廊坊职业技术学院教案 课程名称:变频器应用技术 授课专业:电气自动化技术 授课班级:高职电气自动化0301班 授课学时:60 授课教师:谷俊婷 教研室主任签字: 系主任签字:
1 廊坊职业技术学院教案 课程名称：变频器应用技术 授课专业：电气自动化技术 授课班级：高职电气自动化 0301 班 授课学时: 60 授课教师：谷俊婷 教研室主任签字： 系主任签字：
廊坊职业技术学院教案首页 课程名称变频器应用技术 班级高职04自1班 计划课时2 周次|1 授课方法|讲授 教具尺 教学内容 §绪论、§1基础知识 教学目的1.掌握课程性质、内容 2.复习并引伸三相异步电动机的相关知识 重点、难女1.三相异步电动机在变频的同时须变压的原因 2.变频调速的说明 复习提问1,三相异步电动机旋转磁场的转速、转差率、转速 2.三相异步电动机的机械特性曲线及其特殊点 3.三相异步电动机的起动和制动 作业|习题:1-5.1=6.1-9 小结:1介绍变频器、其发展历程、应用现状、发展趋势; 2.课程内容、特点及学习的要求。 课后小结 3.复习三相异步电动机的基础知识 4.变频调速的说明
2 廊坊职业技术学院教案首页 课程名称 变频器应用技术 班级 高职04自 1班 计划课时 2 周次 1 授课方法 讲授 教具 尺 教学内容 §绪论、§1 基础知识 教学目的 1．掌握课程性质、内容 2．复习并引伸三相异步电动机的相关知识 重点、难点 1．三相异步电动机在变频的同时须变压的原因 2．变频调速的说明 复习提问 1.三相异步电动机旋转磁场的转速、转差率、转速； 2.三相异步电动机的机械特性曲线及其特殊点； 3.三相异步电动机的起动和制动 作 业 习题： 1-5、1-6、1-9 课后小结 小结：1.介绍变频器、其发展历程、应用现状、发展趋势； 2．课程内容、特点及学习的要求。 3．复习三相异步电动机的基础知识 4．变频调速的说明
绪论 概述 1.与其他专业课程的关系 “变频器应用”是“数学”、“物理”、“电工基础”、“电子技术”、“电力电子技术” “电力拖动”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 2.概述 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变频调速。 二、变频器的发展历程 1.直流调速系统的优缺点 2.交流调速系统的优缺点: 3.变频器的诞生和发展:微电子技术和电力电子技术的发展、计算机技术的发展 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 4.变频器的应用,目前不足十分之一,原因;奠定学生学习的动力。 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.减小谐波影响 五、课程的性质和任务 变频器应用”是一门应用性较强的专业课程,课程的主要任务是使学生深入掌握变 频器应用的基础知识和基本技能。 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应用
3 绪 论 一、概述 1．与其他专业课程的关系： “变频器应用”是“数学”、“物理”、“电工基础”、“电子技术”、“电力电子技术”、 “电力拖动”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。 2．概述： 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变频调速。 二、变频器的发展历程 1．直流调速系统的优缺点： 2．交流调速系统的优缺点： 3．变频器的诞生和发展：微电子技术和电力电子技术的发展、计算机技术的发展 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 4．变频器的应用，目前不足十分之一，原因；奠定学生学习的动力。 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．减小谐波影响 五、课程的性质和任务 “变频器应用”是一门应用性较强的专业课程，课程的主要任务是使学生深入掌握变 频器应用的基础知识和基本技能。 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 侧重变频器的应用
3.无重点一又都是重点与应用有关的任何知识都是重点,细小的疏忽也会导致严重问 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)与其他专业课程知识的关系:一方面他为我用,另一方面我为他用 (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、纪律成绩 c、印象成绩 d、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。为了说明变频 器的功能和应用,有必要先了解三相异步电动机的相关知识 三相异步电动机的工作原理 1.旋转磁场与转差率 (1)旋转磁场的转速(同步转速m) n=60f1/p 式中:n一一旋转磁场转速,又称为同步转速,单位为r/min f—电源的频率,单位为Hz: p一旋转磁场的磁极对数。 n的旋转方向由电源的相序决定:若电源为顺相序,同步转速n1为顺时针旋转方 向,当将三相电源的任意两相对调(即电源为逆相序),n则为逆时针方向 (2)转差率s 根据结构不同分转子「笼型变频调速中采用 线绕型变频调速中可以用,但较少采用
