较好地实现电动机的过载预报警和过载保护。

3)电压保护功能升速过压，减速过压。

另外变频器还具有接地保护、冷却风扇异常保护、过热保护和短路保护等保护功能。

课题二通用变频器的选用、安装与调试一、变频器的选用1.变频器的额定值(1)输入侧的额定值输人侧的额定值主要是电压和相数。

中小容量变频器输入电压的额定值有以下几种（均为线电压）：1) 380 V/50 Hz,三相，用于绝大多数设备中。

2）200～230 V/50 Hz或60 Hz、三相，主要用于某些进口设备中。

3) 200～230 V/50 Hz,单相，主要用于小容量设备和家用电器中。

(2)输出侧的额定值1)额定输出电压U N 是指变频器输出电压中的最大值。

在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。

2)额定输出电流I N额定输出电流是指变频器可以连续输出的最大交流电流的有效值。

3)输出容量S N(kV A) 变频器输出容量是决定于额定输出电流与额定输出电压的三相视在输出功率S N＝3U N I N4)适用电动机功率P N(kW) 是指以4极的标准电动机为对象，表示在额定输出电流以内可以驱动的电动机功率。

5)过载能力是指其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150%1N 、60s或180％I N,、0.5s。

专门用于风机、泵类负载调速的变频器规定为120％I N、60 s 。

2.变频器的选择变频器的选择包括类型的选择、容量的选择和外围设备的选择三方面。

(1)变频器类型的选择U/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器。

变频器类型的选择，要根据负载的要求来进行。

1)风机、泵类负载，低速下负载转矩较小（为平方转矩负载），通常可以选择普通功能型。

2)恒转矩类负载，例如挤压机、搅拌机、传送带、起重机的平移机构、起重机的提升机构和提升机等，有以下两种情况：a）选用普通功能型的，常采用加大电机和变频器容量的办法，以提高低速的转矩。

b）选用具有转矩控制功能的高性能变频器，以实现恒转矩负载的稳速运行。

(2)变频器容量的选择变频器的容量通常用额定输出电流(A)、输出容量(KV A)、适用电动机功率(kW)表示。

对于标准4极电动机拖动的连续恒定负载，变频器的容量可根据适用电动机的功率选择。

对于其他极数的电动机拖动的负载，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，(变频器)I N≥I max（电动机最大电流）(3)变频器外围设备及其选择外围设备通常是指配件，分为常规配件和专用配件，如图4-29所示。

图中断路器和接触器是常规配件；交流电抗器、滤波器、制动电阻、直流电抗器和输出交流电抗器是专用配件。

二、变频器的安装1.变搜器对安装环境的要求(1)环境温度温度是影响变频器寿命及可靠性的重要因素，一般要求为－10～400C(2)环境湿度相对湿度不超过90％（无结露现象）。

(3)安装场所应在海拔高度1000 m以下使用。

(4)其他条件在振动场所应用变频器时，应采用防振措施，并进行定期检查、维护和加固工作。

2.变频器的发热与散热变频器内部存在着功率损耗，因而工作过程中会导致变频器发热。

因此，安装变频器时必须保证其散热途径畅通，不能被堵塞。

3.安装变频器的方法和要求(1)墙挂式安装一般情况下允许直接靠墙安装，称为墙挂式安装。

为保持良好的通风以改善冷却效果，变频器应垂直安装并与周围阻挡物间留有足够的距离。

安装间距如图4-30所示。

(2)柜式安装柜式安装同样需注意变频器的冷却。

当一个柜内装有两台或两台以上变频器时，应尽量并排安装。

若必须采用上下排列方式时，则应在两台变频器间加一隔板，以免下面变频器中出来的热风进人上面变频器内，如图4-31所示。