变频器教案

教案首页课程名称变频器应用技术班级计划课时2周次授课方法讲授教具教学内容绪论§1-1三相异步电动机§1-2三相异步电动机的起动和制动教学目的1．掌握课程性质、内容；2．复习三相异步电动机的相关知识。重点、难点重点：三相异步电动机在变频的同时须变压的原因；难点：变频调速的两种情况。复习提问三相异步电动机旋转磁场的转速、转差率、转速；三相异步电动机的机械特性曲线及其特殊点；三相异步电动机的起动和制动方法。作业习题：1-5、1-6、1-9课后小结1．变频器的概念、用途、发展历程、应用现状、发展趋势；2．课程内容、特点及学习的要求；3．三相异步电动机的起动、制动和调速方法；4．变频调速的种类及特点。教案附页教案内容附记绪论一、概述“变频器应用技术”是“数学”、“物理”、“电工基础”、“电子技术”、“电力电子技术”、“电力拖动”、“电气控制”等课程的后续课程，同时又与“交直流调速系统”、“ＰＬＣ控制技术”等专业课程有着横向联系。变频器是由计算机控制电力电子器件、将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备，用以驱动交流电动机进行连续平滑的变频调速。二、变频器的发展历程1．直流调速系统的优缺点：调速系统结构简单、调速平滑、调速性能好，但直流电机本身结构复杂、价格较贵、维护不方便。2．交流调速系统的优缺点：电动机结构简单、工作可靠、价格低廉、规格较多，但调速不连续。3．变频器的诞生和发展：基于交流异步电动机连续调速的设想，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术的发展而发展。三、我国变频器的应用现状1．起步较晚；2．目前，进入“黄金时期”；3．变频调速的效果：节能、提高速度和精度、提高生产率和产品质量、延长设备使用寿命、增加使用者的舒适度；4．变频器的应用目前不足十分之一，原因是变频器应用人才的缺乏。四、变频器的发展趋势1．向专用型方向发展；2．向人性化方向发展；3．易用性不断提高；4．功率结构模块化；5．智能化；6．内置电抗器减小谐波影响。五、课程的性质和任务“变频器应用技术”是一门应用性较强的专业课程，课程的主要任务5分钟：强调变频器的概念5分钟：讲授5分钟：强调变频器的应用现状5分钟：讲授、举例2分钟教案附页教案内容附记是使学生牢固掌握变频器应用的基础知识和正确安装使用变频器的基本技能。六、课程特点及学习的要求1．涉及面广变频器是高科技的产品，技术含量高；2．实践性强侧重变频器的外部应用；3．变频器的选择、安装、程序编制需要相互协调，细小的疏忽可能会导致严重后果；4．学习中要处理好以下几个关系：（1）理论分析的基础性、连贯性与实用性；（2）与其他专业课程的关系：纵向、横向；（3）具体的应用方法与一般的应用能力──前者是学习的形式，后者是学习的目的。5．要求与考核标准（1）课堂要求；（2）作业要求；（3）成绩评定a、作业、测验成绩；b、实验报告成绩；c、技能测验成绩；d、课堂讨论成绩；e、期末试卷成绩；第一章基础知识第一节三相异步电动机在变频调速拖动系统中，使用的电动机大多数是三相异步电动机。一、三相异步电动机结构及工作原理1．结构定子：定子铁心、定子绕组；转子：转子铁心、转子绕组、转轴。2．旋转磁场与转差率（1）旋转磁场8分钟10分钟：以复习方式讲解教案附页教案内容附记旋转磁场的产生；旋转磁场转速（同步转速n1）：n1=60ƒ1/p式中：n1——旋转磁场转速，又称为同步转速，单位为r/min；ƒ1——电源的频率，单位为Hz；p——电动机的磁极对数。n1的旋转方向与电源的相序相同；（2）转差率s根据转子结构不同电动机分为笼型异步电动机：变频调速中采用线绕型异步电动机：变频调速中较少采用①转速差△n△n=n1-n式中：n---转子的转速n1---旋转磁场的转速②转差率ss=(n1-n)/n1起动瞬间，n=0，s=1；额定转速运行时，s很小，约为0.02～0.06；空载运行时，n略小于n1，s≈0。（3）转子转速nn=(1-s)60ƒ1/p总结影响转子转速n的因素及三相异步电动机的调速方式。二．三相异步电动机的电磁特性1.