ch電機(jī)及電氣控制

ch電機(jī)及電氣控制第1頁(yè)/共48頁(yè)本章主要內(nèi)容■3.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理及用途■3.2通用變頻器■3.3三相異步電機(jī)的起動(dòng)控制線路■3.4其它典型控制線路第2頁(yè)/共48頁(yè)3.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理及用途交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類(lèi)，它們都是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，有時(shí)也用作電動(dòng)機(jī)或調(diào)相機(jī)；異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，很少用作發(fā)電機(jī)。3.1.1三相異步電機(jī)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，85％以上的電動(dòng)機(jī)都采用異步電動(dòng)機(jī)。主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、制造容易、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用，而且有較高的效率和相當(dāng)好的工作特性。主要缺點(diǎn)：目前尚不能經(jīng)濟(jì)地在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速以及它必須從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率；在電網(wǎng)負(fù)載中，異步電動(dòng)機(jī)所占的比重較大，這個(gè)滯后的無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)是一個(gè)相當(dāng)重的負(fù)擔(dān)，它增加了線路損耗、妨礙了有功功率的輸出。當(dāng)負(fù)載要求電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量較大而電網(wǎng)功率因數(shù)又較低的情況下，最好采用同步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。第3頁(yè)/共48頁(yè)3.1.1三相異步電機(jī)1．異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：定子（包括定子鐵芯、定子繞組等）、轉(zhuǎn)子（包括轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠龍繞組等）。另外還有端蓋、風(fēng)扇、罩殼、機(jī)座、接線盒等。如圖3.1所示。圖3.1三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1-散熱筋2-吊環(huán)，3-轉(zhuǎn)軸，4-定子鐵心，5-定子繞組，6-轉(zhuǎn)子，7-風(fēng)扇，8-罩殼，9-轉(zhuǎn)子鐵心，10-鼠籠繞組，11-軸承，12-機(jī)座，13-接線盒，14-端蓋，15-軸承蓋第4頁(yè)/共48頁(yè)3.1.1三相異步電機(jī)(1)定子由機(jī)座、圓筒形鐵芯、三相對(duì)稱(chēng)定子繞組組成。定子的作用是用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)和作電動(dòng)機(jī)的機(jī)械支撐。定子繞組鑲嵌在定子鐵心中，通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換。機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。(2)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。轉(zhuǎn)子繞組的作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)電流而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)軸是輸出機(jī)械功率的主要部件。根據(jù)構(gòu)造上的不同，異步電機(jī)分為：籠型和繞線型。①籠型的轉(zhuǎn)子繞組做成鼠籠狀。就是在轉(zhuǎn)子鐵芯的槽中嵌入銅條。其兩端用端環(huán)連接?；蛘咴诓壑袧茶T鋁液。其外形像個(gè)鼠籠，籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖3.2所示。第5頁(yè)/共48頁(yè)3.1.1三相異步電機(jī)圖3.2鼠籠式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子圖3.3繞線式電動(dòng)機(jī)示意圖②繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。繞線式繞組是一個(gè)對(duì)稱(chēng)三相繞組，但三相繞組總是接成Y形，三個(gè)始端分別與三個(gè)滑環(huán)相聯(lián)接，滑環(huán)外緣又與三個(gè)靜止的電刷相接觸再和外電路聯(lián)接。借此，轉(zhuǎn)子繞組既能自身短路又能把外加電阻器或電抗器引入轉(zhuǎn)子電路，以改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。繞線型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)稍高，通常只用于要求起動(dòng)電流較小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速范圍較廣的場(chǎng)合。第6頁(yè)/共48頁(yè)3.1.1三相異步電機(jī)2．異步電機(jī)的基本工作原理當(dāng)向三相定子繞組中通過(guò)入對(duì)稱(chēng)的三相交流電時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速ｎ1沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以ｎ1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開(kāi)始時(shí)是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)速度即為同步轉(zhuǎn)速n1，它和定子電流的頻率f1以及電機(jī)的極對(duì)數(shù)p有關(guān)。式(3.1)第7頁(yè)/共48頁(yè)3.1.1三相異步電機(jī)在圖3.4中，用磁極N和S來(lái)表示定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。假定轉(zhuǎn)子上有某一根導(dǎo)體a。利用右手定則，得導(dǎo)體a中的電勢(shì)方向，它是穿出紙面指內(nèi)讀者的。利用左手定則可以定出導(dǎo)體a的受力方向。導(dǎo)體a產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是迫使轉(zhuǎn)子跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的轉(zhuǎn)速越來(lái)越小，只要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中本來(lái)沒(méi)有電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流是靠切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后產(chǎn)生出來(lái)的，所以轉(zhuǎn)子中的電流是感應(yīng)出來(lái)的。因此異步電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

