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1、-课程名称变频调速及电机控制技术应用班级计划课时4授课方法讲授教学内容绪论任务一 三相异步电动机任务二 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 内
2、容导入一、概述 “变频调速及电机控制技术”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”、“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
3、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“变频调速及电机控制技术”是一门应用性较强的专业课程，课程的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
4、 案 内 容教 案 内 容主要任务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
5、、期末试卷成绩；项目一 基础知识任务一 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：以复习方式讲解旋转磁场的产生；旋转磁场转速（同步转速n1）：n1=601/p 式中：n1旋转磁场转速，又称为同步转速，单位为r/min；1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转速差n n =n1
6、-n式中：n-转子的转速n1-旋转磁场的转速转差率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0.020.06；空载运行时，n略小于n1，s 0。（3）转子转速n n=(1-s)601/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=4.44K1N11m=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，K1n1 起重机下放重物时：重力作用使电动机转速n沿曲线增加，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（1降低后对应的转速）工作点由A点平
7、跳至C 点，使电动机沿着曲线减速。(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。曲线第一象限为电动机电动运行状态；曲线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、作业课程名称变频调速及电机控制技术班级计划课时2周次授课方法讲授教具教学内容任务三 电力电子器件简介任务四 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.
8、 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；3SPWM逆变电路的变压变频原理。教 案 内 容附 记任务三 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
9、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
10、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 内 容教 案 内 容动电路复杂；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、
11、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，否则管子的功耗将增大数百倍，使管子过热损坏。4.优缺点：工作频率较低，一般在510KHz。它又属于电流驱动型器件，其驱动功率大，驱动电路复杂，而且GTR耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。目前GTR的应用一般被绝缘栅双极晶体管（IGBT）所
12、替代。四、电力场效应晶体管（MOSFET）1结构电力场效应晶体管（MOSFET）的三个引出极为：源极S、漏极D、栅极G。变频器使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型，其电气图形符号如图所示。3分钟：强调器件特点8分钟：重点讲解与单极性晶体管的不同之处 2特性其伏安特性曲线反映了输出电压uDS和输出电流iD的关系，也称之为输出特性曲线。 3工作特点：栅极电压uGS控制漏极电流iD：当0uGSUGS(th)（开启电压）时，管子截止，无iD；当uGSUGS(th) ，uDS加正压，管子导通，；DS越大则iD越大，在相同的uDS下，uGS越大，iD越大；uGS与iD的关系称为电力场效应晶体管(Pow
13、er MOSFET)转移特性，其曲线如图所示。3优缺点：MOSFET属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500KHz以上。缺点是电流容量小，耐压低。五、 绝缘栅双极晶体管（IGBT）1结构IGBT是MOSFET和GTR取长补短相结合的产物，具有栅极G、集电极C、和发射极E的三个引出端。等效电路和电气图形符号。输入回路：电压控制型，控制信号为uGE，输入阻抗高，栅极电流iG约为零，驱动功率小；输出回路：为IGBT的主电路，与GTR相同，工作电流为iC。5分钟：强调器件特点2特性IGBT的输出特性曲线反映了输出电压uCE和输出电流iC的关系。 3工作特
