1、僅供個人參考不得用于商業用途第4章 變頻器控制異步電動機的系統設計實現電能與機械能相互轉換的電工設備總稱為電機。 電機是利用電磁感應原 理實現電能與機械能的相互轉換。 把機械能轉換成電能的設備稱為發電機， 而把 電能轉換成機械能的設備叫做電動機。在生產上主要用的是交流電動機，特別三相異步電動機，因為它具有結構簡 單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優點。它被廣泛地用來驅動各 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。所以本系統采用的是三相交流異步電動機。對于各種電動機我們應該了解下列幾個方面的問題：（1）基本構造；（2）工 作原理；（3）表示轉速與轉

2、矩之間關系的機械特性；（4）起動、調速及制動的基 本原理和基本方法；（5）應用場合和如何正確使用。4.1 三相異步電動機的結構與工作原理4.1.1 三相異步電動機的構造三相異步電動機的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。 此外還有端蓋、圖5-1三相電動機的結構示意圖（1）定子三相異步電動機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的 相同的線圈。這三相繞組可接成星形或二角形。機座機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組(2

3、)轉子三相異步電動機的轉子由三部分組成:轉子鐵心由厚度為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，其作用是嵌放轉子三相繞組。轉子繞組轉子繞組有兩種形式：鼠籠式-鼠籠式異步電動機。繞線式-繞線式異步電動機。轉軸轉軸上加機械負載鼠籠式電動機由于構造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產上應用得最廣泛的一種電動機。為了保證轉子能夠自由旋轉，在定子與轉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

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體，當轉動手 柄帶動蹄形磁鐵旋轉時，將發現導體也跟著旋；若改變磁鐵的轉向，則導體的轉 向也跟著改變。現象解釋：當磁鐵旋轉時，磁鐵與閉合的導體發生相對運動，鼠籠式導體 切割磁力線而在其內部產生感應電動勢和感應電流。 感應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方向轉動起來， 這就是異步電動機的基 本原理。轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同。結論：欲使異步電動機旋轉，必須有旋轉的磁場和閉合的轉子繞組。(2)旋轉磁場產生圖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 的規律對稱排列。并接成星形與三

5、相電源 U、V、慟目聯。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生旋轉磁場(圖5-4)。iu = ImSin tiv = ImSin( t T200)iw = ImSin( t 1200)圖5-3三相異步電動機定子接線當t=00時，iA 二0, AX繞組中無電流；iB為負，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，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t=2400時，iC =0, 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敹ㄗ永@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 在空間旋轉一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化， 產生的合成 磁場也不斷地旋，因此稱為旋轉磁場。AAAX圖5-4 X旋轉磁場的形成X(a) cot = 0°(b) cot = 120°(c) wt = 240°旋轉磁場的方向旋轉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即可。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變。(3)三相異步電動機的極數與轉速極數(磁極對數p)三相異步電動機的極數就是旋轉磁場的極數。旋轉磁場的極數和三相繞組的 安排有關。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，產生的旋轉磁場具有一對極，即p=1;當每相繞組為兩個線圈串聯，繞組的始端之間相差600空間角時，產生的旋轉磁場具有兩對極，即p=2;同理，如果要產生三對極，即p=3的旋轉磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯的三個線圈，繞組的始端之間相差400(=1200/p)

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

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

10、S<1。如果轉軸上的阻轉矩加大，則轉子轉速 n降低，即異步程度加大，才能產生足夠大的感受電動勢和電流， 產生足夠大的電磁轉矩，這時的轉差率S增大。反之，S減小。異步電動機運行時,轉速與同步轉速一般很接近,轉差率很小。在額定工作狀態下約為0.0150.06之間根據式(4-2),可以得到電動機的轉速常用公式 n = 1-s nb(5-3)三相異步電動機的定子電路與轉子電路三相異步電動機中的電磁關系同變壓器類似,定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉子繞組(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，此三相電流產生旋轉磁場，其磁力線通過定子和轉 子鐵心而閉合，