感应电动势E1E1=4.44K1N1ƒ1Φm=U1+△U式中:E1——定子绕组的感应电动势有效值K1——定子绕组的绕组系数，K11N1——定子每相绕组的匝数ƒ1——定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率Φm——主磁通可见：E1∝ƒ1Φm将△U忽略，则E1≈U1∝ƒ1Φm5分钟：以复习方式讲解教案附页教案内容附记2.U1/ƒ1=常数异步电动机工作时一般要求其转矩恒定，因此要在额定电压、额定频率以及额定磁通下进行设计。其主磁通Φm选在铁芯磁化曲线的接近饱和处，其值基本不变。如ƒ1下降，U1不变，则Φm上升进入磁化曲线的饱和区，引起工作电流大幅度增加，使电动机过热损坏。如ƒ1上升，U1不变，则Φm下降，将使工作电流下降。由于电流的下降，电动机的输出转矩不足。为了保持电动机的Φm不变，必须使U1与ƒ1的比值保持恒定，即U1/ƒ1=常数转矩补偿：变频器在ƒ1很低时，U1也很低。此时定子绕组上的电压降△U在电压U1中所占的比例增加，将使定子电流减小，从而使Φm减小，这将引起低速时的输出转矩减小。可用提高U1来补偿△U的影响，使E1/ƒ1不变，即Φm不变，这种控制方法称为电压补偿，也称为转矩补偿。三、三相异步电动机的机械特性电动机的电磁转矩T与转子转速n之间的关系，称为电动机的机械特性，即n=ƒ（T）如图所示。下面讨论曲线上几个特殊的转矩：Tst、TN、TM四、三相异步电动机的调速方法1．变极调速：属有级调速，调速级数很少。只适用于特制的笼型异步电动机，这种电动机结构复杂，成本高。2．变转差率调速：变转差率调速一般适用于线绕型异步电动机或滑差电动机。具体的实现方法有转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等等。但随着s的增大，电动机的机械特性会变软，效率降低。5分钟：强调U1/ƒ1=常数的原因5分钟：以复习方式讲解10分钟：主要讲授变频调速的两种情况教案附页教案内容附记3．变频调速：变频调速具有调速范围宽，调速平滑性好，调速前后的不改变机械特性硬度，调速的动态特性好等特点。其机械特性如图1-3所示。图中的机械特性可分成两种情况⑴基频以下的恒磁通（转矩）变频调速基频：指电动机的额定频率。在基频以下调速时，采用U/ƒ控制方式以保持主磁通Φm的恒定。且此过程中，TM恒定，电动机带动负载的能力不变，转速差△n基本不变，所以调速后的机械特性平行地移动，电动机的输出转矩不变，属于恒转矩调速。当ƒ1较低时，电动机的带动负载能力会变小，可采用电压（转矩）补偿方法来提高电动机带动负载的能力，其机械特性曲线如下图虚线所示。⑵基频以上的弱磁（恒功率）变频调速由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率由额定值向上升高时，定子电压不可能随之升高，只能保持在额定值不变。这样必然会使Φm随着ƒ1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。由于TM∝（U1/ƒ1）2，保持U1恒定时，TM随着ƒ1的升高而下降，因此电动机的带负载能力减小；随着ƒ1的升高，Φm下降，电磁转矩T下教案附页教案内容附记降，而转速上升，属于近似恒功率调速。第二节三相异步电动机的起动和制动一、起动1.要求：有不太大的起动电流足够大的起动转矩动态转矩△T很小但实际情况恰恰相反2．起动方法：直接起动：起动电流大，约为IN的4~7仅适用于小容量的电动机；降压起动：自耦变压器降压起动；串电阻或电抗器降压起动；Y-△降压起动；低频起动：降低电动机的起动频率。3.低频起动的优点：转速差△n被限制在一定的范围，起动电流也被限制在一定范围内，动态转矩△T很小，起动过程平稳。二、制动电动机的制动状态是指电磁转矩T与转子转速n方向相反的状态。制动方式：直流制动：又称能耗制动，制动目的是使电动机停止转动，可用于变频调速系统；回馈制动：又称再生制动，制动目的是使电动机稳速运行，可用于变频调速系统；反接制动：可使电动机快速停车，通常不用于变频调速系统；1．直流制动(1)直流制动原理简介。