变频器技术教案.docx

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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、电压连续可凋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。

分类方式

种类

按其供电电压分

低压变频器（110V220V380V>中压变频器（500V660V1140V）商压变频器（3kV3.3kV6kV

6.6kV10kV>

按供电电源的相数分

单相输入变频器三相输人变频器

按直流电源的性质分

电流型变频器

电压梨变频器

按变换环节分

交一宜一交变频器交一交变频器

按檢出电圧调制方式分

PAM（脉幅调制〉控制变频器

PWM（脉宽调制〉控制变频器

按控制方式分

U/f1SL制变频器转差频率控制变频器矢it控制变獗器

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。

图4-3交一直一交变頻器的基本构成

1-变频器的主电路

图4一4所示为通用变频器的主电路.各部分的作用见表4一2。

表4-2交一直一交变频器主电路元件的作用

萦流电路部分，将频率固定的三相交泼电变换成直流电

元

件

三相整流桥

VD1〜VD6

起波电容器CF

來流电阻RL与开关S

电源指示灯HL

作

用

将交涼电变换成脉动直流电.若电源线电压为UL.则養流后的平均电压Ud=1・35Ui

滤平桥式整质后的电压紋玻.保持宜流电压平秘

接通电源时.将电容器CF的充电冲击电流限制在允许的范屈内・以保护整流桥.而当CF充陀到一定程度时，令开关sig通.将RI•拔路"空有些变频器电.S由晶闸借代替

HL除了表示电源是否接通外•另一个功能是变濒器切断电駅后.指示电容筋CF上的电荷是否巴经禅放完毕•在维修变频器时，必須等HL完全熄灭后才能接社变频器的内部带电部分•以保证安全

逆变电路部分：

将直流电逆变皿聯率、幅值祁可调的交流电

元

三相逆变侨

续流二扱管

缓冲电路R01〜R06、

制动电阻RB和

件

VI〜V6

VD7-VDI2

VD0〕〜VD06.C01〜C06

制动三极管VB

通过逆变符V1-V6按

在検相过程中为电流提

限制过有的电流和电

当电动机賊速、变频器

一宦規律轮流导通和載

供通路

压，保护逆变腎免ifi狽坏

输岀频率F降过快时・消

止，将直流电逆变成获

耗因电动机处于再生发电

作

率.福值都可调的三相交

制动状态而回馈到宜流电

用

流电

路中的能运.以彥免变頻

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。

器本身的过电压保护电路

2・绝缘栅双级晶体管（IGBT）,输入电阻大，栅极电流约为零。

动作而切断变频型的正常

3・IPM智能模块，驱动、保护、检测在一个模块。

输出

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

衰4-3

控制电路各部分的功能

部件

功能

主控板

主控板赵变频器运行的控制屮心.其核心器件是徴控制器（单片微机）或数宇信号处理器（DSP）,其主要功能有*

（1）接受并处理从键盘、外部控制电路输人的各种倍号.如修改参数、正反转指令等

<2）接受并处理内部的各种采样倍号，如主电路中电压与电沆的采样倍号、各部分温度的采样信号、各逆变管工作状态的采样信号铮

（3）向外电路发出控制信号及显示信号•如正常•运行信号、频率到达信号等.一旦发现异常情况，立刻发出保护指令进行保护或停车.并输出故障信号

<4）完成SPWM调制.将接受的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的SPWM调制指令.并分配给各逆变管的驱动电路

（5）向显示板和显示屏发出各种显示信号

部件

功能

健盘与显示板

健盘与显示板总是组合在一起.綾盘:

向主控板发出各科借号或指令，主要用于向变頻器发岀运行控制指令或修改运行数据等

显示板将主控板提供的各种数据进行显示•大部分变頻器配暨了液晶或数码管显示屏，还有RUN（运行）、STOP（停止）、FWD（正转）、REV（反转人FLT（故障〉等状态指示灯和单位指示灯•JUHz.A、V等.可以完成以下捋示功能：