圖3.4轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和轉(zhuǎn)矩第8頁(yè)/共48頁(yè)3.1.1三相異步電機(jī)3．異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速ｎ不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速ｎ1，因?yàn)槿绻睿剑?，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中不可能感應(yīng)出電勢(shì)和電流，也就不能產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩M。轉(zhuǎn)速n總是略低于同步轉(zhuǎn)速ｎ1的。ｎ1與ｎ之差稱(chēng)為“轉(zhuǎn)差’，轉(zhuǎn)差(ｎ1-ｎ)的存在是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的必要條件。轉(zhuǎn)速差(ｎ1-ｎ)與同步轉(zhuǎn)速ｎ1之比，稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率。

式（3.2）

異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)差率變化不大，空載時(shí)的轉(zhuǎn)差率在0.005以下，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率在0.02～0.05。

第9頁(yè)/共48頁(yè)3.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理及用途3.1.2三相同步電機(jī)

同步電機(jī)由于在穩(wěn)態(tài)時(shí)它們能夠以恒定轉(zhuǎn)速、恒定頻率運(yùn)行，所以稱(chēng)為同步電機(jī)。與異步電機(jī)相比較，同步電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1相等，且與頻率f1之間具有固定不變的關(guān)系，n＝60f1／p同步電機(jī)主要用作為發(fā)電機(jī)，亦可用作為電動(dòng)機(jī)或補(bǔ)償機(jī)。1．同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)或補(bǔ)償機(jī)它們的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成的。同步電機(jī)可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類(lèi)。旋轉(zhuǎn)電樞式的電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上，這種結(jié)構(gòu)在小容量同步電機(jī)中得到一定的應(yīng)用。在旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)里，電樞裝設(shè)在定子上，主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上。目前旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)已成為中、大型同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。第10頁(yè)/共48頁(yè)3.1.2三相同步電機(jī)圖3.5同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2．同步電機(jī)的基本工作原理當(dāng)轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁繞組送入直流勵(lì)磁電流后，轉(zhuǎn)子磁極顯出固定極性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái)后，磁場(chǎng)切割定子繞組，或者說(shuō)定子繞組做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，三相對(duì)稱(chēng)繞組中將感生出三相對(duì)稱(chēng)電動(dòng)勢(shì)，成為三相交流電源。發(fā)電機(jī)向共同的大電網(wǎng)供電，這就對(duì)同步發(fā)電機(jī)的頻率要求很?chē)?yán)，我國(guó)電網(wǎng)頻率為50Hz，所以發(fā)電機(jī)發(fā)出的電動(dòng)勢(shì)頻率也必須為50Hz。圖3.6同步電機(jī)模型圖第11頁(yè)/共48頁(yè)3.1.2三相同步電機(jī)3．同步電機(jī)的主要用途(1）作發(fā)電機(jī)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，幾乎全部的電網(wǎng)電能都是由同步發(fā)電機(jī)供給。(2)作電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)雖然因結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴，起動(dòng)麻煩，其應(yīng)用不如異步電動(dòng)機(jī)廣泛，但它具有轉(zhuǎn)速恒定及功率因數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，因此在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中常用來(lái)拖動(dòng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的大、中型低速機(jī)械。例如鼓風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、球磨機(jī)等。(3)作調(diào)相機(jī)調(diào)相機(jī)又叫補(bǔ)償機(jī)，用來(lái)向電網(wǎng)輸送電感性或電容性的無(wú)功功率，以補(bǔ)償電網(wǎng)中負(fù)載所需的無(wú)功功率，從而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。第12頁(yè)/共48頁(yè)3.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理及用途3.1.3單相異步電動(dòng)機(jī)

