1、僅供個人參考不得用于商業(yè)用途第4章 變頻器控制異步電動機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電工設(shè)備總稱為電機(jī)。 電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原 理實現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。 把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備稱為發(fā)電機(jī)， 而把 電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備叫做電動機(jī)。在生產(chǎn)上主要用的是交流電動機(jī)，特別三相異步電動機(jī)，因為它具有結(jié)構(gòu)簡 單、堅固耐用、運(yùn)行可靠、價格低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點。它被廣泛地用來驅(qū)動各 種金屬切削機(jī)床、起重機(jī)、鍛壓機(jī)、傳送帶、鑄造機(jī)械、功率不大的通風(fēng)機(jī)及水 泵等。所以本系統(tǒng)采用的是三相交流異步電動機(jī)。對于各種電動機(jī)我們應(yīng)該了解下列幾個方面的問題：（1）基本構(gòu)造；（2）工 作原理；（3）表示轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)

2、矩之間關(guān)系的機(jī)械特性；（4）起動、調(diào)速及制動的基 本原理和基本方法；（5）應(yīng)用場合和如何正確使用。4.1 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理4.1.1 三相異步電動機(jī)的構(gòu)造三相異步電動機(jī)的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）。 此外還有端蓋、圖5-1三相電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（1）定子三相異步電動機(jī)的定子由三部分組成:定子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片 內(nèi)圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放定子三相繞組AX、BY C乙定子繞組三組用漆包線繞制好的，對稱地嵌入定子鐵心槽內(nèi)的 相同的線圈。這三相繞組可接成星形或二角形。機(jī)座機(jī)座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組(2

3、)轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由三部分組成:轉(zhuǎn)子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片 外圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放轉(zhuǎn)子三相繞組。轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組有兩種形式：鼠籠式-鼠籠式異步電動機(jī)。繞線式-繞線式異步電動機(jī)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸上加機(jī)械負(fù)載鼠籠式電動機(jī)由于構(gòu)造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產(chǎn)上應(yīng)用得最廣泛的一種電動機(jī)。為了保證轉(zhuǎn)子能夠自由旋轉(zhuǎn)，在定子與轉(zhuǎn)子之間必須留有一定的空氣隙， 中 小型電動機(jī)的空氣隙約在0.21.0mm之間。4.1.2 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理(1)基本原理為了說明三相異步電動機(jī)的工作原理，我們做如下演示實驗，如圖5-2所示圖5-2三相異步電動機(jī)工作

4、原理演示實驗：在裝有手柄的蹄形磁鐵的兩極間放置一個閉合導(dǎo)體，當(dāng)轉(zhuǎn)動手 柄帶動蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)時，將發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體也跟著旋；若改變磁鐵的轉(zhuǎn)向，則導(dǎo)體的轉(zhuǎn) 向也跟著改變?，F(xiàn)象解釋：當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，磁鐵與閉合的導(dǎo)體發(fā)生相對運(yùn)動，鼠籠式導(dǎo)體 切割磁力線而在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。 感應(yīng)電流又使導(dǎo)體受到一個 電磁力的作用，于是導(dǎo)體就沿磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動起來， 這就是異步電動機(jī)的基 本原理。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向和磁極旋轉(zhuǎn)的方向相同。結(jié)論：欲使異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，必須有旋轉(zhuǎn)的磁場和閉合的轉(zhuǎn)子繞組。(2)旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生圖5-3表示最簡單的三相定子繞組 AX BY CZ,它們在空間按互差1200 的規(guī)律對稱排列。并接成星形與三

5、相電源 U、V、慟目聯(lián)。則三相定子繞組便通過 三相對稱電流：隨著電流在定子繞組中通過，在三相定子繞組中就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(圖5-4)。iu = ImSin tiv = ImSin( t T200)iw = ImSin( t 1200)圖5-3三相異步電動機(jī)定子接線當(dāng)t=00時，iA 二0, AX繞組中無電流；iB為負(fù)，BY繞組中的電流從Y流入 B1流出；iC為正，CZ繞組中的電流從C流入Z流出；由右手螺旋定則可得合成 磁場的方向如圖5-4 (a)所示。當(dāng)t=1200時，iB =0, BY繞組中無電流；iA為正，AX繞組中的電流從A流 入X流出；iC為負(fù)，CZ繞組中的電流從Z流入C流出；由右手螺旋

