变频器与现场总线技术复习提纲.docx
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变频器与现场总线技术复习提纲
《变频器和现场总线技术》复习要点
第一章变频调速技术的基础知识
一、学习内容
1．三相交流异步电动机的调速问题
2．变频技术的概念、主要类型、变频技术的发展
3．变频调速的工作原理
4.各种电力电子器件结构特点、工作原理
5.电力电子器件的驱动电路和保护电路
6.电力电子器件的工程使用实例
二、学习目的
1．了解变频技术定义、分类
2．了解变频技术的主要类型、变频技术的发展
3．掌握变频调速的工作原理
4.掌握各种电力电子器件基本电路和工作特点
5.了解电力电子器件的驱动和保护技术
三、自我测试
1．名词
（1）交流变频调速技术？
（2）晶闸管的浪涌电流？
（3）GTO的电流关断增益？
2．简述题
（1）怎样实现变频技术？
（2）变频技术的类型有哪几种？
（3）试说明GTR三种缓冲电路的特点？
3．案例
（1）如何判断晶闸管管脚极性？
（2）功率MOSFET的保护技术有哪些？
（3）使用IGBT时，为什么要考虑过电流和过电压保护？
四、参考答案：
1．名词
（1）交流变频调速技术就是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电。
（2）浪涌电流ITSM是一种由于电路异常情况（如故障）引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。
浪涌电流有上下限两个级，这些不重复电流定额用来设计保护电路。
（3）最大可关断阳极电流IATO和门极负电流最大值IGM之比被称为电流关断增益。
一般βoff只有5左右。
βoff是GTO的一个重要参数，其值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。
2．简述题
（1）变频技术，简单的说就是把直流电逆变成为不同频率的交流电，或是把交流变成直流再逆变成不同频率的交流，或是把直流变成交流再把交流变成直流。
在这些变化过程中，一般只是频率发生变化。
（2）变频技术主要有以下几种类型：
1）交—直变频技术（即整流技术）。
它通过二极管整流、二极管续流或晶闸管、功率晶体管可控整流实观交—直流转换。
2）直—直变频技术（即斩波技术）。
它通过改变功率半导体器件的通断时间，即改变脉冲的频率（定宽变频），或改变脉冲的宽度（定频调宽），从而达到调节直流平均电压的目的。
3）直—交变频技术（即逆变技术）。
振荡器利用电子放大器件将直流电变成不同频率的交流电（甚至电磁波）。
逆变器则利用功率开关将直流电变成不同频率的交流电。
4）交—交变频技术（即移相技术）。
它通过控制功率半导体器件的导通和关断时间，实现交流无触点开关、调压、调光、调速等目的。
（3）RC缓冲电路较简单，它对关断时集电极-发射极间电压上升有抑制作用，适用于小容量的GTR（电流10A以下）。
R-C-VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。
但缓冲电路的电阻较大，不适合用于高频开关电路。
阻止放电型R-C-VD缓冲电路，常用于大容量GTR和高频开关电路缓冲器。
最大的优点是缓冲产生的损耗小。
3．案例
（1）用万用表R×1kΩ挡测量晶闸管的任意两管脚电阻，其中有一管脚对另外两管脚正反向电阻都很大，在几百千欧以上，此管脚是阳极A。
再用万用表R×10Ω挡测量另外两个管脚的电阻值，应为数十欧到数百欧，但正反向电阻值不一样，阻值小时黑表笔所接的管脚为控制极G，另一管脚就是阴极K。
（2）栅源过压保护，漏源过压保护，峰值电流保护，有效值电流保护，过热保护和静电保护。
（3）1）过电流保护。
若IGBT用于VVVF逆变器，当电动机启动时将产生突变电流，如果控制回路、驱动回路的配线欠合理，将会引起误动作，导致桥臂短路、输出短路等事故，使IGBT流过过电流。
其中，发生短路事故时，电流变化非常迅速，而且元件要承受极大的电压和电流，所以必须快速检测出过电流，在元件未被损坏之前，使其自动断开。
2）过电压保护。
IGBT关断时，由于主回路电流的急剧变化，由主回路杂散电感引起高压，产生开关浪涌电压。
设计缓冲器为最佳方案，把动态轨迹限制在安全范围之内。
第二章 交-直-交变频技术和脉宽调制技术
一、学习内容
1．实现交—直—交变频的基本电路
2．脉冲调制型变频定义及主电路原理分析
3．谐振型变频定义及三相谐振直流环节逆变器原理电路分析
4.脉宽调制调制方法和控制技术
5.脉宽调制变频技术在调速控制系统中的使用
二、学习目的
（一）识记
1．了解电压型和电流型逆变器的特点
2．理解脉冲调制和脉宽调制技术的基本概念
3．理解谐振直流环节逆变电路工作原理
4.掌握PWM控制的基本原理和PWM型逆变电路的控制方式
5.在调速控制系统中使用PWM变频技术
三、自我测试
1．名词
（1）软开关技术，硬开关技术?