11、這個磁場在轉子和定子的每相繞組中都要感應出電動勢。4.2 三相異步電機變頻調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換成直流電源，然后再把直流電源 轉換成頻率、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、 中間直流環節、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，中間直流環節為濾波、 直流儲能和緩沖無功功率。4.2.1 變頻器控制原理圖設計(1)首先確認變頻器

12、的安裝環境；工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響， 產品一般要求為055C,但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地， 最好控制在40c以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵 守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器 的底部安裝。環境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現結露現象，其 絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發短路事故。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械振動和沖擊時，會引起電氣接 觸不良?；窗矡犭娋统霈F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，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內電磁開關之類產生振動 的元器件。設備運行一段時間后，應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，柜內儀表和電 子系統，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠 接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且

14、 屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統無法工作，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該盡量的短。 這樣減小了電纜的對地電容，減少干 擾的發射源?？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全部 用穿線管屏蔽。電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為 500mm同時應避免電機 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生 的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關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生的高次諧波通過電源的輸入回路 返回到電網從而影響其他的受電設備，需要根據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。可以用變頻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

16、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穩定性，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5m變頻 器的接地應和動力設備的接地點分開， 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 變頻器控制柜設計：變頻器應該安裝在控制柜內部，控制柜在設計時要注意以下問題(1)散熱問題：變頻器的發熱是由內部的損耗產生的。 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\行， 必須對變頻

17、器進行散熱我們通常采用風扇散熱； 變頻器的內裝風扇可將變頻器的 箱體內部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應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，控制柜的風道要設計合理，所有進風口要設置防 塵網，排風通暢，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絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很 大占整個系統25%Z上，需要考

18、慮控制電源的抗干擾措施。當系統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 而出現保護，則考慮整個系統的電源質量問題。(3)防護問題需要注意以下幾點：防水防結露：如果變頻器放在現場，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，總之現場柜體防護等級要在IP43 以上。防塵：所有進風口要設置防塵網阻隔絮狀雜物進入， 防塵網應該設計為可 拆卸式，以方便清理，維護。防塵網的網格根據現場的具體情況確定，防塵網四 周與控制柜的結合處要處理嚴密。防腐蝕性氣體：在化工行業這種情況比較多見，此時可以將變頻柜放在控 制室中。4.2.3 變頻器接線規范信號線與動力線必

19、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備的干擾， 請將控制變頻器的信號線與強電 回路(主回路及順控回路)分開走線。距離應在 30cm以上。即使在控制柜內， 同樣要保持這樣的接線規范。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部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內,極易受到變頻器和外部設備的干擾；同時由于變頻器無內置的電抗器，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，以保證信號線與動力線的徹底分

20、開。(1)模擬量控制信號線應使用雙股絞合屏蔽線，電線規格為 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 變頻器的運行和相關參數的設置變頻器的設定參數多，每個參數均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個 別參數設置不當，導致變頻器不能正常工作的現象?？刂品绞剑杭此俣瓤刂?、轉距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后， 一般要根據控制精度，需要進行靜態或動態辨識。最低運行頻率：即電機運行的最小轉速，電機在低轉速下

21、運行時，具散熱性 能很差，電機長時間運行在低轉速下，會導致電機燒毀。而且低速時，其電纜中 的電流也會增大，也會導致電纜發熱。最高運行頻率：一般的變頻器最大頻率到 60Hz,有的甚至到400 Hz,高頻 率將使電機高速運轉，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉速運行， 電機的轉子是否能承受這樣的離心力。載波頻率：載波頻率設置的越高具高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發熱，電纜發熱變頻器發熱等因素是密切相關的。電機參數：變頻器在參數中設定電機的功率、 電流、電壓、轉速、最大頻率， 這些參數可以從電機銘牌中直接得到。跳頻：在某個頻率點上，有可能會發生共振現象，特別在整個裝置比較高時； 在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。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、負載