4 3．无重点─又都是重点 与应用有关的任何知识都是重点，细小的疏忽也会导致严重问 题 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）与其他专业课程知识的关系：一方面他为我用，另一方面我为他用。 （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、纪律成绩 c、印象成绩 d、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。为了说明变频 器的功能和应用，有必要先了解三相异步电动机的相关知识。 一、三相异步电动机的工作原理 1．旋转磁场与转差率 （1）旋转磁场的转速（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——旋转磁场的磁极对数。 n1 的旋转方向由电源的相序决定：若电源为顺相序，同步转速 n1 为顺时针旋转方 向，当将三相电源的任意两相对调（即电源为逆相序），n1 则为逆时针方向。 （2）转差率 s 根据结构不同分 转子 笼型 变频调速中采用 线绕型 变频调速中可以用，但较少采用
①转速差△n即△n=n-n 式中:转子的转速一n 旋转磁场的转速--m1 ②转差率s即s=(n-n)/n s是分析异步电动机运行状态的重要参数。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n,s≈0。 (3)转子转速nn=(1-s)60f1/p 转子转速n与电源频率f、磁极对数p、转差率s有关。三相异步电动机的调速方 式有:变频(f1)调速、变极(p)调速、变转差率(s)调速。 2.三相异步电动机的电磁特性 (1)感应电动势BE=4.44KNf1中 式中:E—一定子绕组的感应电动势有效值 K—一定子绕组的绕组系数,K1<1 N—一定子每相绕组的匝数 f——定子绕组感应电动势的频率,即电源的频率 主磁通 可见:E∝f中 将△U忽略,则E≈B∝f1中 (2)b/f1=常数 异步电动机是根据其工作在额定电压、额定频率以及额定磁通下进行设计的,其磁 通φ选在了铁芯磁化曲线的接近饱和处。φ的大小关系到电动机的电磁转矩,并与 电动机的工作电流成正比。如f1下降,不变,则中上升。因为中已设计在接近饱 和处,φ上升即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f上升,矶不变,则φ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。为了保持电动机的中不变,即电动机的转矩不变,在f变化的同时, U必须同时变化,使与f的比值保持恒定,即矶/f1=常数
5 ①转速差△n 即△n =n1-n 式中：转子的转速---n 旋转磁场的转速---n1 ②转差率 s 即 s=(n1-n)/n1 s 是分析异步电动机运行状态的重要参数。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 n n=(1-s)60ƒ1/p 转子转速 n 与电源频率ƒ1、磁极对数 p、转差率 s 有关。三相异步电动机的调速方 式有：变频（ƒ1）调速、变极（p）调速、变转差率（s）调速。 2．三相异步电动机的电磁特性 （1）感应电动势 E1 E1=4.44K1N1ƒ1Φm 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，K1<1 N1——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∝ƒ1Φm （2）U1/ƒ1 =常数 异步电动机是根据其工作在额定电压、额定频率以及额定磁通下进行设计的,其磁 通 Φm 选在了铁芯磁化曲线的接近饱和处。Φm 的大小关系到电动机的电磁转矩，并与 电动机的工作电流成正比。如ƒ1 下降，U1 不变，则 Φm 上升。因为 Φm 已设计在接近饱 和处，Φm 上升即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，即电动机的转矩不变，在ƒ1 变化的同时， U1 必须同时变化，使 U1 与ƒ1 的比值保持恒定，即 U1/ƒ1 =常数