6、定則可得合 成磁場的方向如圖5-4 (b)所示。當(dāng)t=2400時，iC =0, CZ繞組中無電流；iA為負(fù)，AX繞組中的電流從X流 入A流出；iB為正，BY繞組中的電流從B流入Y流出；由右手螺旋定則可得合 成磁場的方向如圖5-4 (c)所示?？梢姡?dāng)定子繞組中的電流變化一個周期時， 合成磁場也按電流的相序方向 在空間旋轉(zhuǎn)一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化， 產(chǎn)生的合成 磁場也不斷地旋，因此稱為旋轉(zhuǎn)磁場。AAAX圖5-4 X旋轉(zhuǎn)磁場的形成X(a) cot = 0°(b) cot = 120°(c) wt = 240°旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)磁場的方向是由三相

7、繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。這時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。(3)三相異步電動機(jī)的極數(shù)與轉(zhuǎn)速極數(shù)(磁極對數(shù)p)三相異步電動機(jī)的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相繞組的 安排有關(guān)。當(dāng)每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差1200空間角時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即p=1;當(dāng)每相繞組為兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間相差600空間角時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極，即p=2;同理，如果要產(chǎn)生三對極，即p=3的旋轉(zhuǎn)磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯(lián)的三個線圈，繞組的始端之間相差400(=1200/p)

8、空間角。極數(shù)p與繞組的始端之間的空間角 的關(guān)系為：1 =120°,.p轉(zhuǎn)速n三相異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0與電動機(jī)磁極對數(shù)p有關(guān)，它們的關(guān)系是：60 fin 0 :p(5-1)由(5-1)可知，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0決定于電流頻率fi和磁場的極數(shù)p。 對某一異步電動機(jī)而言，fi和p通常是一定的，所以磁場轉(zhuǎn)速 n0是個常數(shù)。 在我國，工頻f1=50Hz,因此對應(yīng)于不同極對數(shù)p的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0,見表5-1表5-1p123456n0300015001000750600500轉(zhuǎn)差率s電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同， 但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0相等，否則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁

9、場之間就沒有相對運(yùn)動，因而磁力 線就不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子電動勢、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩也就都不存在。 也就是說 旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間存在轉(zhuǎn)速差，因此我們把這種電動機(jī)稱為異步電動機(jī)， 又因 為這種電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，故又稱為感應(yīng)電動機(jī)。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0常稱為同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差率s用來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁場轉(zhuǎn)速n0相差的程度的物理量。即:n0 - n ns =二(5-2)n0%轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的一個重要的物理量當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n0開始旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子則因機(jī)械慣性尚未轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子 的瞬間轉(zhuǎn)速n=0,這時*專差率S=1o轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來之后，n>0, (n0-n)差值減小, 電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率

10、S<1。如果轉(zhuǎn)軸上的阻轉(zhuǎn)矩加大，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n降低，即異步程度加大，才能產(chǎn)生足夠大的感受電動勢和電流， 產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，這時的轉(zhuǎn)差率S增大。反之，S減小。異步電動機(jī)運(yùn)行時,轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速一般很接近,轉(zhuǎn)差率很小。在額定工作狀態(tài)下約為0.0150.06之間根據(jù)式(4-2),可以得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速常用公式 n = 1-s nb(5-3)三相異步電動機(jī)的定子電路與轉(zhuǎn)子電路三相異步電動機(jī)中的電磁關(guān)系同變壓器類似,定子繞組相當(dāng)于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組(一般是短接的)相當(dāng)于副繞組。給定子繞組接上三相電源電壓， 則定子中就有三相電流通過，此三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其磁力線通過定子和轉(zhuǎn) 子鐵心而閉合，

11、這個磁場在轉(zhuǎn)子和定子的每相繞組中都要感應(yīng)出電動勢。4.2 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速的工作原理變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電 能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交一直一交方式(V/F變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源 轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、 中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器， 逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為 PWMfe形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、 直流儲能和緩沖無功功率。4.2.1 變頻器控制原理圖設(shè)計(1)首先確認(rèn)變頻器

12、的安裝環(huán)境；工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響， 產(chǎn)品一般要求為055C,但為了保證工作安全、可靠，使用時應(yīng)考慮留有余地， 最好控制在40c以下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵 守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器 的底部安裝。環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其 絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥 劑和加熱器。在水處理問，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個問題 會比較突出。腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、 印