（D在运行监視模式下，显示各种运行数据.如麹率、电压、电流等

（2）在参数模式下•显示功能码和数据码

（3）在故障状态下，显示故障原因代码

电源板与阴动板

变频器的内部电源普追便用开关規压电源.电源板主要提供以下直流电源：

（1）主控板电源具有极好稳定性和抗干扰能力的一组直流电源

（2）驱动电潛逆变电路中上桥臂的三只逆变传驱动电路的电源是相互隔离的三组独立电凍，下桥賢三只逆变管驱动电源则可共“地J但驱动电源与主控板电源必须可靠绝缘

（3）外控电源为变频签外电路提供的稳恒直流电源

中小功率变频器的驱动电路往往与电源电路在同一块电路板上•骊动电路接受主控板发来的SPWM调制倍号，在进行光电隔离、放大后驱动逆变管的开关工作

外接控制电路

外接电路可实现由电位器、主令电器、继电器及其他自控设备对变频器的运行控制，并输岀其运行状态、故障报警、运行数据信号等。

一般包括：

外部结定电路.外接输人控制电路、外接输出电路、报警输岀电路等

大多数中小容量通用变频器中，外接控制电路往往与主控电路设计在同一电路板上・以减小其整机的体积.提再电路可靠性，降低生产成本

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si、S2与S3、S4轮流闭合和断开时，任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。

下而以U、V之间的电压为例，分析逆变电路的输出线电压。

图4—19三相逆变电路

1）•在At2时间内，VI、V4同时导通，U为“+”、V为“一SUuv为“+S且Um=UDo

2）•在At3时间内，V2,V4均截止，Uuv=0。

3）.在2X14、At5时间内，V2,V3同时导通，U“一”,V为“+”,Uuv为“一",KUm=UDo

4）•在&6时间内,VI,V3均截止，UUv=0o

根据以上分析，可画出U与V之间的电圧波形。

同理可画岀V与W之间、W与U之间的电压波形，如图4-19c所示。

从图中看岀，三相电压的幅值相等，相位互差120°0

上而讨论的仅是逆变的基本原理，据此得到的交流电圧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岀电压频率的同时改变输岀电压的幅值，以维持电动机磁通基本恒左，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。

由异步电动机泄子绕组感应电动势可得到：

%=―E—

4.44九卅Ni

式中kt——定子绕组的绕组系数；

Ni——每相定子绕组的匝数；

/i—定子电源的频率，Hz；

4>m—铁心中每极磁通的最大值，Wb°

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.使苴满足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，左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，电动机的输岀转矩将下降。

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来补偿圧子阻抗上的斥降，以保证电动机在低速区域运行时仍能得到较大的输岀转矩，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凋压和调频功能，通常将这种变频器称为变频变压（WVF）型变频器。

（3）脉冲宽度调制（PWM）技术在改变输出频率的同时，通过改变输岀脉冲的宽度（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，从而达到改变输岀电压有效值的目的。

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而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而枳之和与正弦波所包用的而积等效。

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）过转矩限左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，当电动机的输岀转矩达到该设左值时，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髙启动转矩。

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）频率设左功能

1）给立频率的设立方法有而板给左、预置给泄、外接给定三种方式。

2）基本频率fb和最高频率fmax.电动机的额怎频率称为变频器的基本频率。

当频率给左信号为最大时，变频器的给定频率称为最髙频率。

3）上限频率,5和下限频率fL上限频率与下限频率是图4-25上限频率和下限頻率几

调速系统所要求变频器的工作范用,设与fibfL对应的给泄信号分别是X"、Xl，则上限频率的泄义是：

当X>X„时，fx=f„：

下限频率的定义是:

当X

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岀频率可以从很低时开始，频率上升的快慢可以任意设肚，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）输入侧的额左值输人侧的额左值主要是电压和相数。

中小容量变频器输入电压的额泄值有以下几种（均为线电压）：

1）380V/50Hz,三相，用于绝大多数设备中。

2）200〜230V/50Hz或60Hz、三相，主要用于某些进口设备中。

3）200〜230V/50Hz,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Un是指变频器输岀电压中的最大值。

在大多数情况下，它就是输岀频率等于电动机额窪频率时的输岀电压值。

2）额左输出电流In额左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SN（kVA）变频器输出容量是决左于额定输出电流与额定输岀电压的三相视在输出功率