变频器在工作时,有时f调的很低,同时l也很低。此时定子绕组上的电压降△U 在电压磊中所占的比例不能忽略。由于△U所占比例增加,将使定子电流减小,从而使 φ减小,这将引起低速时的输出转矩减小。此时,可提高来补偿△U的影响,使得 E/1不变,即￠不变,这种控制方法称为电压补偿,也称为转矩补偿。 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nf 7)如图所示 下面讨论曲线上几个特殊的转矩:T:、、T 三、三相异步电动机的调速 1.变极调速 三相异步电动机的变极调速是有级调速,通过改变磁极对数p,可以得到2:1调速 3:2调速、4:3调速及三速电机等,调速的级数很少。由于磁极对数p取决于定子绕组 的结构,而且笼型转子的极数能自动地保持与定子极数相等,所以此调速只适用于特 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。具体的实现方法很多, 比如: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。随着s的増大, 电动机的机械特性变软,效率降低 3.变频率调速 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。根据电动机理论,当f较高时,忽略定子绕组电阻,最大电磁转矩
6 变频器在工作时，有时ƒ1 调的很低，同时 U1 也很低。此时定子绕组上的电压降△U 在电压 U1 中所占的比例不能忽略。由于△U 所占比例增加，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。此时，可提高 U1 来补偿△U 的影响，使得 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。 二、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 三、三相异步电动机的调速 1．变极调速 三相异步电动机的变极调速是有级调速，通过改变磁极对数 p，可以得到 2:1 调速、 3:2 调速、4:3 调速及三速电机等，调速的级数很少。由于磁极对数 p 取决于定子绕组 的结构，而且笼型转子的极数能自动地保持与定子极数相等，所以此调速只适用于特 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。具体的实现方法很多， 比如：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。随着 s 的增大， 电动机的机械特性变软，效率降低。 3．变频率调速 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。根据电动机理论，当ƒ1 较高时，忽略定子绕组电阻，最大电磁转矩
T∝(l/f1)2、临界转差率s∝/1、对应临界转速的转速差△n=sn=s160f1/p为 常数、起动转矩72∝/f3:当f较低时,定子绕组电阻的影响不可忽略,最大电磁转 矩G随着频率的减小而减小、转速差△n仍为常数、:随着频率减小而减小。按照上 述分析,可以大致了解变频调速的机械特性,如图所示。下面分两种情况进行说明。 (1)基频以下的恒磁通变频调速 调速时,通常以电动机的额定频率为基本频率,即基频。在基频以下调速时,须保 持B/∫1恒定即保持主磁通φ恒定。由于E难以直接控制,f较高时,保持/f1恒 ,即可近似地保持主磁通中恒定。由于∝(/f1)2,保持b/恒定时,需恒定 电动机带动负载的能力不变:而且此过程中,转速差△n基本不变,所以调速后的机械 特性曲线平行地移动,电动机的输出转矩不变,属于恒转矩调速。 当∫较低时,若仍由矶/f恒定来代替E/1恒定,会带来较大的误差,T和随 着频率的减小而减小,电动机带动负载的能力变小。此时,若仍由矶/f恒定来代替E/ ∫恒定,可采用电压补偿方法,即适当提高电压b,目的是补偿定子阻抗压降,近似保 持B/f1恒定,提高电动机带动负载的能力,其机械特性曲线如图虚线所示。 (2)基频以上的弱磁变频调速 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φ随着f的升高而下降,类似
7 TM∝（U1/ƒ1）2、临界转差率 sL ∝1/ƒ1、对应临界转速的转速差△n = sL n1 = sL 60ƒ1/p 为 常数、起动转矩 Tst∝U 2 1/ƒ1 3；当ƒ1 较低时，定子绕组电阻的影响不可忽略，最大电磁转 矩 TM 随着频率的减小而减小、转速差△n 仍为常数、Tst 随着频率减小而减小。按照上 述分析，可以大致了解变频调速的机械特性，如图所示。下面分两种情况进行说明。 ⑴基频以下的恒磁通变频调速 调速时，通常以电动机的额定频率为基本频率,即基频。在基频以下调速时，须保 持 E1/ƒ1 恒定即保持主磁通 Φm 恒定。由于 E1 难以直接控制， ƒ1 较高时，保持 U1/ƒ1 恒 定，即可近似地保持主磁通 Φm 恒定。由于 TM∝（U1/ƒ1）2，保持 U1/ƒ1 恒定时，TM 恒定， 电动机带动负载的能力不变；而且此过程中，转速差△n 基本不变，所以调速后的机械 特性曲线平行地移动，电动机的输出转矩不变，属于恒转矩调速。 当ƒ1 较低时，若仍由 U1/ƒ1 恒定来代替 E1/ƒ1 恒定，会带来较大的误差，TM 和 Tst 随 着频率的减小而减小，电动机带动负载的能力变小。此时，若仍由 U1/ƒ1 恒定来代替 E1/ ƒ1 恒定，可采用电压补偿方法，即适当提高电压 U1，目的是补偿定子阻抗压降，近似保 持 E1/ƒ1 恒定，提高电动机带动负载的能力，其机械特性曲线如图虚线所示。 ⑵基频以上的弱磁变频调速 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∝(/f1)2,保持磊恒定时,随着f的升高而下降,电动机带动负载的 能力变小:随着∫的升高,φ下降,电磁转矩T下降,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 从提高劳动生产率的角度看,电动机起动时间、制动时间越短越好。但是由于 相异步电动机起动和制动的具体特点,起动时间、制动时间又不能太短。 、起动 1.要求:「有不太大的起动电流但是直接起动时情况恰恰相反 足够大的起动转矩 动态转矩△T很小 2.低频起动:在变频调速拖动系统中,变频器用降低频率∫:(从而也降低了U)的方 法来起动电动机。启动过程如下图。 优点:转速差△n被限制在一定的范围,起动电流也将被限制在一定的范围内,而 且动态转矩△T很小,起动过程很平稳 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。三相异步电动 机的制动方式有直流制动、回馈制动和反接制动,通常反接制动在变频调速系统中应 用很少,下面介绍前两种制动方式
8 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，电动机带动负载的 能力变小；随着ƒ1 的升高，Φm 下降，电磁转矩 T 下降，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 从提高劳动生产率的角度看，电动机起动时间、制动时间越短越好。但是由于三 相异步电动机起动和制动的具体特点，起动时间、制动时间又不能太短。 一、起动 1.要求： 有不太大的起动电流 但是直接起动时情况恰恰相反 足够大的起动转矩 动态转矩△T 很小 2．低频起动：在变频调速拖动系统中，变频器用降低频率ƒ1（从而也降低了 U1）的方 法来起动电动机。启动过程如下图。 优点：转速差△n 被限制在一定的范围，起动电流也将被限制在一定的范围内，而 且动态转矩△T 很小，起动过程很平稳。 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。三相异步电动 机的制动方式有直流制动、回馈制动和反接制动，通常反接制动在变频调速系统中应 用很少，下面介绍前两种制动方式
1.直流制动 (1)原理电动机制动时,切断电动机的三相电源,在定子绕组中通入直流电,产生 一恒定磁场。由于转子在机械惯性作用下仍按原方向旋转,它切割恒定磁场产生感应 电流,用左手定则可判断感应电流在磁场中受力方向,从而可判断电磁转矩方向与转 子转速方向相反,为制动转矩。 (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,并消耗在转子电阻上。 (a)直流制动的原理(b)直流制动的机被特性曲线 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)原理由于某些原因,当n>n1时,则转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态 (n<n)正好相反,转子中感应电动势和电流的方向也相反,电磁转矩T也就和n反向, 为制动转矩。 (2)实质将轴上的机械能转换成电能,回馈给电源。 (3)下面分析两种不同的回馈制动情况: ①起重机下放重物时由于重力作用,电动机转速n沿曲线①增加,当mm时,电磁 转矩T为制动转矩,直到P7=,工作点由A点移至B点,重物以m匀速下放 ②变频调速时∫降低瞬间,由于机械惯性,电动机转速n来不及变化,工作点由A 点平跳至C点,于是得到制动转矩T,使电动机沿着曲线②减速
9 1．直流制动 （1）原理 电动机制动时，切断电动机的三相电源，在定子绕组中通入直流电，产生 一恒定磁场。由于转子在机械惯性作用下仍按原方向旋转，它切割恒定磁场产生感应 电流，用左手定则可判断感应电流在磁场中受力方向，从而可判断电磁转矩方向与转 子转速方向相反，为制动转矩。 （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，并消耗在转子电阻上。 (a) 直流制动的原理 (b) 直流制动的机械特性曲线 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）原理 由于某些原因，当 n>n1 时,则转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态 （nn1 时, 电磁 转矩 T 为制动转矩，直到 T=TB=TL，工作点由 A 点移至 B 点，重物以 nB匀速下放。 ②变频调速时 ƒ1 降低瞬间，由于机械惯性，电动机转速 n 来不及变化，工作点由 A 点平跳至 C 点，于是得到制动转矩 TC，使电动机沿着曲线②减速
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
10 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