（2）电压型和电流型逆变器？
（3）PWM意义？
2．简述题
（1）试述谐振型变频器的使用意义。
（2）PWM控制方式？
（3）PWM逆变器消除谐波的一般方法是什么？
（4）SPWM的控制方式有几种？
3．案例
（1）什么叫异步调制？
什么叫同步调制？
两者各有什么特点？
（2）串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？
试分析其换相过程。
（3）用霍尔传感器测取电压和电阻反馈信号的优点有哪些?
四、参考答案：
1．名词
（1）开关元件在零电压或零电流下进行开关状态转换，即软开关技术。
功率元件在大电流、高电压状态下的开关状态转换是硬开关技术。
（2）电压型逆变器。
这种变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆变器的直流侧并联有大电容，用来缓冲无功功率。
电流型逆变器。
这种变频器在直流电源上串联了大电感来进行滤波。
由于大电感的限流作用，为逆变器提供的直流电流波形平直、脉动很小，具有电流源特性，能有效地抑制故障电流的上升率，实现较理想的保护功能
（3）PWM是脉宽调制技术的简称。
2．简述题
（1）谐振型变频是利用谐振原理使PWM逆变器的开关元件在零电压或零电流下进行开关状态转换，即软开关技术。
在谐振型变频中，由于各功率器件的开关损耗近似为零，有效地防止了电磁干扰，大大提高了器件的工作频率，且减少了装置的体积和重量。
（2）PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。
也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波状，所获得的输出平滑且低次谐波少。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。
（3）有两电平PWM逆变器消除谐波和三电平PWM逆变器消除谐波两种方法。
（4）SPWM的控制方式有三种：
一是采用模拟电路。
其优点是完成三角载波信号u△和正弦波参考信号uR的比较和确定脉冲宽度所用的时间非常短，二是采用数字电路。
它可使用以软件为基础的控制模式。
三是采用模拟和数字电路相结合的控制方式。
3．案例
（1）载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制方式。
在该调制方式中，调制信号频率fr变化时，通常保持载波频率fc固定不变，因而载波比N是变化的。
这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1／4周期的脉冲也不对称。
载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制方式。
在该调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。
调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。
（2）串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是使换相电容和负载隔离，防止电容充电电荷的损失。
（3）对于直流及非正弦的交流电压和电流信号的隔离传送，最好的方法是采用霍尔电压和电流传感器。
霍尔传感器不仅可实现被测电路和反馈电路的有效隔离，还具有以下一些优点：
1）可以测量任意波形的电压和电流信号，且频带宽；
2）线性好，测量区间宽，测量精度高；
3）响应速度快；
4）过载能力强，使用安全。
第三章交—交变频技术
一、学习内容
1．交—交变频的工作原理
2．交—交变频的主电路型式
3．交—交变频类型
二、学习目的
1．了解交—交变频的主要特点，交—交变频电路的运行方式
2．掌握交—交变频的工作原理
3．掌握正弦波交—交变频器的控制电路结构
三、自我测试
1．名词
（1）交-交变频电路？
2．简述题
（1）试述交—交变频的主要特点？
（2）交—交变频电路的运行方式有哪几种？
（3）正弦波交—交变频器的控制有哪两种？
3．案例
（1）正弦波交—交变频器的控制有何特点？
四、参考答案：
1．名词
（1）交-交变频电路是不通过中间直流环节，而把电网固定频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变频电路。
2．简述题
（1）交-交变频电路的主要特点为：
1）因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高；