Sn=^3UnIn

4）适用电动机功率Ps（kW）是指以4极的标准电动机为对象，表示在额泄输出电流以内

可以驱动的电动机功率。

5）过载能力是指英输岀电流超过额左电流的允许范围和时间。

大多数变频器都规左为

150%1n.60s或180%In八0.5s。

专门用于风机、泵类负载调速的变频器规定为120%1小60s°

2.变频器的选择

变频器的选择包括类型的选择、容量的选择和外用设备的选择三方面。

（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戢的办法，以提髙低速的转矩。

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左输出电流（A）、输出容量（KVA）、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立负载，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，变频器的容疑应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，

（变频器）Imax（电动机最大电流）

（3）

变频器外伟|设备及其选择外用设备通常是指配件，分为常规配件和专用配件，如

图4一29变頻器的外围设备

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英散热途径畅通，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宜接靠墙安装，称为墙挂式乙安装。

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/周帀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，以免下面变频器中岀来的热风进人上面变频器内，如图4-31所示。

变频器在控制柜内不能上下颠倒或平放安装。

4.变颇器的接线

图4-32所示为森兰SB60/61系列变频器的基本接线图。

（1）主电路的接线主电路的基本接线如图4-33所示。

R,S.T是变频器的输人端，接电源进线。

U、V、W是变频器输岀端，与电

图4一31两台变频器在电气柜中的安装

a）横向排列b）纵向排列动机相接。

输岀端与输人端绝对不允许接错，否则会严重损坏变频器。

图4-33中的热继电器仅在电动机连续运行于10Hz以下或60Hz以上，或者一台变频器驱动多台电动机的情况下考虑使用。

其他情况下可不必使用热继电器。

变频器的输出端不能接电力电容器或浪涌吸收器。

（2）控制电路的接线变频器的控制电路大体可分为模拟和数字两种。

模拟量控制线主要包括输人侧的给左信号线和反馈线及输出侧的频率信号线和电流信号线。

由于模拟信号的抗干扰能力较低，因此模拟量控制线必

须使用屏蔽线。

课题三通用变频器的认识

图2—1—5操作面板75意图

2-1-1撮作面板上各按键的功能表

按键名称

功能

[MODE]徒

选择操作模式或设定模式功能键

[SET]键

确定频率利参数的设定.当按住大于1.5s时为对入功能

[FWD]镀

正转启动键

[REV]键

反转启动诜

［城做！

键

用于连续增、减数字，改变频率或设定参数的值

[STOP/RESET]键

停止复位謎

三4II380V接电动机短路片

b）

变频器主接线端子的介绍主接线端子见图2-1-6所示。

3.变频器控制回路端子的介绍

（1）控制回路端子如图2-1-7所示。

（2）控制回路端子功能介绍

I0E

STOP

MRS

RES

RUN

IPK

STF

STR

JOG

图2-1-6主接线端子示意图

b）

1）输人信号端子输入信号端子功能介绍见表

2）输出信号端子输出信号端子功能介绍见表2-1-50（P74页）

2-1-40（P73页）

图2-1-7控制回路端子示意图

课题四变频器基本参数的意义及设置方法

一、实训目的及要求

1.理解基本参数的意义。

2.掌握变频器的参数设定方法。

3.掌握变频器的模式切换操作和各种淸除操作。

4.掌握频率设定及监视的操作。

二、实训内容及步骤

1.基本功能参数及意义

（1）基本功能参数基本功能参数见表2-2-1（P75页）

（2）基本功能参数的意义

1）

