变频器技术及应用课程教学设计第四章变频器及其操作Word文件下载.docx

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频率范围为0~400Hz（指通用变频器）,0~120Hz（指水泵、风机用的变频器）；

电压范围为0~380V（或440V、660V，指低压变频器）。

图为变频器在电路中的位置

异步电动机定子磁场的转速n0又称为同步转速，n0=60fp，单位为r/min。

这里f是频率，p是电动机磁极对数。

转速与极对数的关系见表。

表为转速与极对数的关系

异步电动机的实际转速n总是小于n0，转差率为

s=n0-nn

一般s在1%~5%范围内，它取决于气隙大小、硅钢片质量、铜耗、铁耗、风阻、摩擦、电动机结构等因素，见表。

表为实际转速与同步转速的关系

整理后，异步电动机的转速为

n=60fp（1-s）

对笼型异步电动机只有改变频率f才是既经济又无级的调速方式。

改变频率又称变频，而变频器就是起到这个作用的装置。

1.恒转矩调速

f≤50Hz时，电动机定子绕组内的感应电动势为

El=4.44fWRw1Φ1

式中W——定子绕组的匝数；

Rw1——绕组系数；

Φ1——电动机每极磁通。

定子电压U1和定子绕组的感应电动势E1的关系为

U1=E1+I1Z1

式中Z1——定子绕组每相阻抗；

I1——定子绕组相电流。

若忽略定子压降I1Z1，则U1≈4.44fWRw1Φ1，令k=4.44fWRw1，则E1=kfΦ1，

所以Φ1≈E1kf∝U1f。

在频率f下降时，若u1不变，则Φ1上升，要产生铁芯的磁通饱和现象，为使磁通不变，必须在f下降时使u1同时下降，

U1kf为常数，才可使磁通不饱和。

这样电磁转矩T与U1f1成正比，即电动机拖动负载能力不发生改变。

所以，变频时一定还要变压。

这种恒磁通变频变压调速方式，又称为恒转矩调速，如图所示。

2.恒功率调速

f>

50Hz时，U1f下降，但U1不能高于电动机的额定电压，这样f增加，U1不变，则Φ1≈

U1kf变小，电磁转矩也变小，但f上升，电动机转速n增加。

若令角速度w=2πf，则电动机的功率P=Tw,即T=Pw。

所以，w上升即f上升时，T下降，从而使功率P不变，这种升频定压调速称为恒功率调速，如图所示。

图为恒功率变频调速的机械特性

任务二掌握变频器的特性及选用

阶段一变频器的工作特性

1.变频器工作特性（见图

从图可知，f=0~50Hz是恒转矩区，即T=C,这时功率P呈线性上升。

f=50~400Hz是恒功率区，即P=C，这时转矩T呈非线性下降。

在实际使用变频器时，必须要注意的是负载的机械特性要与变频器的工作特性很好地相互匹配，这样才能更好地发挥变频器的应有作用。

图为变频器的工作特性

2.变频器的外特性（见图）

变频器的外特性是讨论变频器的输出频率f，f是函数，一般是线性关系，常用的有以下几类。

（1）U=400V,f=60Hz,Uf=40060=6.67;

（2）U=380V,f=50Hz,Uf=38050=7.6;

（3）U=380V,f=60Hz,Uf=38060=6.3。

图为变频器的外特性1—U=400V，f=60Hz；

2—U=380V，f=50Hz；

3—U=380V，f=60Hz

表为输出电压与频率的实测值，供参考。

表为输出电压与频率的实测值

为了配合不同负载，根据低频补偿的使用要求，VF曲线可人为设定选用，以更好地发挥变频器的使用功效（见图）。

图为不同负载时的VF特性选择

（a）使用一般用途恒转矩负载；

（b）使用风机、水泵二次方减转矩负载或三次方减转矩负载

（c）使用高启动转矩、小的或大的负载；

（d）适用一般机床、工具机、主轴

阶段二变频器的选用

1.使用变频器的目的及效果

变频器的应用范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的场合都可装置变频器，对设备来讲，使用变频器的目的主要有以下3点。