1．單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)單相異步電動(dòng)機(jī)是用單相交流電源供電。通常單相異步電機(jī)定子上有兩相繞組，一為主繞組ｍ(或稱(chēng)工作繞組)，一為輔助繞組ａ(或稱(chēng)起動(dòng)繞組)，兩繞組在空間有相位差，一般為90°電角度。轉(zhuǎn)子為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的籠型繞組。與三相異步電動(dòng)機(jī)主要區(qū)別：三相異步電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子繞組和繞組的電壓、電流—般都是對(duì)稱(chēng)的、工作時(shí)氣隙磁場(chǎng)是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而單相異步電動(dòng)機(jī)的繞組是不對(duì)稱(chēng)的，繞組的電壓、電流一般也是不對(duì)稱(chēng)的，工作時(shí)氣隙磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第13頁(yè)/共48頁(yè)3.1.3單相異步電動(dòng)機(jī)2．單相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法單相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法有多種，最為廣泛的是電容式電動(dòng)機(jī)。電容電動(dòng)機(jī)是將主繞組固定接單相電流，輔助繞組串聯(lián)電容器后接單相電源。電容的作用使主、輔助繞組電流不相同，合理選擇電容器和主輔繞組匝數(shù)，使起動(dòng)或額定運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因而有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩或較好的運(yùn)行性能。根據(jù)電容器的不同串接方式電容電動(dòng)機(jī)又可分為單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相雙電容異步電動(dòng)機(jī)三種。如圖3.8所示。

圖3.8單相電容電動(dòng)機(jī)第14頁(yè)/共48頁(yè)3.1電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理及用途3.1.4直流電機(jī)

直流電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)用，也可作電動(dòng)機(jī)用。直流電機(jī)與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，維護(hù)麻煩，應(yīng)用遠(yuǎn)不如交流電機(jī)廣泛。直流發(fā)電機(jī)在很多應(yīng)用領(lǐng)域里，正在被性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、節(jié)能的電力電子器件組裝的整流器所取代。但是直流電動(dòng)機(jī)仍具有許多交流電動(dòng)機(jī)所不及的優(yōu)點(diǎn)，如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、平滑調(diào)速的范圍寬廣，而且易于控制。對(duì)調(diào)速要求較高的軋鋼機(jī)、大型機(jī)床以及需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的起重設(shè)備、電氣鐵道牽引等方面，直流電動(dòng)機(jī)有廣泛的應(yīng)用。由于直流發(fā)電機(jī)供電波形好，在電鍍、電解和電冶煉中仍用作電源設(shè)備。第15頁(yè)/共48頁(yè)3.1.4直流電機(jī)1．直流電機(jī)的基本原理圖3.9所示為直流電機(jī)工作原理的簡(jiǎn)單模型圖。為了使電樞與外電路連通,特別裝置了兩把電刷A和B。當(dāng)在A和B電刷間通上電源時(shí)，電樞線圈里就有電流通過(guò)，在圖示位置時(shí)，電流在導(dǎo)體ab段的流向是a→b，則導(dǎo)體ab受力的方向是向左，電流在導(dǎo)體cd段的流向是c→d，則導(dǎo)體cd受力的方向且問(wèn)右，這兩個(gè)力構(gòu)成了一個(gè)力矩，稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，在這個(gè)轉(zhuǎn)矩作用下克服電機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。圖3.9直流電機(jī)模型第16頁(yè)/共48頁(yè)3.1.4直流電機(jī)

2．直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但總體上不外乎由定子(靜止部分)和轉(zhuǎn)子(運(yùn)動(dòng)部分)兩大部分組成。圖3.10直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖3.11直流電機(jī)的橫剖面示意圖

