《变频器应用技术》教案2011年.9

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课程名称 变频器应用技术 班级

计划课时 2 周次 一（1）

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。

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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

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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

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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s

s=(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n

n=(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E1

E1=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，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

5分钟：以复习方式讲解

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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

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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

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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

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