（1）对电动机实现节能。

使用频率范围为0～50Hz，具体值与设备类型、工况条件有关。

（2）对电动机实现调速。

使用频率范围为0～400Hz，具体值按工艺要求而定，受电动机允许最大工作频率的制约。

（3）对电动机实现软启动、软制动。

频率的上升或下降，可人为设定时间，实现启、制动平滑无冲击电流或机械冲击。

2.选用变频电动机的场合

一般交流异步电动机配用变频器时，电动机不需要更换，这就减少了投资，但在下列情况时，要选用专门的变频电动机。

（1）工作频率大于50Hz时（甚至高达200～400Hz，在相应转速下工作，一般电动机不能胜任其机械离心力）。

（2）工作频率小于10～20Hz，长期重负载工作时（因通风量减少，一般电动机要产生过热，电动机绝缘受损）。

（3）调速比D=nmaxnmin较大（如D≥10）或频率变化频繁的工作条件下。

（4）调速比D较大，工作周期又不长，甚至正、反转交替，飞轮力矩GD2也大，要实现能量回馈制动的工作方式的情况下。

（5）传动需要，用变频电动机更合适的情况。

3.变频电动机的主要特点

（1）散热风扇由独立的恒速电动机带动，与转子的转速无关，风量为定值。

（2）机械强度设计可确保在最高速使用时安全可靠。

（3）磁路设计适合最高和最低使用频率的要求。

（4）高温条件下的绝缘强度设计比一般电动机有更高的要求。

（5）高速时产生噪声、振动、损耗等都不大。

（6）价格比一般电动机贵，一般是1.5～2倍。

4.负载的机械特性

各行业使用的机械设备结构，原理各不相同，其负载类型及相关参数见表。

水泵、风机变频调速后的节电率见表。

任务三典型变频器的原理和接线

阶段一典型变频器的原理

典型变频器的原理框图如图所示。

图为典型变频器的原理框图

变频器主要有以下几个主要部件。

1.主电路

对低压变频器来说，其主电路几乎均为电压型交—直—交电路。

它由三相桥式整流器（即AC/DC模块）、滤波电路（电容器C）、制动电路（三极管VT及电阻R）、三相桥式逆变电路（IGBT模块）等组成。

2.驱动板

驱动板主要由IGBT的驱动电路、保护电路、开关电源等组成。

3.主控板

主控板主要由CPU故障信号检、I/O光耦合电路、A/D和D/A转换、EPROM、16MHz晶振、通信电路等组成，多数采用贴片元件（SMT）波峰焊接技术。

4.操作盘及显示

操作盘用于输入I/O操作信号，用LED（或LCD）来显示各种状态。

5.电流传感器

电流传感器用于得到电流信号。

阶段二典型变频器的接线

日本富士FRFR5000G11S型变频器接线，如图所示。

图为日本富士FR5000G11S型变频器接线

1.主电路连接

（1）符号G为变频器箱体的接地端子，为保证使用安全，该点应按国家电器规范要求接地，接地电阻不大于4Ω。

（2）变频器、的电源输入端子用R/L1、S/L2、T/L3表示。

建议选用带有漏电保护的空气电路接至三相电源，连接时不需要考虑相序。

不允许以空气电路开关来启动或停止变频器，应采用面板操作键来控制。

（3）变频器电源输出端子用U、V、W表示。

按使用要求确定正转或反转，若转向不对，任意调换两相即可。

输出端严禁接电容器和浪涌吸收器。

与电动机之间连线不宜过长，对功率不大于3.7kW的电动机，长度应小于50m,否则要增设线路滤波器。

（4）直流电抗器接于端子P1和P/+，目的是改善功率因数。

出厂时两端子短路连接，当使用支流电抗器时，首先去除，再连接直流电抗器。

（5）外部制动电阻连接于端子P/+和PR之间。