第17頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器

通用變頻器是指可以應(yīng)用于通用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的變頻器。由于通用變頻器強(qiáng)調(diào)通用性，不但從控制思想上有其內(nèi)在的通用性能，同時(shí)也將現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用技巧不斷地融入控制策略中，使其功能不斷地得到充實(shí)和加強(qiáng)，智能化的特征也越來(lái)越明顯。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是利用交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過(guò)改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速的方法。實(shí)踐證明，在異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，它調(diào)速范圍大、穩(wěn)定性好、可靠性高、運(yùn)行效率高和高的功率因數(shù)及節(jié)電效果。所以，通用變頻器已成為當(dāng)今節(jié)電、改造傳統(tǒng)工業(yè)、改善工藝流程、提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的主要手段之一。第18頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器3.2.1通用變頻器的發(fā)展趨勢(shì)(1)模塊化：將整流電路、逆變電路、邏輯控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)、電源回路全部集成在一個(gè)模塊內(nèi)，使整機(jī)的元器件數(shù)量比原來(lái)減少了40％以上，可靠性得到很大提高。(2)專(zhuān)用化：滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要，派生了許多專(zhuān)用機(jī)型，如風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)專(zhuān)用型，注塑機(jī)專(zhuān)用型，電梯專(zhuān)用型、電源再生專(zhuān)用型、中頻驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用型等。(3)軟件化：具有多種內(nèi)置或可選的專(zhuān)用應(yīng)用軟件。(4)網(wǎng)絡(luò)化：內(nèi)裝多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議。(5)低電磁噪聲、靜音化：采用高頻載波SPWM方式實(shí)現(xiàn)靜音化。(6)圖形化用戶(hù)界面：提供下拉式菜單、圖形工具、中文菜單等監(jiān)控操作功能。(7)引導(dǎo)式調(diào)試步驟：變頻器內(nèi)固化“調(diào)試指南”，可引導(dǎo)操作者的調(diào)試步驟。(8)參數(shù)趨勢(shì)圖形：記錄運(yùn)行參數(shù)，顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。(9)自定義編程：將選項(xiàng)權(quán)交給用戶(hù)，并且不需要使用專(zhuān)門(mén)的編程工具或編程語(yǔ)言即可實(shí)現(xiàn)，程序由功能塊組成。第19頁(yè)/共48頁(yè)3.2.1通用變頻器的發(fā)展趨勢(shì)(10)IGBT制造新技術(shù)：具有開(kāi)關(guān)損耗小，正溫度系數(shù)，易于實(shí)現(xiàn)高壓的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化逆變器驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)。(11)有源電力濾波器：從補(bǔ)償對(duì)象中校測(cè)出諧波電流，然后產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電流只含基波分量。(12)交、直流制動(dòng)方式：直流制動(dòng)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)的速度低于預(yù)設(shè)的制動(dòng)速度時(shí)、變頻器開(kāi)始給電動(dòng)機(jī)注入直流電壓，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。交流制動(dòng)是一種磁通制動(dòng)方式，就是當(dāng)變頻器得到停機(jī)命令后立即啟動(dòng)制動(dòng)功能，制動(dòng)速度比直流制動(dòng)快，制動(dòng)能量以電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的形式消耗掉。雖然發(fā)展變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)最初的目的主要是為了節(jié)能，但是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了顯著發(fā)展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應(yīng)用，變頻器的性能不斷得到提高，而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。第20頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器3.2.2變頻器的基本原理1．變頻調(diào)速的基本控制方式前面已經(jīng)介紹異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為式（3.1）

可見(jiàn)，改變異步電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率ｆ1，可以改變其同步轉(zhuǎn)速ｎ1，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降；磁通太強(qiáng)，則處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過(guò)大，這就限制了定子電流的負(fù)載分量，為使電機(jī)不過(guò)熱，負(fù)載能力也要下降。異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通(主磁通)是定、轉(zhuǎn)子合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的。第21頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器3.2.3變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖3.17變頻器的基本結(jié)構(gòu)

