運動控制系統安裝與調試3.1.1交流控制方案設計任務分析1根據任務分析，本項目主要是完成兩個交流電機的控制，一個是主軸電機、一個是冷卻電機并有相應的面板及指示。主軸電機需要正反轉、預留調速冷卻電機只需起停但和主軸電機有一定起停順序此外還需相應的輸入及輸出指示。3.1.1交流控制方案設計任務分析1主軸電機為：3相AC380V、50Hz、3kW、2880r/min冷卻電機為：3相AC380V、50Hz、125W、2790r/min。工作狀態指示燈有：主軸故障燈、機床正常燈。根據上述要求，完成控制系統設計3.1.1交流控制方案設計整個系統的控制方案如圖3-1所示。系統方案各組成部分簡介：電源：電源部分負責給交流電機、變頻器、強電控制電路、PLC和控制面板等供電。因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相380V電源，本方案采用采用三相380V電源。電路中采用380V/220V變壓器得到220VAC電壓，并采用開關電源進一步得到24VDC電壓。方案設計23.1.1交流控制方案設計強電控制電路：

主要用于系統急停、冷卻電機的起停、主軸電路的上電等。PLC：

采用西門子s7-1200型PLC，用于控制強電電路，進而控制冷卻電機起停、控制變頻器上電；控制變頻器的起停、正轉反轉及轉速；控制指示燈等。

控制面板：

主要用于強電電路的急停輸入；PLC的起動、停止等輸入和故障指示、正常指示等輸出。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.1.2電源電路設計電源電路圖1其作用是給整個運動控制系統供電。電路由電源保護裝置、380VAC供電、220VAC供電和24VDC供電四個部分組成。3.1.2電源電路設計主要元器件作用2電源保護裝置有斷路器、熔斷器等，在短路、過載、欠壓等情況下對電路及元器件起到保護作用；380VAC主要用于變頻器、和冷卻電機的供電；220VAC主要用于強電電路的供電；24VDC供電電路主要用于PLC及控制面板等的供電。斷路器的特性主要有：額定電壓Ue；額定電流In；過載保護（Ir或Irth）和短路保護（Im）的脫扣電流整定范圍；額定短路分斷電流（工業用斷路器Icu；家用斷路器Icn）等。熔斷器（fuse）是指當電流超過規定值時，以本身產生的熱量使熔體熔斷，斷開電路的一種電器。熔斷器是根據電流超過規定值一段時間后，以其自身產生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開；運用這種原理制成的一種電流保護器。3.1.2電源電路設計變壓器（Transformer）是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯（磁芯）。主要功能有：電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.1.3-3.1.7控制電路設計主軸電機控制電路1其主要能完成主軸電機上電、轉速設定、正轉、反轉、急停、報警等功能。3.1.3-3.1.7控制電路設計變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。3.1.3-3.1.7控制電路設計冷卻電機控制電路設計2

冷卻電機控制電路主要控制冷卻液供給，電路如圖3-2所示。

電路左端1L1、1L2、1L3接電源電路的380VAC，中間接斷路器E1-QM1，進行短路或過載保護。

系統通過強電控制電路接觸器的觸點E1-K1來控制冷卻電機的起停。E1-Z1為阻容吸收器，吸收線圈分、合時的反勢電壓。3.1.3-3.1.7控制電路設計感性電路的接通和斷開會引起過電壓，這種情況尤其會在接觸器控制回路斷開時出現。斷開接觸器線圈時，會導致線圈閉合時儲存在磁流回路中的電磁能量的釋放，以一陣過電壓波為特征恢復，產生陡坡和極高的振幅，可達千伏，這種情況嚴重干擾了電子設備，引起絕緣燒毀，毀壞敏感器件。為了減少這種危害，采用專用的浪涌抑制器；可以縮短或抑制預阻尼條件和預期相關的高頻率。措施方法：