(2)直流制动过程由电动运行状态的A点平跳至曲线②的B点，在制动转矩和负载转矩共同作用下沿着曲线②减速，直到n=0，直流制动结束。(3)实质将转子中储存的机械能转换成电能，并消耗在转子电阻5分钟：以复习方式讲解15分钟：重点讲解回馈制动教案附页教案内容附记上。(a)直流制动的原理(b)直流制动的机械特性曲线图中①为原电动运行状态机械特性曲线；②为直流制动运行状态机械特性曲线2．回馈制动(1)回馈制动原理(2)回馈制动的条件：nn1起重机下放重物时：重力作用使电动机转速n沿曲线①增加，使nn1变频调速过程中的瞬间：由于机械惯性，电动机转速n来不及变化，使nn1（ƒ1降低后对应的转速）工作点由A点平跳至C点，使电动机沿着曲线②减速。(3)回馈制动的实质：将轴上的机械能转换成电能，回馈给电源。曲线①第一象限为电动机电动运行状态；曲线①第二象限起重机下放重物时电动机处于回馈制动状态；曲线②第二象限频率降低时电动机处于回馈制动状态。5分钟：小结、作业教案首页课程名称变频器应用技术班级计划课时2周次授课方法讲授教具教学内容§1-3电力电子器件简介§1-4脉冲宽度调制（PWM）原理教学目的1.了解各种电力电子器件结构及特性；2.掌握脉宽调制的基本原理及逆变电路的变压变频原理；重点、难点重点：脉宽调制的基本原理难点：逆变电路的变压变频原理。复习提问1.三相异步电动机在变频的同时须变压的原因；2.变频调速的两种类型及各自适宜的负载类型；作业习题：1-7、1-13、1-15课后小结1．常见IGBT等电力电子器件结构和特性的介绍；2.脉宽调制的基本原理：面积等效原理；3．SPWM逆变电路的变压变频原理。教案附页教案内容附记第三节电力电子器件简介在定性分析变频电路时，可将电力电子器件作为理想开关来对待。常见的电力电子器件有如下几种：一、晶闸管（SCR）1．结构与电路符号：电气图形符号内部等效电路伏安特性曲线2．特性：其伏安特性是指SCR的阳极阴极之间电压和阳极电流关系。3.通与关断条件:是极和阴极间承受正向电压时，在门极和阴极间也加正向电压。当阳极电流上升到掣住电流（使晶闸管由关断到导通的最小电流）后，门极电压信号即失去作用，若撤去门极信号，晶闸管可继续导通；使晶闸管阳极电流IA小于维持电流IH，管子会自然关断。维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。4．优缺点：SCR属于电流控制型元件，其缺点是控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低等。SCR的优势在于电压、电流容量较大，目前仍广泛应用在可控整流和交-交变频等变流电路中。二、门极可关断晶闸管（GTO）1．结构：GTO是一种多元功率集成器件，它是由十几个甚至数百个共阳极的小GTO元组成。小GTO元内部是PNPN四层半导体结构，它的三个引出极也分别为阳极A、阴极K、门极G，其电气图形符号如下图所示。2．特性:其伏安特性是指GTO的阳极阴极之间电压和阳极电流关系。与SCR的特性相似。3．导通与关断条件：导通条件与SCR相同，但关断时门极需要负脉冲。4．优缺点：GTO属于电流控制型元件，其缺点是驱动功率大，驱5分钟：复习提问4分钟：以复习方式讲解4分钟：强调器件特点教案附页教案内容附记动电路复杂；关断控制易失败，工作频率不够高，一般在10KHz以下。它的优势在于电压、电流容量较大，目前其电压可达到6000V、电流可达到6000A，多应用于大功率高压变频器。三、电力晶体管（GTR）1．结构单管GTR结构与普通的双极结型晶体管类似，多采用NPN结构，其电气图形符号如图所示。变频器用的GTR一般是GTR模块，它是将两只或四只、六只甚至七只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，这样的结构是为了耐高压、大电流，开关特性好。2．特性GTR的伏安特性曲线表示GTR的基极电压和集电极电流的关系。3．导通原理:和普通晶体管一样，是一种电流放大器件，有三种基本工作状态，即截止、放大、饱和。在变频电路中，GTR作为开关器件，应在截止（关）和饱和（开）两种状态之间交替，不允许工作在放大状态，否