一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電路能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。當(dāng)整流電路是電壓源時(shí)，直流中間電路的主要元器件是大容量的電解電容，而當(dāng)整流電路是電流源時(shí)，直流中間電路則主要由大容量電感組成。此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其它輔助電路。逆變電路是變頻器最主要的部分之一，它的主要作用是在控制電路的控制下將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極(基極)驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，也是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。第22頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器3.2.4逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本作用是將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。圖3.18給出了一個(gè)三相逆變電路。在這個(gè)逆變電路中，由六個(gè)開(kāi)關(guān)組成了一個(gè)三相橋式電路。交替打開(kāi)和關(guān)斷這六個(gè)開(kāi)關(guān)，就可以在輸出端得到相位上各相相位差為120o的三相交流電源。該交流電源的頻率由開(kāi)關(guān)頻率決定，而幅值則等于直流電源的幅值。圖3.18逆變器基本工作原理圖第23頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器3.2.5變頻器的選型變頻器一般用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。在應(yīng)用前應(yīng)充分了解應(yīng)用對(duì)象的工況條件和環(huán)境條件，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選型。不同的生產(chǎn)廠家或不同型號(hào)的變頻器，其使用條件有所差別。在進(jìn)行變頻器選型時(shí)需要考慮的因素很多。

(1)應(yīng)以電動(dòng)機(jī)額定電流值作為選擇依據(jù)，電動(dòng)機(jī)的額定功率只能作為參考。

(2)應(yīng)充分考慮通用變頻器輸出中含有豐富的諧波，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率變壞。與用工頻供電相比較，電動(dòng)機(jī)的電流增加10％左右，而溫升增加20％左右。

(3)選擇時(shí)必須充分了解通用變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性。拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，低速下的轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過(guò)載能力。

(4)在各種風(fēng)機(jī)、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣或液體在一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與速度的二次方成正比，所需的功率與速度的二次方成正比。選用相應(yīng)的變頻器可以大幅度地節(jié)約電能。

(5)一定要注意其防護(hù)等級(jí)是否與現(xiàn)場(chǎng)的情況相匹配。

(6)應(yīng)正確識(shí)別通用變頻器的類(lèi)型。矢量控制方式通用變額器均有U／f控制模式，如果某種變頻器沒(méi)有控制模式設(shè)定項(xiàng)，則可斷定它不是矢量控制方式通用變頻器。矢量控制方式起動(dòng)很平穩(wěn)，沒(méi)有抖動(dòng)和異常聲音。

第24頁(yè)/共48頁(yè)3.2.5變頻器的選型(7)對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高環(huán)境溫度、高載波頻率、高海拔高度等場(chǎng)合，需要對(duì)變頻器降容使用，需要放大一檔或二檔選擇。(8)采用一臺(tái)通用變頻器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)按所有電動(dòng)機(jī)的額定電流的總和確定通用變頻器的額定容量。(9)繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)繞組的阻抗小，容易發(fā)生由于諧波電流而引起的過(guò)電流跳閘現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇比普通異步電動(dòng)機(jī)容量稍大的通用變頻器。(10)通用變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜存在分布電容，電纜越長(zhǎng)或電動(dòng)機(jī)容量越大，漏電流越大，漏電斷路器容易誤動(dòng)作?？刹捎迷黾勇╇姅嗦菲鞯穆╇婋娏髟O(shè)定值、使用帶高頻性能的漏電斷路器、降低載波頻率及采用輸出電抗器等方法解決。(11)通用變頻器一般采用二極管整流器，這樣在電路中會(huì)產(chǎn)生5、7、11、13次的諧波，這些諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流增大、功率因數(shù)下降等，必要時(shí)可以通過(guò)安裝輸入電抗器或直流電抗器抑制諧波。(12)由于電壓不平衡引起通用變頻器多種故障的現(xiàn)象，通常與電源變壓器和負(fù)載情況有關(guān)，有時(shí)輸入電壓不平衡就會(huì)引起很?chē)?yán)重的電流不平衡，甚至產(chǎn)生缺相、整流橋損壞、電解電容器損壞等。必須裝上輸入電抗器。第25頁(yè)/共48頁(yè)3.2通用變頻器3.2.6變頻器外形及應(yīng)用接線圖3.19變頻器實(shí)物圖及接線圖R/L1、S/L2、T/L3為變頻器的三相電源輸入接線端。U/T1、V/T2、W/T3為變頻器的三相電源輸出接線端，與三相交流電機(jī)連接。多功能數(shù)字輸入端提供由外部開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)控制變頻器的多種工作方式?？赏ㄟ^(guò)連接+V、A1和AC端子的電位器調(diào)節(jié)變頻器的輸出量，或由A2、AC端輸入4～20mA的電流控制變頻器的輸出量。也可通過(guò)RS-485/422的通信，由PLC或計(jì)算機(jī)控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和輸出量進(jìn)行監(jiān)控。第26頁(yè)/共48頁(yè)