14、点：工作在开关状态时，在阻断状态和饱和导通状态之间转换，不允许在放大状态停留。当uGEUGE(th)（开启电压）时，IGBT截止，无iC；当uGEUGE(th) 时，uCE加正压，IGBT导通，其输出电流iC与驱动电压uGE基本呈线形关系。如图1-12b所示为IGBT的驱动电压uGE与输出电流iC的关系，此曲线称为IGBT的转移特性曲线。4优缺点：优点是输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达到20KHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET和GTR提高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对的优势。
15、六、集成门极换流晶闸管（IGCT）IGCT是GTO的派生器件，其基本结构在GTO的基础进行了改进，如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。使IGCT不仅具有与GTO相当的容量，而且具有优良的开通和关断能力。目前，4000A、4500V及5500V的IGCT已研制成功。在大容量变3分钟：简介频电路中，IGCT被广泛应用。七、智能功率模块（IPM）IPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。目前，I
16、PM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成单相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。任务四 脉冲宽度调制（PWM）原理一、脉冲宽度调制技术的概念1脉冲宽度调制（缩写为PWM）技术：是按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制，来得到所需要的等效波形。2PWM控制的目的：通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效，从而驱动相应得负载工作。二、PWM技术的基本原理1PWM技术的理论基础：采样控制理论中的面积等效控制原理2脉宽调制波SPWM：将一个正弦波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉冲的宽度与正弦波的大小成
17、正比，这样得到的脉冲列，就是SPWM波。根据采样控制理论，N值越高（即脉冲频率越高），SPWM越接近正弦波，但脉冲频率一方面受变频器中开关器件工作频率的限制，另一方面频率太高，电磁干扰增大，要带来一些新的问题。3实际应用中SPWM波的形成：调制方法：利用载波和调制波相的比较方式来确定脉宽和间隔 调制波ur ： 所希望生成的正弦波载波： 等腰三角波或锯齿波4按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分3分钟：简要介绍5分钟：讲授15分钟：本节重点内容 单极性控制: 任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变化 ；ur uT时，有脉冲；ur uT时，无脉冲双极性控制：载
18、波双方向变化，在任意半个周期SPWM波双方向变化；ur uT时，正脉冲；ur uT时，负脉冲三、单相桥式SPWM逆变电路分析。单相桥式SPWM逆变电路如图1-15所示。1.单极性SPWM控制单极性SPWM控制方式：在任一半个周期中，SPWM波只在一个方向变化的控制方式。其波形如图116所示。设定载波uT、调制波ur，则： 在ur正半周，让VT1一直保持通态，VT4保持断态。当uruT时，控制VT3为通态，负载输出电压uo=Ud；当uruT时，控制VT3为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT1与VD2续流。 在ur负半周，让VT4一直保持通态，VT1保持断态。当uruT时，控制V
19、T2为通态，负载输出电压uo=-Ud；当uruT时，控制VT2为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT4与VD3续流。图中uof为uo的基波分量。改变ur的幅值，调制波的脉宽将随之改变，从而改变输出电压的大小；改变ur的频率，输出电压的基波频率随之改变，既可调压又可调频。15分钟：分析电路工作过程2. 双极性SPWM控制双性SPWM控制方式：在任一半个周期中，SPWM波在正、负两个方向交替变化的控制方式。如图1-17a所示。设定调制波ur、载波uT，载波uT改为正负两个方向变化的等腰三角波，当uruT时，给VT1和VT3导通信号，而给VT2和VT4关断信号，负载输出电压uo=Ud
20、；当uruT时，给VT2和VT4导通信号，而给VT1和VT3关断信号，负载输出电压uo=-Ud。得到的SPWM波uo如图117(b)所示。改变ur的幅值和频率，既可调压又可调频。四、变频器的三相桥式SPWM逆变电路电路如图118所示。15分钟：强调调压与调频同时进行教 案 内 容附 记控制方式：双极性控制。开关器件：IGBT。负载：感性负载。工作原理：1调频原理载波uT：U、V、W三相调制信号公用。调制信号urU、urV、urW：为三相正弦波。调频：改变三相调制信号urU、urV、urW的频率，输出频率改变。控制过程：以U相为例，当urUuT时，给VT1导通信号，给VT4关断信号，则U相负载的