2）由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好；
3）因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低，为电网频率的三分之一左右；
4）功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。
（2）运行方式主要有无环流运行方式、自然环流运行方式和局部环流运行方式。
（3）正弦波交—交变频器的控制也有电压控制型和电流控制型两种。
3．案例
（1）电压型变频器的输出是电压，其输出电压跟随给定信号变化，受负载电流变化影响小。
电流型变频器的输出是电流，其输出电流跟随给定信号变化，受负载电压变化影响小。
第四章变频器的选择和容量计算
一、学习内容
1．变频器的控制方式
2．变频器的选择
3．变频器容量计算
二、学习目的
1．了解变频器的基本概念、变频调速的优点、变频器的分类
2．掌握变频器各种控制方式的工作原理
3．掌握负载系统变频器的选择要点
三、自我测试
1．名词
（1）变频器的定义
（2）负负载的定义
（3）变频器的容量定义
2．简述题
（1）变频调速的优点有哪些？
（2）简述变频器的分类。
（3）简述开环速度控制和闭环速度控制。
（4）简述变频器容量选择的注意事项。
3．案例
（1）张力控制变频器的特点有哪些？
（2）对于只需在短时间内能进行加减速响应系统选择变频器的要点。
（3）变频器的选择要点有
四、参考答案：
1．名词
（1）变频器是使用变频技术制造的一种静止的频率交换器，它是利用半导体器件的通断作用将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相或单相）变换成频率连续可调的交流电的电能控制装置。
（2）几乎所有电机都是要克服来自负载的阻碍旋转的反抗转矩。
使负载向着所要求的方向旋转。
此时电机产生的转矩，其方向同旋转方向一致。
反之，要求电机产生和其转向相反转矩的负载时称为负负载。
（3）变频器的容量一般用额定输出电流（A）、输出容量（kVA）、适用电动机功率（kW）来表示。
其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流的有效值。
输出容量是决定于额定输出电流和额定输出电压的三相视在输出功率。
2．简述题
（1）变频调速主要有以下的优点：
1）控制电机的启动电流；
2）降低电力线路电压波动，启动时需要的功率更低；
3）可控的加速功能和可调的运行速度；
4）受控的停止方式；
5）节能；
6）减少机械传动部件。
（2）变频器的分类：
1）按变换环节分为交一交变频器和交一直一交变频器；
2）按直流环节的储能方式分为电流型变频器和电压型变频器；
3）按工作原理分为U／f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器；
4）按用途分为通用变频器、高性能专用变频器和高频变频器。
（3）如果笼型电机的电压、频率一定，因负载变化引起的速度变化是非常小的。
额定转矩下的转差率决定于电机的转矩特性，转差率大约为1%～5%。
对于平方转矩负载（如风机、泵等），并不太要求快速响应，常用开环控制。
为了补偿电机速度的变化，将可以检测出的物理量作为电气信号负反馈到变频器的控制回路，这种控制方式称为闭环控制。
速度反馈控制方式是以速度为控制对象的闭环控制。
（4）变频器容量选择的注意事项：
1）变频器并联追加投入起动时，其容量和同时起动时相比要大些。
2）根据负载的种类往往需要过载容量大的变频器。
3）电机的实际负载比电机的额定输出功率小时，可选择和实际负载相称的变频器容量。
4）用选定的变频器和电机不能满足负载所要求的起动转矩和低速区转矩时，变频器和电机的容量还需要再加大。
3．案例
（1）一般张力控制多以转矩控制为基础，而其他控制对象多以速度控制为基础。
另外，不管哪一种控制方式，通常都是以滚筒和被加工物之间不产生滑动为前提条件。
（2）1）电机和机械的puGD2要小；
2）选用过负载容量大的机器；
3）选用具有完全的限流功能的变频器。
（3）简述负负载系统变频器的选择要点。
1）考虑制动转矩和负载转矩之间的关系；
2）为了确保变频器跳闸时的安全，要并用机械式制动器；
3）使用制动单元时，必须使再生过压失速的防止控制无效，或者使制动单元的动作直流电压的给定值确实低于再生过压失速防止的值；
4）注意散热。
第五章变频器的安装接线、调试和维修
一、学习内容
1．变频器的原理框图及接线第三节 变频器的控制电路接线及注意事项
2．变频调速系统的主电路接线及面板操作
3．可编程控制器和变频器的连接及PLC控制梯形图编写方法
4.变频器的保护功能及故障诊断