3.3三相異步電機(jī)的啟動(dòng)控制線路3.3.1全壓?jiǎn)?dòng)控制線路據(jù)統(tǒng)計(jì)，在許多工礦企業(yè)中，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)量占電力拖動(dòng)設(shè)備總臺(tái)數(shù)的85％左右。在變壓器容量允許的情況下，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)該盡可能采用全電壓直接啟動(dòng)，既可以提高控制線路的可靠性，又可以減少電器的維修工作量。

第27頁(yè)/共48頁(yè)3.3.1全壓?jiǎn)?dòng)控制線路1.單向長(zhǎng)動(dòng)控制線路圖3.20三相電動(dòng)機(jī)單向長(zhǎng)動(dòng)控制線路第28頁(yè)/共48頁(yè)3.3.1全壓?jiǎn)?dòng)控制線路控制線路工作原理：合上QS，按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM線圈得電，三對(duì)常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，將電動(dòng)機(jī)M接入電源，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。同時(shí)，與SB2并聯(lián)的KM的常開(kāi)輔助觸點(diǎn)閉合，即使松手?jǐn)嚅_(kāi)SB2，KM線圈通過(guò)其輔助觸點(diǎn)可以繼續(xù)保持通電，維持吸合狀態(tài)。由于KM的自鎖作用，松開(kāi)SB2后，電動(dòng)機(jī)M仍能繼續(xù)啟動(dòng)，最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。按下停止按鈕SB1，接觸器KM的線圈失電，其主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)均斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)脫離電源，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)，即使松開(kāi)停止按鈕，由于自鎖觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)不會(huì)自行啟動(dòng)。只有再次按下啟動(dòng)按鈕SB2，電動(dòng)機(jī)方能再次啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。第29頁(yè)/共48頁(yè)3.3.1全壓?jiǎn)?dòng)控制線路線路保護(hù)環(huán)節(jié)：（P63）①短路保護(hù)②過(guò)載保護(hù)③欠壓和失壓保護(hù)第30頁(yè)/共48頁(yè)3.3.1全壓?jiǎn)?dòng)控制線路2.單向點(diǎn)動(dòng)控制線路生產(chǎn)機(jī)械在試車(chē)或進(jìn)行調(diào)整工作時(shí)，需要點(diǎn)動(dòng)控制。點(diǎn)動(dòng)的含義是：操作者按下啟動(dòng)按鈕后，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，松開(kāi)按鈕時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即點(diǎn)一下，動(dòng)一下，不點(diǎn)則不動(dòng)。圖（a）是最基本的點(diǎn)動(dòng)控制線路。圖（b）則使用一個(gè)復(fù)合按鈕SB3來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)。圖（c）是采用中間繼電器K實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)與長(zhǎng)動(dòng)的控制線路。第31頁(yè)/共48頁(yè)3.3.2降壓?jiǎn)?dòng)控制線路1.Y-△降壓?jiǎn)?dòng)控制線路第32頁(yè)/共48頁(yè)3.3.2降壓?jiǎn)?dòng)控制線路2.延邊三角形降壓?jiǎn)?dòng)控制線路第33頁(yè)/共48頁(yè)3.3.2降壓?jiǎn)?dòng)控制線路3.定子繞組串電阻降壓?jiǎn)?dòng)控制線路第34頁(yè)/共48頁(yè)3.3.2降壓?jiǎn)?dòng)控制線路4.自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)控制線路