转矩提升（Pr.0）此参数主要用于设泄电动机启动时的转矩大小，用百分数设左0时的电压值。

设泄过大，将导致电动机过热；设逹过小，启动力矩不够，一般最大值设泄为10%,如图2-2-1所示。

2）上限频率（Pr.1）和下限频率（Pr.2）这是两个设左电动机运转上限和下限频率的参数。

在这两个值确立之后，电动机的运行频率就在此范围内设定，如图2-2-2所示。

3）基底频率（Pr.3）此参数主要用于调整变频器输出到电动机的额左值，当用标准电动

机，通常设定为电动机的额定频率。

4）多段速度（Pr.4,Pr.5,Pr.6）用此参数将多段运行速度预先设立，经过输人端子进行

切换。

各输人端子的状态与参数之间的对应关系见表2-2-2

衰2-2-2各输入端子的状态与参数之间的对应关系表

输入瑞子状态

RH,RL

RH,RM

RH.RM.RL

参数号

Pr.4

Pr.5

Pr.6

Pr.24

Pr.25

Pr.26

Pr.27

Pr.24,Pr.25,Pr.26和Pr.27也是多段速度的运行参数,与Pr.4,Pr.5,Pr.6组成七种速度的运行。

在以上七种速度的基础上，借助于端子REX信号，又可实现八种速度，其对应的参数是

Pr.232—Pr.239,见表2-2-3o

«2—2—3

冬数号

REX

REX.RL

REX.RM

REX,RM,

REX.KH

REX,RH,

REX,RH.

REX.RH,

RM.RL

对应瑞子

Pr.232

Pr.233

Pr.234

Pr.235

Pr.236

Pr.237

Pr.238

Pr.239

5）加.减速时间（Pr.7,Pr.8）及加、减速基准频率（Pr.20）Pr.7设的值就是从0加速到Pr.2O所设左的频率上

的时间，Pr.8所设定的值就是从Pr.20所设定的频率减速到0的时间，如图2・2・3所示。

6）电子过流保护（pr.9）通过设泄电子过流保护的电流值，可防止电动机过热，可以得到最优的保护性能。

设垃过流保护注意以下事项：

当变频器带动两台或三台电动机时，此参数应设为0,接热继电器来保护。

2特殊电动机不能用过流保护和外接热继电器保护。

3当控制一台电动机运行时，此参数的值应设为1--1.2倍的电动机额定电流。

7）点动运行频率（Pr」5）和点动加、减速时间（Pr.16）Pr.15参数设左点动状态下的运行

频率。

可以外部模式和PU模式下操作。

8）操作模式选择（Pr.79）这是一个比较重要的参数，确左变频器在什么模式下运行

衰2—2—4Pr.79设定值及其相对应的工作模式表

Pr・79设定值

工作模式

电源接通时为外部操作模式，通过堆、诚键町以在外部和PU间切换

PU操作模式（畚数单元擾作）

外部操作模式（控制端子接线控树运行）

组合操作模式1.用参数单元设定运行'频率，外部信号控制电动机启停

组合操作模式2,外部输入运行频率.用参数单元控制电动机启停

程序运行

9）直流制动相关参数（Pr.10,Pr.11,Pr.12）Pr.10是直流制动时的动作频率,Pr.11是直流制动时的动作时间（作用时间），Pr.12是直流制动时的电压（转矩），通过这三个参数的设定，可以提高停止的准确度，使之符合负载的运行要求。

10）启动频率（Pr.13）Pr.13参数设泄在电动机开始启动时的频率，如果设左频率（运行

频率）设左的值较此值小，电动机不运转，若Pr.13的值低于Pr.2的值，即使没有运行频率（即为0）,启动后电动机也将运行在Pr・2的设左值。

其示意图如图2-2-6所示。

11）负载类型选择参数（Pr・14）用此参数可以选择与负载特性最适宜的输出特性（U/f特性）,如图2-2-7所示。

12）MRS端子输人选择用于选择MRS端子的逻借，如图2-2-8所示。

⑶参数禁止写人选择（Pr.力）和逆转防止选择（Pr.78）Pr.77用于参数写人禁止或允许，主要用于参数被意外改写：

Pr・78用于泵类设备，防止反转，具体设左值见表2-2-5o

⑵运行参数监视操作,

图2—2—9监视画面切换图

至频率设定

设定值-0

常严点闭合后停牛瑜岀输出停ikP

图2—2—8Pr.17参数恵义图

2.参数设定方法及基本功能操作

（1）按参数单元的「MODE」键，可以改变五个操作画而，如图229所示。

图2-2-10监视电流、电压操作示意图

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