二級管

RC阻容吸收

可調電阻等與線圈并聯浪涌抑制器3.1.3-3.1.7控制電路設計強電控制電路設計3強電控制電路主要實現系統急停、主軸電路上電和冷卻電機上電等功能。電路如圖3-3所示。當按下M1-SB1常閉急停按鈕，繼電器M1-K1線圈失電，繼電器M1-K1觸點斷開，繼電器M1-K2線圈失電，繼電器M1-K2觸點斷開，接觸器H1-K1線圈、接觸器E1-K1線圈失電，主軸電路和冷卻電路斷開，實現急停。3.1.3-3.1.7控制電路設計在非急停狀態下，打開鑰匙開關M1-SA1，繼電器M1-K2線圈得電，繼電器M1-K2觸點接通，為接觸器H1-K1線圈、接觸器E1-K1線圈得電做準備。PLC控制M3-K1、M3-K2觸點，當M3-K1閉合時，接觸器H1-K1線圈得電，主軸電路上電；當M3-K2閉合時，接觸器E1-K1線圈得電，冷卻電路上電。3.1.3-3.1.7控制電路設計PLC輸入控制電路4電路如圖3-4所示。M2-SB1按鈕用于控制主軸電路接通，M2-SB2按鈕用于控制主軸電路斷開，M2-SA1按鈕用于冷卻電機電路接通與斷開；3.1.3-3.1.7控制電路設計M1-K1按鈕和圖3-3中的M1-SB1急停按鈕并聯，用于控制系統急停；M2-SB3、M2-SB4按鈕用于控制主軸電機正轉和反轉；E1-QM1為圖3-2中的斷路器輸出觸點，當有短路、過載等情況時，把信號傳遞給PLC。I0.7接圖1-18的變頻器的1、2端，當變頻器檢測到過載、短路時把信號傳遞給PLC3.1.3-3.1.7控制電路設計PLC輸出控制電路設計5Q0.0為高電平時，繼電器M3-K1線圈得電，圖3-3中的繼電器M3-K1觸點閉合，接觸器H1-K1線圈得電，圖1-18中的接觸器H1-K1觸點閉合，主軸系統上電。3.1.3-3.1.7控制電路設計Q0.1為高電平時，繼電器M3-K2線圈得電，圖3-3中的繼電器M3-K2觸點閉合，接觸器E1-K1線圈得電，圖3-2中的接觸器E1-K1觸點閉合，冷卻電機上電。3.1.3-3.1.7控制電路設計Q0.3為低電平、Q0.2為高電平時，繼電器M3-K3線圈得電，圖1-18中的繼電器M3-K31觸點閉合，在主軸系統上電的基礎上，電機正轉。Q0.2為低電平，Q0.3為高電平時，同理電機反轉。Q0.4、Q0.5分別用于指示機床正常運行或機床故障。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.1交流電機的分類及應用分類1電機應用廣泛，種類繁多。我們知道，按工作電源種類電機可分為直流電機和交流電機。交流電機還可分：同步電機和異步電機。同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。

異步電機可劃分：

感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機可劃分：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機可劃分：單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機3.2.1交流電機的分類及應用如圖3-6所示。3.2.1交流電機的分類及應用交流同步電動機2交流同步電動機是一種恒速驅動電動機，其轉子轉速與電源頻率保持恒定的比例關系，被廣泛應用于電子儀器儀表、現代辦公設備、紡織機械等。3.2.1交流電機的分類及應用交流異步電動機3

交流異步電動機是領先交流電壓運行的電動機，電機的轉速（轉子轉速）小于旋轉磁場的轉速，從而叫為異步電機。

其廣泛應用于電風扇、電冰箱、洗衣機、空調器、電吹風、吸塵器、油煙機、洗碗機、電動縫紉機、食品加工機等家用電器及各種電動工具、小型機電設備中。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.2三相異步電動機結構及工作原理定子1

三相異步電動機是應用最為廣泛的一種交流電動機，其負載時的轉速與所接電網的頻率之比不是恒定關系。還隨著負載的大小發生變化。負載轉矩越大，轉子的轉速越低。電機外形及接線端子如圖3-7所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理定子由機座、鐵芯及繞組組成。機座通常用鑄鐵或鑄鋼制成。是電動機的支架，用來固定和支撐定子鐵芯。電機結構及機座如圖3-8所示。定子鐵芯由0.5mm個硅鋼片疊壓而成，用于嵌放繞組，提供磁路。如圖3-9所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理