二、学习目的
1．了解变频器的基本结构，掌握变频器输入输出控制端子功能及使用。
2.掌握变频器操作方法和功能参数码设定值的对应关系。
3.掌握可编程控制器和变频器的连接方法，及PLC程序设计方法。
4.了解变频器的维修和检查一般方法变频调速系统的调试
三、自我测试
1．名词
（1）电抗器的作用。
（2）滤波器的作用。
（3）西门子MM440变频器，参数中以字母P开头的是意义。
2．简述题
（1）变频器输入侧接触器的功用有哪些？
（2）用MM440变频器怎样设定电动机的最小频率和最大频率？
（3）MM420变频器为了把变频器的全部参数复位为工厂的缺省设定值，应怎样设定参数？
3．案例
（1）变频器接线时应注意哪些问题？
（2）MM420变频器固定频率的设定。
（3）变频器的控制电路的设计。
四、参考答案：
1．名词
（1）变频器的输入电流中含有许多高次谐波成分，这些高次谐波电流都是无功电流，使变频调速系统的功率因数降低到0．75以下。
所以，在容量较大的变频调速系统中，应考虑接入电抗器，以提高功率因数。
（2）滤波器就是用来削弱变频器的输入和输出电流中都含有的较高频率的谐波电流，以防止变频器对其他设备的干扰。
（3）西门子MM440变频器，参数中以字母P开头的是功能参数。
2．简述题
（1）1）可通过按钮开关方便地控制变频器的通电和断电；
2）当变频器发生故障时，可自动切断电源。
3）选择接触器时，触点的额定电流应大于变频器的额定电流。
（2）用参数P1080来设定电机的最小频率，用参数P1082来设定电机的最大频率。
（3）1）设定P0010＝302）设定P0970＝1
3．案例
（1）接线时应注意以下几点，以防接错：
1）输入电源必须接到R、S、T上，输出电源必须接到端子U、V、W上，若错接，会损坏变频器。
2）为了防止触电、火灾等灾害和降低噪声，必须连接接地端子。
3）通电后，需要改接线时，即使已经关断电源，也应等充电指示灯熄灭后，用万用表确认直流电压降到安全电压（DC25V以下）后再操作。
若还残留有电压就进行操作，会产生火花，这时先放完电后再进行操作。
（2）进行MM420变频器固定频率的设定需设定值：
P1000=3，P0701=17，P0702=17，P0703=17。
固定频率值从-650KHz～+650KHz最多可设定7个固定频率。
（3）变频器控制电路主要由以下部分组成：
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。
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，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。
第六章变频技术综合使用
一、学习内容
1．西门子MM440变频器调速技术的使用技能
2．变频技术在空调设备上的使用
3.变频技术在电梯设备上的使用
二、学习目的
1.了解高频照明特点、变频电源的定义。
2.掌握变频技术在空调设备上的使用。
3.掌握中央空调系统的构成及变频控制原理
4.变频技术在电梯设备上的使用技能。
三、自我测试
1．名词
（1）变频电源
（2）不间断电源（UPS）
（3）基本频率和频率分辨率
2．简述题
（1）变频电源有哪些类型？
（2）MM440变频器的参数P0003具有什么功能？
（3）变频器的PID控制具有的调节功能包括哪些环节？
3．案例
（1）分析中央空调变频控制的使用。
（2）分析家用空调的组成及工作过程。
（3）西门子MM440主站方式设定。
四、参考答案：
1．名词
（1）变频电源就是从动力电或市电转换为所需要的直流电或交流电的电源转换装置。
（2）UPS是一种恒压型不间断电源，有交流工频式，也有直流输出式。
主要用于瞬时断电或事故停电即时辅助供电，并维持一定的时间，以免停电损失。
（3）当变频器的输出电压等于额定电压时所对应的输出频率，成为基本频率。
2．简述题
（1）变频式电源主要是开关稳压式电子电源，有工频式（50Hz）、中频式（15kHz以下）、高频式（16kHz以上）之分。
具有体积小、重量轻、效率高、功率因数高等优点，是电源装置发展的方向。
（2）参数P0003有三个用户访问级即标准访问级（P0003=1）；扩展访问级（P0003=2）和专家访问级（P0003=3）。
（3）变频器的PID控制包含比例（P）环节、积分（I）环节、微分（D）环节。
3．案例
（1）中央空调系统的变频控制主要体现在变风量控制和冷水泵控制通过变频器对空调机的送风机进行风量控制，即改变风机电动机的转速来调节风量，以达到节能的目的。
利用变频器控制空调设备的冷水，在负荷较小时，可使泵的转速下降一些，调节冷水泵控制送风温度，以达到节电的目的。
