学习情境一 电梯控制系统中变频器启动正反转控制

1. 学习情境一电梯控制系统中变频器启动正反转控制学习情境一电梯控制系统中变频器启动正反转控制

2. 一、明确任务 • 如何实现变频器对电机正反转运行操作呢？ • 任务要求： • 1、熟悉变频器的工作原理。 • 2、熟悉变频器操作面板的分布；变频器操作面板各键的基本功能及操作方式；变频器说明书的使用方法。变频器控制电路。 • 3、通过变频器面板及端子的展示，掌握变频器正反转运行预置参数方法，外部接线的方法； • 4、根据控制线路图完成变频器正反转运行的基本接线，并设置基本参数。

3. 二、资讯 • 一、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）：是通过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。 • 2．以变频调速常用的电路结构为例来说明PWM含义：一般异步电动机需要的是正弦交流电，而逆变电路输出的往往是脉冲。PWM控制的目的就是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。这样，虽然电动机的输入信号仍为脉冲，但它是与正弦波等效的调制波，那么电动机的输入信号也就等效为正弦交流电了。

4. （二）PWM技术的基本原理 • 1．PWM技术的理论基础：采样控制理论中的一个重要结论——面积等效控制原理 • 2．SPWM原理：将一个正弦半波电压分为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，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到脉冲列，这就是PWM波。正弦波的另外半波也用同样的办法来等效，就可以得到与正弦波等效的脉宽调制波，又称其为SPWM。SPWM波在变频电路中被广泛采用。

5. 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。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 调制波ur 所希望生成的正弦波 • 载波uT 等腰三角波或锯齿波 • 利用载波和调制波相的比较方式来确定脉宽和间隔。 • 4．按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分 • 单极性控制 • 双极性控制

6. （三）单相桥式SPWM逆变电路分析。

7. 1．单极性SPWM控制 • 设定载波uT、调制波ur，如图所示。 • ⑴在ur正半周，让VT1一直保持通态，VT4保持断态。当ur﹥uT时，控制VT3为通态，负载输出电压uo=Ud；当ur﹤uT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。 • ⑵在ur负半周，让VT4一直保持通态，VT1保持断态。当ur﹤uT时，控制VT2为通态，负载输出电压uo=-Ud；当ur﹥uT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。 • 这样，就得到了SPWM波uo ，uof为uo的基波分量。可见，在任一半个周期中，SPWM波只能在一个方向变化，故称为单极性SPWM控制方式。由于改变ur的幅值时，调制波的脉宽将随之改变，从而改变输出电压的大小；而改变ur的频率时，则输出电压的基波频率也随之改变，所以这就实现了既可调压又可调频的目的。

9. 2．双极性SPWM控制 • 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，如图1-17a所示。当ur﹥uT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；当ur﹤uT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。这样，就得到了SPWM波uo。可见，在任一半个周期中，SPWM波在正、负两个方向交替，故称为双性SPWM控制方式。改变ur的幅值和频率，即可达到调压、调频的目的。

10. （四）变频器的三相桥式SPWM逆变电路 • 由电路结构可见，其控制方式为用双极性控制。电路的开关器件采用IGBT，负载为感性。其工作原理如下：

11. 1．调频原理 • U、V、W三相载波信号公用一个三角载波uT，三相调制信号urU、urV、urW为相位依次相差1200的正弦波。改变三相调制信号urU、urV、urW的频率，即可变频器的输出频率，达到变频之目的。U、V、W三相的IGBT控制规律相同，现以U相为例来说明电路的控制过程。当urU﹥uT时，给VT1导通信号，给VT4关断信号，则U相相对于电源假想中点N¹的输出电压uUN′=Ud/2；当urU﹤uT时，给VT4导通信号，给VT1关断信号，则U相相对于电源假想中点N¹的输出电压uU N′=-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，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式PWM逆变电路双极性控制时的情况相同。V相和W相的控制方式和U相相同。uUN′、uVN′和uWN′的波形如图所示。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。

12. 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、urV、urW的频率调低（高）时，三个信号的幅度也相应调小（大），使得调制信号的U/ƒ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。 • 综上所述，变频器的调压调频过程是通过控制三相调制信号进行的。

