变频技术教案(短训班)

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。我们知道，三相交流异步电动机的转速公式为：n=（1－s）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G加正的脉冲，VS3、VS4导通。由于GTO的电流只能从A→K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1－6a）；电路组成（图1－6b）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100次耗时2秒钟，则该交流电的频率为（D）。（A）100HZ（B）2HZ（C）200HZ（D）50HZ2、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。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：整流逆变ACDCAC~50HZ恒压恒频CVCF中间直流环节变压变频VVVF2、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+-UdCd2、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+-UdLdid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。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，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=（1－s）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？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：①将整流电压变换成直流电流（电流型）②使脉动的直流电压变得稳定或平滑（电压型）③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、中间电路交－直－交变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，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：•••+-UdABCS1S3S5S4S6S2O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S1S2S3S4S5S6，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①B、区间②C、区间③D、区间④E、区间⑤F、区间⑥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S1S2S3S4S5S6,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①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）②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/4B、Ud/2C、UdD、1.732Ud7、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，三相异步电动机每相电动势的有效值是：mgKNfE11144.4U1不变f1增大Φm减少，造成铁心未没有充分利用忽略定子压降U1＝EgU1不变(定子绕组输入电压)f1减少Φm增大，造成铁心饱