第二季自動線中異步電動機及控制

自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試張超-----自動線中的異步電動機及控制三相異步電動機在運行過程中需注意三相異步電動機在運行過程中需注意，若其中一相和電源斷開，則變成單相運行。此時電機仍會按原來方向運轉(zhuǎn)。但若負載變，三相供電變?yōu)閱蜗喙╇?，電流將變大，導致電機過熱導。使用中要特別注意這種現(xiàn)象；三相異步電動機若在啟動前有一相斷電,將不能啟動。此時只能聽到嗡嗡聲,長時間啟動不了，也會過熱，必須趕快排除故障。注意外殼的接地線必須可靠的接大地防止漏電引起人身傷害防止漏電引起人身傷害。

2.1、交流異步電動機及控制工作原理三相異步電動機轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因為轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)有一個旋轉(zhuǎn)磁場。下面來討論旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。

3.1.2工作原理

1．三相交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場如圖所示，U1U2,V1V2,W1W2為三相定子繞組，在空間彼此相隔120°，接成Y形。三相繞組的首端U1,V1,W1接在三相對稱電源上，有三相對稱電流通過三相繞組。設(shè)電源的相序為U,V,W,的初相角為零，如圖3.6波形圖所示。圖三相交流電流波形圖

設(shè)

為了分析方便，假設(shè)電流為正值時，在繞組中從始端流向末端，電流為負值時，在繞組中從末端流向首端。當?shù)乃查g，=0，為負值，為正值，根據(jù)”右手螺旋定則”，三相電流所產(chǎn)生的磁場疊加的結(jié)果，便形成一個合成磁場，如圖3.7（a）所示，可見此時的合成磁場是一對磁極（即二極），右邊是N極，左邊是S極。圖3.7兩極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖

當時，即經(jīng)過1/4周期后，由零變成正的最大值，仍為負值，已變成負值，如圖3.6（b）所示，這時合成磁場的方位與時相比，已按逆時針方向轉(zhuǎn)過了90°。應用同樣的方法，可以得出如下結(jié)論：當時，合成磁場就轉(zhuǎn)過了180°，如圖3.6（c）所示；當時合成磁場方向旋轉(zhuǎn)了300°，如圖3.6（d）所示；當時合成磁場旋轉(zhuǎn)了360°，即轉(zhuǎn)1周，如圖3.6（a）所示。由此可見，對稱三相電流分別通入對稱三相繞組U1U2,V1V2,W1W2中所形成的合成磁場，是一個隨時間變化的旋轉(zhuǎn)磁場。以上分析的是電動機產(chǎn)生一對磁極時的情況，當定子繞組連接形成的是兩對磁極時，運用相同的方法可以分析出此時電流變化一個周期，磁場只轉(zhuǎn)動了半圈，即轉(zhuǎn)速減慢了一半。由此類推，當旋轉(zhuǎn)磁場具有p對極時（即磁極數(shù)為2p），交流電每變化一個周期，其旋轉(zhuǎn)磁場就在空間轉(zhuǎn)動1/p轉(zhuǎn)。因此，三相電動機定子旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘的轉(zhuǎn)速n1、定子電流頻率f及磁極對數(shù)p之間的關(guān)系是（3-1）空間120度對稱分布的三相繞組通過三相對稱的交流電流時，產(chǎn)生的合成磁場為極對數(shù)p=1的空間旋轉(zhuǎn)磁場，每電源周期旋轉(zhuǎn)一周，即兩個極距；某相繞組中電流達到最大值時，磁極軸線恰好旋轉(zhuǎn)到該相繞組軸線上。2．三相電動機的轉(zhuǎn)動原理圖3.8為三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理示意圖。三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導體切割，根據(jù)電磁感應原理，轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時針方向旋轉(zhuǎn)，且某時刻為上為北極N下為南極S，如圖3.7所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導體的電動勢和電流方向由里向外，用⊙表示；在下半部則由外向里，用⊕表示。圖3.8三相電動機的轉(zhuǎn)動原理原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場以速度n0切

割轉(zhuǎn)子導體感生電動勢（發(fā)電機

右手定則），在轉(zhuǎn)子導體中形成

電流，使導體受電磁力作用形成

電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順n0

方向旋轉(zhuǎn)（電動機左手定則），

并從軸上輸出一定大小的機械功

率。(n不能等于n0)

特點：·電動機內(nèi)必須有一個以

n0旋轉(zhuǎn)的磁場。－實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)

換的前提；電動運行時n恒不等

于n0（異步）－必要條件n<n0；

建立轉(zhuǎn)矩的電流由感應產(chǎn)生。

－感應名稱的來源。

流過電流的轉(zhuǎn)子導體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖3.8所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導體上，對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因為只有這樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間才會有相對運動而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導體中才能產(chǎn)生感應電動勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見，且，是異步電動機工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。