21、的输出电压uUN=Ud/2；当urUuT时，给VT4导通信号，给VT1关断信号，则U相负载的输出电压uUN=Ud/2。VT1和VT4的驱动信号始终是互补的。当给VT1（VT4）加导通信号时，可能是VT1（VT4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这由感性负载中原来电流的大小和方向决定。V相和W相的控制方式和U相相同，只是相位上相差120。uUN、uVN和uWN的波形如图119(b)所示。线电压uUV的波形可由uUN-uVN得出。若求负载的相电压可由式uUN =uUN-(uUN+uVN+uWN)/3求得，其波形略。2调压原理变频器的调压和调频是同时进行的。当将三相调制信号urU、ur
22、V、urW的频率调低（高）时，三个信号的幅度也相应变小（大），使得调制信号的U/为常数，或按照设定的要求变化。若调制信号的幅度变小，则变频器的输出脉冲宽度变窄，等效电压变低；若调制信号的幅度变大，则变频器的输出脉冲宽度变宽，等效电压变高。结论：变频器的调压调频过程是通过控制三相调制信号的频率和幅度进行的。注意：同一相上下两个桥臂的驱动信号要求先加关断信号，再延迟t时间，才给另一个施加导通信号。延迟时间t的长短由功率开关器件的关断时间决定，但要尽可能短，由于延时越长使输出PWM波偏离正弦波的程度越大。教 案 内 容5分钟：小结、作业教 案 首 页课程名称变频调速及电机控制技术班级计划课时2周次授
23、课方法讲授、实物拆卸教具变频器教学内容任务五 变频器的组成任务六 变频器的分类教学目的1掌握变频器的内部电路结构；2掌握变频器各组成部分的功能及工作原理；3了解变频器的各种分类方法。重点、难点重点：变频器主电路的结构及各组成部分的功能；难点：外部控制端子的作用。复习提问试述二极管整流电路的工作原理；说出几种常用的电力电子器件，并简要说明其工作原理；什么是脉宽调制技术？有哪几种控制方式？作业习题： 1-16、1-17课后小结1. 变频器主电路各组成部分的作用及工作原理；2变频器控制电路各部分的作用；3各种外部端子的作用；4变频器的分类方法及分类。教 案 内 容附 记任务五 变频器的组成变频器组成
24、： 主电路控制电路一、主电路1整流电路组成：VD1VD6。功能：将工频交流电整流为脉动直流电。整流原理：二极管整流过程。2滤波电路组成：C1、C2、R1、R2。8分钟：复习提问5分钟：展示变频器实物的结构25分钟：强调各部分的作用教 案 内 容功能：将脉动直流电变为较平滑的直流电。原理：电容滤波原理、电阻分压原理。3逆变电路组成：VT1VT6、VD7VD12。功能：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。逆变原理：IGBT可控开关、SPWM原理。4指示电路组成：R4、HL。5制动单元组成：VT7、R5功能：消耗电动机制动过程中的回馈能量，保护变频器。制动单元工作原理：电动机制动时，回馈电流通过
25、VD7VD12给C1、C2充电。当电容两端电压升到一定程度时，计算机控制VT7 导通，电容通过R5和VT7放电，电阻发热消耗能量，电容两端电压降低，电动机制动。6输入端子：R、S、T，连接电源。7输出端子：U、V、W，连接电动机。二、控制电路指为主电路提供控制信号，以完成电路输出调节、各种保护，实现输出指示的弱电电路。如图1-20下半部分。各部分功能：1主控制板：单片机，变频器的控制中心，其功能主要有七类。2操作面板包括键盘及显示屏等。25分钟：对照实物，用实验板简要演示 (1) 键盘：进行运行操作或程序预置，其上有运行键；模式转换键；读出、写入键；数据增减键；位移键；复位键；数字键。(2)
26、显示屏：显示控制面板提供的各种显示数据。有两种LED数码显示屏：显示无单位的数字量和简单的英文代码；液晶显示屏：显示数字和文字。显示屏显示的数据类型： 运行数据：运行时的各种输出数据。功能参数码：编程时的功能代码和数据。故障代码：故障状态下的故障代码。3电源为控制电路提供直流电源。其内部电源具有电压稳定性好，抗干扰能力强等优点，并与主电路有很好的电气隔离。4外部端子 主电路的端子 输入端子：R、S、T 输出端子：U、V、W控制电路的端子 输入端子 输入模拟控制端子：接收模拟信号调节运行频率 输入接点控制端子：接收开关信号进行运行控制。 输出端子 输出监视端子：输出开关信号用于报警或运行状态指示
27、。 输出指示端子：输出与频率成正比的模拟信号，用于指示各种输出数据三、接地问题 变频器各部分均有独立的接地端，这些接地端不能连接在一起。主电路接地端：PE输入接点控制端子接地端：CM输入模拟控制端子接地端：GND 四、RS485通信接口用于多个变频器之间，或变频器与计算机之间进行联网控制。3分钟任务六 变频器的分类一、按变换环节分 交-直-交型：低压变频器通用，调节频率范围较宽。 交-交型：变换效率高，可调频率范围窄，用于低速大容量的调速系统。二、按改变变频器输出电压的方法分 PAM型：脉冲幅度调制，少用。 PWM型：脉冲宽度调制，多用。三、按电压的等级分 低压变频器：220V460V，一般为中小容量。 高压大容量变频器： 电压等级有3 kV 、6 kV 、10 kV。 类型有高-低-高型和直接高压型。四、按滤波方式分 电流型：电感滤波，适用于大容量变频器。电压型：电容滤波，适用于小容量变频器。五、按用途分 专用型：为具体应用而设计，使用面窄、价格低、操作简单。通用型：用于机械传动调速，功能齐全、性能好、价格贵。章小结1变频器的用途、组成及各部分的工作原理；2变频调速过程中电动机对变频器的要求； 3变频调速的种类；4常见电力电子器件主要特点；5脉宽调制技术的基本原理及调制过程，变频器的调压、调频原理。18分钟：讲授5分钟：章小结3分钟：作业、答疑-第 23 页23