当功率不大于7.5kW时，变频器有内置制动电阻。

2.主电路端子的端子排列与电源、电机的接线

主电路端子的端子排列与电源、电机的接线如图所示。

图为主电路端子的端子排列与电源、电机的接线

（1）电源线必须连接至R/L1、S/L2、T/L3。

绝对不能接U、V、W，否则会损坏变频器。

（没有必要考虑相序。

）

（2）电机连接到U、V、W。

接通正转开关（信号）时，电机的转动方向从负载轴方向看为逆时针方向。

3.电线、接线长等

（1）适用电线尺寸。

为使电压降在2%以内，应选定推荐的电线尺寸。

变频器和电机间的接线距离较长时，特别是低频率输出时，会由于主电路电缆的电压降而导致电机的转矩下降。

接线长为20m时的举例见表。

电线间电压降的值的计算公式为

电压降［V］=3×

电线电阻［mΩ/m］×

布线距离［m］×

电流［A］1000

接线距离长或想减小低速侧的电压降（转矩减小）时请使用粗电线。

（2）接地的注意事项。

电机及变频器必须接地。

①接地的目的。

电气设备一般都带有接地端子，使用时必须将其接地。

②接地方法和接地施工。

如前所述，接地的目的大致分为防止触电和防止噪声引起误动作两类。

a.变频器的接地尽量作为专用接地，如图所示。

不采用如图（a）所示的专用接地时，可以采用在接地点与其他设备连接的共用接地，如图（b）所示。

必须避免如图（c）所示的与其他设备共用接地线接地的情况。

b.接地线尽量用粗线。

c.接地点请尽量靠近变频器，接地点尽量短。

d.接地线的接线请尽量远离噪声敏感型设备的输入输出接线，并且平行距离越短越好。

图为接地方法与接地施工（a）专用接地——最佳；

（b）共用接地——佳；

（c）共用接地——不可

技能训练四变频器的认识与拆装

1.实训目的

（1）熟悉通用变频器的结构及各部分的作用，并能解释具体的通用变频器型号。

（2）掌握通用变频器外壳和端子盖板的拆卸和安装。

（3）熟悉通用变频器主回路接线端子和控制回路接线端子的名称及功能。

（4）熟悉变频调速系统的组成。

2.实训设备与器件

电力电子技术实训装置、万用电表、开关、导线、常用电工工具、通用变频器等。

3.实训步骤与要求

（1）熟悉实训装置，了解通用变频器的型号。

认真观察所配的实训装置，找出变频调速系统的各组成元器件，熟悉各元器件的名称、型号及铭牌。

本项目以FRENIC5000G11S/P11S系列变频器为例。

图为变频器型号解释

（2）熟悉通用变频器的结构。

①通用变频器的外观结构。

变频器的外观结构如图所示。

图为通用变频器的外观结构

②变频器的前盖板、键盘面板和通风盖。

a.变频器前盖板的拆卸：

先松开变频器前盖板的安装螺丝，然后握住盖板的上部，卸下前盖板，如图所示。

图为通用变频器前盖板的拆卸

b.拆卸变频器的键盘面板：

在卸下前盖板的情况下，松开键盘面板固定螺钉，如图所示，

图为通用变频器的键盘面板

按如图所示方法卸下键盘面板。

图为通用变频器键盘面板的拆卸

c.卸下变频器的通风盖：

变频器的顶部装有一个通风盖，在其底部有2个或3个通风盖。

在卸下前盖板的情况下，按如图所示直接用手指或旋具从内部推出中间外盖的通风盖。

图为通用变频器通风盖的拆卸

（3）通用变频器接线端子。

认真观察通用变频器的各接线端子，并了解各端子的名称和功能。

已拆下前盖板后的通用变频器外观及各接线端子如图所示。

主电路端子和接地端子说明见表，

控制电路端子说明见