（2）家用空调分为室内机和室外机其工作过程为：
室内机的温传感器将设定温度和运行情况等信息传送给室外部分。
室外机分析这些信息，了解温差和室温变化的时间等，然后计算并指定压缩机电机的频率。
开始运行时，如果室温和设定温差很大，采用高频运行，随着温差的减小而采用低频运行。
在室温急剧变化时，使频率变化幅度大，缓慢时使频率变化范围小，并在平衡冷暖气负载和压缩机输出的同时，以最短的时间使室温达到所希望的值。
（3）西门子MM440主站方式：
在“Master（主站）”操作方式下，AOP最多可以控制按多站配置连接的31台变频器。
通过对变频器常规参数和AOP内部参数的访问，各台变频器仍然可以完全由操作员来控制。
第七章网络通信基础
一、学习内容
1.现场总线的特点和分类、现场总线的现状、现场总线的标准、总线的基本概念和操作。
2.数据的调制和编码技术
3.数据交换技术
4.差错控制技术
二、学习目的
1．了解现场总线技术的网路通信知识和原理
2．掌握现场总线控制系统的设计、硬件选用、安装、检修和编程调试方法。
3．掌握运行过程中的数据处理方法
三、自我测试
1．名词
（1）现场总线定义。
（2）互操作性定义。
（3）开发式互联网定义。
（4）基金会总线定义。
（5）CAN总线定义。
（6）总线协议定义。
（7）计算机网络拓扑定义。
（8）Profibus现场总线定义。
（9）INTERBUS现场总线定义。
（10）总线主设备和从设备定义。
（11）计算机网络拓扑结构定义。
（12）总线操作定义。
（13）电路交换定义。
（14）计算机网络互联概念。
（15）计算机网络差错控制编码概念。
（16）总线控制信号定义。
（17）串行通信定义。
2．简述题
（1）现场总线的本质含义表现在那几方面？
（2）计算机网络通信方式按照信息的传输方向分哪几类？
（3）现场总线控制系统最显著的特征。
（4）现场总线的结构特点是什么？
（5）现场总线的分类？
（6）CAN总线分类？
（7）怎样进行总线的数据传送？
（8）计算机网络差错控制法是怎样进行的？
（9）计算机网络怎样执行令牌访问控制方式？
（10）总线操作的基本内容有哪些？
（11）计算机网络通信的传输模式分哪几类？
（12）计算机网络拓扑分哪几类？
（13）计算机树形拓扑结构特点？
（14）计算机网络在数据通讯系统中，通常采用哪几种数据交换方式?
（15）计算机网络在载带传输中常用的数据方式？
（16）计算机网络在载带传输中常用的数据表示方法？
（17）FCS作用和特点？
3．案例
（1）现场设备互联。
（2）现场总线技术的基本内容。
（3）现场总线控制系统。
（4）现场总线系统的数字化信号传输。
（5）现场总线系统对环境的适应性。
（6）FF体系结构。
（7）Profibus现场总线的组成。
（8）INTERBUS远程网络和本地网络工作方式。
（9）国际标准化组织（ISO）的现场总线标准。
（10）计算机网络局域网和广域网的互联分类及实现方法。
（11）计算机环形拓扑结构。
（12）计算机星形拓扑结构的优点。
（13）总线的寻址。
（14）计算机总线拓扑结构特点、优点。
（15）计算机网络数据交换技术提供的功能及分类。
（16）计算机网络虚电路分组交换
（17）计算机网络奇偶校验码定义及分类。
四、参考答案：
1．名词
（1）现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
（2）所谓互操作性是指来自不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。
（3）现场总线为开放式互联网，即可和同层网络互连，也可和不同层网络互连。
现场总线协议是一个完全开放的协议。
（4）现场总线基金会（FF）是一个国际性的协会组织，该组织是一个以非盈利为目的的机构，它的前身是以前国际上的两大现场总线阵营ISP和WorldFIP。
ISP是互相可操作系统协议。
WorldFIP是世界工厂仪表协议。
（5）CAN总线是控制局域网网络的简称，是由德国Bosch公司推出的，CAN总线采用ISO/OSI参考模型中的物理层、数据链路层和使用层。
它是一种具有高可靠性、支持分布式实时控制的串行数据网络。
（6）总线协议：
管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”。
这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。
（7）计算机网络拓扑是通过网中节点或节点和通信线路之间的几何关
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