變頻器控制異步電動機的系統(tǒng)設(shè)計

1、第4章 變頻器控制異步電動機的系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電工設(shè)備總稱為電機。電機是利用電磁感應(yīng)原 理實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。 把機械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備稱為發(fā)電機， 而把 電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備叫做電動機。在生產(chǎn)上主要用的是交流電動機，特別三相異步電動機，因為它具有結(jié)構(gòu)簡 單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優(yōu)點。它被廣泛地用來驅(qū)動各 種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳送帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水 泵等。所以本系統(tǒng)采用的是三相交流異步電動機。對于各種電動機我們應(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)速和轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的機械特性；（4）起

2、動、調(diào)速及制動的基 本原理和基本方法；（5）使用場合和如何正確使用。4.1 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.1 三相異步電動機的構(gòu)造三相異步電動機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、風扇等圖5-1三相電動機的結(jié)構(gòu)示意圖（1）定子三相異步電動機的定子由三部分組成:定子定子鐵心由厚度為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)的相冋的線圈。這三相繞組可接成星形或三角形。機座機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組(2)轉(zhuǎn)子三相異步電動機的轉(zhuǎn)

3、子由三部分組成:轉(zhuǎn)子轉(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。 繞線式-繞線式異步電動機。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸上加機械負載鼠籠式電動機由于構(gòu)造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產(chǎn) 上使用得最廣泛的一種電動機。為了保證轉(zhuǎn)子能夠自由旋轉(zhuǎn)，在定子和轉(zhuǎn)子之間必須留有一定的空氣隙，中小型電動機的空氣隙約在0.21.0mm之間。4.1.2三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理(1)基本原理為了說明三相異步電動機的工作原理，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工作原理演示實驗：在裝有

4、手柄的蹄形磁鐵的兩極間放置一個閉合導體，當轉(zhuǎn)動手 柄帶動蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)時，將發(fā)現(xiàn)導體也跟著旋；若改變磁鐵的轉(zhuǎn)向，則導體的轉(zhuǎn) 向也跟著改變?，F(xiàn)象解釋：當磁鐵旋轉(zhuǎn)時，磁鐵和閉合的導體發(fā)生相對運動，鼠籠式導體 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)電流又使導體受到一個 電磁力的作用，于是導體就沿磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動起來， 這就是異步電動機的基 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。并接成星形和三相電源 U、V、W相聯(lián)。

5、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 二 Im Sin tiv = ImSin( t- 1200) iw = Imsin( t 120°)B當t=00時，iA=° , AX繞組中無電流;iB為負，BY繞組中的電流從丫流入圖5-3三相異步電動機定子接線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t=1200時，iB=°，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，CZ繞組中的電流從Z流入C流出；由

6、右手螺旋定則可得合 成磁場的方向如圖5-4 （b）所示。當t=2400時，iC，CZ繞組中無電流；iA為負，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流入丫流出；由右手螺旋定則可得合 成磁場的方向如圖5-4（c）所示。可見，當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3旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)磁場的方卩將三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。磁場的形丿t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（3）三相異步電動機的極數(shù)和轉(zhuǎn)速極數(shù)（磁極對數(shù)p

7、）三相異步電動機的極數(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）空間角。極數(shù)p和繞組的始端之間的空間角 的關(guān)系為：轉(zhuǎn)速n三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0和電動機磁極對數(shù)p有關(guān)，它們的關(guān)系 是：60仃n。-P（ 5-1）由（5-1 ）可知，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0

8、決定于電流頻率fl和磁場的極數(shù)p 對某一異步電動機而言，fl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電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向和磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同， 但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達到和 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0相等，否則轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間就沒有相對運動，因而磁力 線就不切割轉(zhuǎn)子導體，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)磁場和轉(zhuǎn)子之間存在轉(zhuǎn)速差，因此我們把這種電動機稱為異步電動機， 又因 為這種電動機的轉(zhuǎn)動原理是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的

9、，故又稱為感應(yīng)電動機。 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和磁場轉(zhuǎn)速n0相差的程度的物理量。即:n0 _ nns 一n°n°(5-2)轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個重要的物理量當旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速nO開始旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子則因機械慣性尚未轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子 的瞬間轉(zhuǎn)速n=0，這時轉(zhuǎn)差率S=1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來之后，n>0，（nO-n）差值減小, 電動機的轉(zhuǎn)差率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。異步電動機運行時，轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速一般很接

10、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）,可以得到電動機的轉(zhuǎn)速常用公式(5-3)三相異步電動機的定子電路和轉(zhuǎn)子電路三相異步電動機中的電磁關(guān)系同變壓器類似,定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組（一般是短接的）相當于副繞組。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，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。4.2三相異步電機變頻調(diào)速的工作原理變頻器是利用電力半導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

11、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。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 PWM波形，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）首先確認變頻器的安裝環(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40°C以下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴格遵

12、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。在水處理間，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械強度、 遠離振 動源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗

13、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)備運行一段時間后，應(yīng)對其進行檢查和維護。 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 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，導致控制 單元失靈或損壞。（2）變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法；變頻器和電機的距離應(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|

14、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全部 用穿線管屏蔽。電機電纜應(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 電纜和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。和變頻器有關(guān)的模擬量信號線和主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。和變頻器有關(guān)的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線， 動力電纜選用屏蔽的三 芯電纜（其規(guī)格要比普通電機的電纜大檔）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

15、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 變頻器到電機的距離較遠時，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能， 但缺相保護卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按 照變頻器的容量進行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護代替熱繼電器。控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時可以手動切 工頻運行，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，接地導線的截面不小于4mm長度不超過5

16、m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。變頻器和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%為了保證變頻器正常可靠運行， 必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱； 變頻器的內(nèi)裝風扇可將變頻器的 箱體內(nèi)部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運行；大功率的變 頻器還需要在控制柜上加風扇，控制柜的風道要設(shè)計合理，所有進風口要設(shè)置防 塵網(wǎng)，排風通暢

17、，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 器說明書的通風量來選擇匹配的風扇，風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%上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。當系統(tǒng)中有高頻沖擊負載如電焊機、 電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾 而出現(xiàn)保護，則考慮整個系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。（3）防護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

18、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)場柜體防護等級要在IP43 以上。防塵：所有進風口要設(shè)置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進入，防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計為可拆卸式，以方便清理，維護。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 周和控制柜的結(jié)合處要處理嚴密。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。423 變頻器接線規(guī)范信號線和動力線必須分開走線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時， 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和強電 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

19、和變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m信號線和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，以保證信號線和動力線的徹底分開。（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，以防止屏蔽線和其它設(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。變頻器的運行和相關(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，導致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象?？刂品绞剑杭此俣瓤刂?、轉(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，需要進行靜態(tài)或動態(tài)辨識。最低運行頻率：即電機運行的最小轉(zhuǎn)速，電機在低轉(zhuǎn)速下運行時，其散熱性 能很差，電機長