14. 在双极性SPWM控制方式中，理论上要求同一相上下两个桥臂的驱动信号互补，但实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成电源短路，通常要求先加关断信号，再延迟△t时间，才给另一个施加导通信号。延迟时间△t的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。由于这个延时将会给输出PWM波带来不利影响，使其偏离正弦波，所以在保证电路可靠工作的前提下，延迟时间要尽可能短。在双极性SPWM控制方式中，理论上要求同一相上下两个桥臂的驱动信号互补，但实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成电源短路，通常要求先加关断信号，再延迟△t时间，才给另一个施加导通信号。延迟时间△t的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。由于这个延时将会给输出PWM波带来不利影响，使其偏离正弦波，所以在保证电路可靠工作的前提下，延迟时间要尽可能短。

15. 二、变频器操作面板外观 • 操作器面板结构，如图 1.1(a)所示。根据功能的不同，可分成数据显示器、操作键盘和频率指令旋钮等部分。 • 数据显示器包括数码显示和 LED 简易指示灯。其中，数码显示部分主要用于显示 3 种信息，在功能参数预置时，显示功能码和数据码；在变频器运行(含监视)中，显示各种数据， • 例如频率、电压、电流等；在变频器发生故障时，显示故障代码。LED 简易指示灯主要用于显示变频器的7 种状态，如图 1.2(b)所示。它们由设定在操作键盘上的“状态键”来切换状态。

16. 操作键盘具有状态切换、功能设定和运行控制等主要功能。 • 由于变频器最主要任务是频率控制，所以变频器单独增设了频率指令旋钮，如图 1.1(c)所示。当操作器设定为频率旋钮有效时，用户可方便地调节旋钮来改变频率。在操作器设定为操作键盘有效时，由增/减键来调节频率，则频率指令旋钮不起作用。 • 操作器各部分的具体名称和功能，见表1.1 所示。

17. 在操作器正面的右下侧有 2 个状态观察孔，分别对应RUN 和 ALARM指示灯，由它们通过长亮、闪烁和灯灭的组合来表示变频器的状态，如图 1.2 所示。当变频器出现故障时，ALARM 灯长亮。

18. 三、操作与观察 • 1）器材准备 • 一台 3G3MV变频器，一台通用三相异步电动机、三相交流电源以及连接导线等。 • 2）接线 • 将三相电源分别接到变频器的三相输入端子 R/L1、S/L2、T/L3 上，变频器的输出端子 • U/T1、V/T2、W/T3 接到电动机的三相定子绕组 A、B、C 的接线端上，同时将电动机的定子绕组构成星形接法(X-Y-Z 短接)。

22. 3）操作前准备 • 在操作变频器之前，应先检查接线，确认处于正确连接状态。恢复为默认出厂值。 • 4）参数设定 • n001=4：可设定的参数范围 n001～n179； • n002=0：V/F 控制模式； • n003=0：操作器的 “RUN 键”和“STOP/RESET键”有效； • n004=1：频率指令 1有效(n024)； • n006=0：允许电动机反转； • n008=1：操作器的键操作有效； • “本地/远程” ：选择LO，本地有效(操作器有效)；其它参数不变，默认出厂值。

23. 5）观察调速现象 • 在操作器上用键盘设定频率的方法：按“状态键”切换到“FREF”状态，使“FREF” • 灯亮，在按“增/减键”预置频率值后，再按“输入键”确认。按下“RUN 键” ，变频器开始 运行；若改变频率值，可改变电动机的转速。 电动机转动时，可在“FOUT”状态下，监视变频器的输出频率，也可切换到“IOUT”状态下，监视变频器的输出电流。若按下“STOP/RESET键” ，则变频器停止工作，电动机也停转。

24. 三、计划 • 在教师的指导下，分组讨论，根据所学知识写出变频器正反转运行的实施方案

25. 四、决策 • 各小组根据分析结果进行实施方案的确定。

26. 五、实践与操作 • 操作与实践： • 1、熟悉变频器并联运行的操作过程； • 2、接线调试中的注意事项。 • 3、基本频率参数的正确预置。

27. 六、检查 • 检查学生的学习笔记，学生在讨论学习过程中，教师注意巡回指导，特别注意学生出现错误时引导学生查找错误的原因。

28. 七、评价与作业 • 评价： • 根据学生报告情况进行分析，从好与不足两方面实事求是的进行评价； • 进行差异评价和鼓励评价； • 进行学习态度和主动学习的意识方面进行评价，多鼓励； • 提醒学生将笔记报告存档管理，以备后用。 • 作业： • 完成四种操作模式的接线图绘制、写出参 数设置步骤和参数设置内容。