第35頁(yè)/共48頁(yè)3.3.2降壓?jiǎn)?dòng)控制線路5.繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制線路（1）按時(shí)間原則控制（2）按電流原則控制第36頁(yè)/共48頁(yè)

3.3.3電子軟起動(dòng)器及其起動(dòng)的控制線路1．電子式軟起動(dòng)器的工作原理其主要結(jié)構(gòu)是一組串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。利用晶閘管移相控制原理，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，從而實(shí)現(xiàn)不同的起動(dòng)功能。起動(dòng)時(shí)，使晶閘管的導(dǎo)通角從0開(kāi)始，逐漸前移，電機(jī)的端電壓從零開(kāi)始，按預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至達(dá)到滿(mǎn)足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)，再使電機(jī)全電壓運(yùn)行，這就是軟起動(dòng)控制器的工作原理。圖3.29電子軟啟動(dòng)器的主電路接線圖第37頁(yè)/共48頁(yè)

3.3.3電子軟起動(dòng)器及其起動(dòng)的控制線路2．電子式軟起動(dòng)器的工作特性一般軟起動(dòng)器可以通過(guò)設(shè)定，得到不同的起動(dòng)特性，以滿(mǎn)足不同負(fù)載特性的要求。

(1)斜坡恒流升壓起動(dòng)這種起動(dòng)方式是在晶閘管的移相電路中，引入電機(jī)電流反饋，使電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中保持恒流、起動(dòng)平穩(wěn)。

(2)脈沖階躍起動(dòng)在起動(dòng)開(kāi)始階段，晶閘管在極短時(shí)間內(nèi)以較大電流導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后回落，再按原設(shè)定值線性上升，進(jìn)入恒流起動(dòng)狀態(tài)。該起動(dòng)方法適用于重載并需克服較大靜摩擦的起動(dòng)場(chǎng)合。

(3)減速軟停控制減速軟?？刂剖钱?dāng)電動(dòng)機(jī)需要停機(jī)時(shí)，不是立即切斷電動(dòng)機(jī)的電源，而是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，從全導(dǎo)通狀態(tài)逐漸減小，從而使電動(dòng)機(jī)的端電壓逐漸降低而切斷電源。

(4)節(jié)能特性軟起動(dòng)器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的高低，自動(dòng)判斷電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，通過(guò)相位控制使晶閘管的導(dǎo)通角發(fā)生變化，從而改變輸入電動(dòng)機(jī)的功率，以達(dá)到節(jié)能的目的。

(5)制動(dòng)特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要快速停機(jī)時(shí)，軟起動(dòng)器改變晶閘管的觸發(fā)方式，使交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡缓笤陉P(guān)閉主電路后，立即將直流電壓加到電動(dòng)機(jī)定子繞組上，利用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與靜止磁場(chǎng)的作用達(dá)到制動(dòng)的目的。第38頁(yè)/共48頁(yè)

3.3.3電子軟起動(dòng)器及其起動(dòng)的控制線路3．電子軟起動(dòng)器的起動(dòng)控制線路由于電子軟啟動(dòng)器一般價(jià)格比較高，一些應(yīng)用場(chǎng)合僅需要對(duì)大型電機(jī)設(shè)備進(jìn)行軟啟動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電子軟啟動(dòng)器進(jìn)行多臺(tái)電機(jī)設(shè)備啟動(dòng)的情況。圖3.30采用PST實(shí)現(xiàn)一拖三的起動(dòng)控制線路第39頁(yè)/共48頁(yè)3.3.4液阻軟起動(dòng)器及其起動(dòng)的控制線路電液變阻軟啟動(dòng)是目前對(duì)大型電氣設(shè)備進(jìn)行軟啟動(dòng)的常用裝置。也就是在電機(jī)定子回路中串人液體電阻，具有液阻熱容量大、阻值可以無(wú)級(jí)控制、在軟啟動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生高次諧波和售價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。1．液阻軟啟動(dòng)器的工作原理如圖3.31(a)所示。電氣柜體的下部分為液變阻裝置，上部分為電氣控制裝置。