13、刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動和沖擊時，會引起電氣接 觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問題。這時除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、 遠(yuǎn)離振 動源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動 的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時間后，應(yīng)對其進(jìn)行檢查和維護(hù)。電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻， 周圍產(chǎn)生了很多的干擾電 磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電 子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠 接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且

14、 屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導(dǎo)致控制 單元失靈或損壞。(2)變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法；變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。 這樣減小了電纜的對地電容，減少干 擾的發(fā)射源?？刂齐娎|選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部 用穿線管屏蔽。電機(jī)電纜應(yīng)獨立于其它電纜走線，其最小距離為 500mm同時應(yīng)避免電機(jī) 電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生 的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。與變頻器有關(guān)的模擬信號線

15、最好選用屏蔽雙絞線， 動力電纜選用屏蔽的三 芯電纜(具規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大檔)或遵從變頻器的用戶手冊。(3)變頻器控制原理圖；主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源的輸入回路 返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來決定是否需 要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端， 減少變頻器輸出的高次諧波，當(dāng) 變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能， 但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護(hù)，選型時可按 照變頻器的容量進(jìn)行選擇。可以用變頻器本身的過載保護(hù)代替熱繼電器。控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)

16、故障時可以手動切 工頻運(yùn)行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。(4)變頻器的接地；變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接 地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm長度不超過5m變頻 器的接地應(yīng)和動力設(shè)備的接地點分開， 不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻 器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。4.2.2 變頻器控制柜設(shè)計：變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設(shè)計時要注意以下問題(1)散熱問題：變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。 在變頻器中各部分損耗 中主要以主電路為主，約占98%控制電路占2%為了保證變頻器正?？煽窟\(yùn)行， 必須對變頻

17、器進(jìn)行散熱我們通常采用風(fēng)扇散熱； 變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的 箱體內(nèi)部散熱帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行；大功率的變 頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道要設(shè)計合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防 塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻 器說明書的通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震問題。(2)電磁干擾問題：變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波， 這些高 頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧 波會通過供電回路進(jìn)入整個供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很 大占整個系統(tǒng)25%Z上，需要考

18、慮控制電源的抗干擾措施。當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、 電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾 而出現(xiàn)保護(hù)，則考慮整個系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。(3)防護(hù)問題需要注意以下幾點：防水防結(jié)露：如果變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不的有管道法 蘭或其他漏點，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場柜體防護(hù)等級要在IP43 以上。防塵：所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進(jìn)入， 防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計為可 拆卸式，以方便清理，維護(hù)。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，防塵網(wǎng)四 周與控制柜的結(jié)合處要處理嚴(yán)密。防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種情況比較多見，此時可以將變頻柜放在控 制室中。4.2.3 變頻器接線規(guī)范信號線與動力線必

19、須分開走線：使用模擬量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時， 為 了減少模擬量受來自變頻器和其它設(shè)備的干擾， 請將控制變頻器的信號線與強(qiáng)電 回路(主回路及順控回路)分開走線。距離應(yīng)在 30cm以上。即使在控制柜內(nèi)， 同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi),極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾；同時由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外 部會產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器 的控制端子處，以保證信號線與動力線的徹底分

20、開。(1)模擬量控制信號線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為 0.75mm2在接線 時一定要注意，電纜剝線要盡可能的短(5-7mm左右)，同時對剝線以后的屏蔽 層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。(2)為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。4.2.4 變頻器的運(yùn)行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個 別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象?？刂品绞剑杭此俣瓤刂啤⑥D(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后， 一般要根據(jù)控制精度，需要進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)辨識。最低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下

21、運(yùn)行時，具散熱性 能很差，電機(jī)長時間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時，其電纜中 的電流也會增大，也會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。最高運(yùn)行頻率：一般的變頻器最大頻率到 60Hz,有的甚至到400 Hz,高頻 率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對普通電機(jī)來說，其軸承不能長時間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行， 電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高具高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、 電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率， 這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。跳頻：在某個頻率點上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個裝置比較高時； 在控制壓縮機(jī)時，要避免壓縮機(jī)的喘振點。4.2.5 常見故障分析(1)過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻 器的加減速時間太短、負(fù)載