3．轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率s，即（3-2）轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個基本參數(shù)，對分析和計算異步電動機的運行狀態(tài)及其機械特性有著重要的意義。當異步電動機處于電動狀態(tài)運行時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n同向。轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動時，n=0,；當時，，可知異步電動機處于電動狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率的變化范圍總在0和1之間，即0＜s＜1。一般情況下，額定運行時=1%～5%。2.2、變頻器驅(qū)動交流異步電動機YL-335B分揀站使用的三相交流減速電機的速度分揀站使用的三相交流減速電機的速度、方向控制采用西門子通用變頻器MM420，其電氣連接如圖其電氣連接如圖所示。三相交流電源經(jīng)熔斷器、交流接觸器交流接觸器、濾波器（可選）、變頻器輸出到交流電動機。

教學內(nèi)容2.2.1變頻器的基本構(gòu)成變頻器由主電路（整流器、中間直流環(huán)節(jié)（中間直流儲能環(huán)節(jié)）、逆變器）和控制電路組成。

2.1變頻器的結(jié)構(gòu)及原理及分類

圖2-1變頻器基本構(gòu)成2.1.2變頻器的原理(1)基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速為了保持電動機的負載能力，應保持氣隙主磁通Φm不變，這就要求降低供電頻率的同時降低感應電動勢，保持E1/f1=常數(shù)，即保持電動勢與頻率之比為常數(shù)進行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。由異步電動機轉(zhuǎn)矩公式T=KmΦI2cosφ2（轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km，轉(zhuǎn)子電流I2，轉(zhuǎn)子電路功率因素cosφ2）得T∝Φ，即“恒磁通變頻調(diào)速”屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。

但是，E1難于直接檢測和直接控制。當頻率較高時，E1和f1的值較高，定子的漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）相對較小，如忽略不計，則可以近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，即認為U1=E1，保持U1/f1=常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。當頻率較低時，U1和E1都變小，定于漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。近似的保持E1/f1=常數(shù)的關(guān)系。如圖2-2所示，其中1為U1/f1=C時的電壓、頻率關(guān)系，2為有電壓補償時（近似的E1/f1=C）的電壓、頻率關(guān)系。

圖2-2U1/f1關(guān)系1--U1/f1=C2—近似E1/f1=C

（2）基頻以上的弱磁變頻調(diào)速這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況。頻率由額定值f1N向上增大，但電壓U1；受額定電壓U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不變。必然會使主磁通隨著f1的上升而減小，相當于直流電動機弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。2.2.1通用變頻器的分類（1）按直流電源的性質(zhì)分類：1）電流型變頻器圖2-3電流型變頻器的主電路特點：中間直流環(huán)節(jié)采用大電感；直流電流Id趨于平穩(wěn)，電動機的電流波形為方波或階梯波，電壓波形接近于正弦波。2）電壓型變頻器圖2-4電壓型變頻器的主電路特點：中間直流環(huán)節(jié)采用大電容；直流電壓Ud趨于平穩(wěn)，電動機的端電壓為波或階梯波。（2）按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類1）PAM方式通過改變直流電壓幅值進行調(diào)壓的方式。輸出電壓的調(diào)節(jié)由相控整流器或直流斬波器。圖2-5電壓型變頻器的主電路圖2-6采用直流斬波器的PAM方式1）PWM方式利用參考電壓波與載頻三角波互相比較來決定主開關(guān)器件的導通時間而實現(xiàn)調(diào)壓。利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。圖2-7PWM變頻器主電路這種參考信號為正弦波、輸出電壓平均值近似為正弦波的PWM方式，稱為正弦PWM調(diào)制，簡稱SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）方式。在通用變頻器中，采用SPWM方式調(diào)壓，是一種最常采用的方案。3）高載波頻率的PWM方式這種方式與上述的PWM方式的區(qū)別僅在于調(diào)制頻率有很大的提高。主開關(guān)器件的工作頻率較高，普通的功率晶體管已經(jīng)不能適應，常采用開關(guān)頻率較高的IGBT或MOSFET。因為開關(guān)頻率達到10～20kHZ，可以使電動機的噪聲大幅度降低（達到了人耳難于感知的頻段）。其主電路（IGBT作逆變器開關(guān)器件為例）如圖2-8所示。這種采用IGBT的高載波頻率的PWM通用變頻器正在取代以BJT為開關(guān)器件的變頻器。圖2-8高載波頻率PWM變頻器（IGBT變頻器）（3）按控制方式分類1）U/f控制（VVVF）圖2-9U/f控制方式U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電流簡單，負載可以是通用標準異步電動機，所以通用性強，經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。2）轉(zhuǎn)差頻率控制為提高調(diào)速精度，采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉(zhuǎn)差頻率△f，再把它與速度設(shè)定值f相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值f1，就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補償。這種實現(xiàn)轉(zhuǎn)差補償?shù)拈]環(huán)控制方式稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方式。圖2-10轉(zhuǎn)差頻率控制方式3）矢量控制圖2-11矢量控制原理框圖采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。2.2.2通用變頻器的SPWM控制變頻器控制輸出正旋波的驅(qū)動電源是是以恒電壓頻率比U/f）保持磁通不變?yōu)榛A(chǔ)的的，在經(jīng)過正旋波脈寬調(diào)制（SPWM）驅(qū)動主電路，以產(chǎn)生U、V、W三相交流電驅(qū)動三相交流異步電動機。

等效于正旋波的脈寬調(diào)制波波形。SPWM調(diào)制的控制信號為幅值