定子繞組是對稱的三相繞組，分別用U1U2、V1V2、W1W2表示。其中U1、V1、W1是首端，U2、V2、W2是末端。定子接線盒外部如圖3-7右圖所示，定子接線盒內部如圖3-11所示3.2.2三相異步電動機結構及工作原理轉子2轉子由鐵芯、繞組和轉軸組成。在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢或電流，產生電磁轉矩。轉子鐵芯：由硅鋼片疊壓而成，嵌放繞組，提供磁路，是電動機磁路的一部分。硅鋼片如圖3-12所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理轉子繞組轉子繞組構成電動機電路的另一部分，有繞線式和鼠籠式。繞線式的異步電動機能采用轉子繞組串電阻起動和調速，因此起動性能和調速性能比鼠籠式異步電機優越。但由于鼠籠式異步電動機結構簡單易于維護，具有一系列的優點，應用廣泛。鼠籠式轉子繞組大部分是澆鑄鋁籠型（如圖3-13左），大功率也有銅條制成的籠型轉子導體（如圖3-13右）。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理轉軸一般用45號鋼制成，用來傳遞電磁轉矩。轉軸上面安裝轉子繞組，安裝繞線式轉子繞組和鼠籠式轉子繞組的轉軸如圖3-14所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理異步電機的原理模型3利用線圈在旋轉到磁場中切割磁力線，產生感應電動勢和感應電流，產生感應電流的線圈在磁場中受力的原理，使線圈旋轉。模型如圖3-15所示。鼠籠會隨著磁鐵旋轉的方向進行旋轉當磁鐵N-S以n0轉速進行旋轉時，線圈會切割磁力線，由右手定則（如圖2-17所示），拇指為線圈相對磁力線運動方向（向右），磁場穿過掌心，四指方向為產生感應電動勢e方向，i為感應電流方向。產生感應電流i的線圈的運動由左手定則（圖2-16所示）確定。四指為通電電流方向，磁場穿過掌心，拇指為受力方向F。所以，產生感應電流i的線圈在磁場的作用下，轉速為n，其轉向與磁鐵轉向一致。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理三相異步電動機的工作原理4（1）旋轉磁場的產生三相異步電動機中，旋轉磁場代替了旋轉磁鐵N-S。為了簡便起見，假設每相繞組只有一個線匝，分別嵌在定子內圓周的6個凹槽之中。如圖3-16所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理把三相繞組圖繪制成示意圖，如圖3-17所示規定：電流正方向為：首端A到末端X，首端B到末端Y，首端C到末端Z且A相繞組電流iA作為參考正弦量。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理規定：電流正方向為：首端A到末端X，首端B到末端Y，首端C到末端Z且A相繞組電流iA作為參考正弦量。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理三相交流電的方程為：3.2.2三相異步電動機結構及工作原理當t=0，ωt=0°時，如圖3-20左圖。由3.1方程：iA=0，iB=-0.87Im，iC=0.87Im。B端為負，電流流出，Y端電流流入；C端為正，電流流入，Z端電流流出；所以為合成磁場方向根據安培定則（右手螺旋定則），拇指指向電流方向，四指環繞方向為磁力線方向，如圖3-20右圖所示。所以N-S方向向下。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理當t=T/6，ωt=60°時，如圖3-21左圖。由3.1方程：iA=0.87，iB=-0.87Im，iC=0。A端為正，電流流入，X端電流流出；B端為負，電流流出，Y端電流流入；所以為合成磁場方向根據安培定則，N-S方向與豎直方向夾角向下60度，如圖3-21右圖所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理當t=T/3，ωt=120°時，如圖3-22左圖。由3.1方程：iA=0.87，iB=0，iC=-0.87Im。A端為正，電流流入，X端電流流出；C端為負，電流流出，Z端電流流入；所以為合成磁場方向根據安培定則，N-S方向與豎直方向夾角向上60度，如圖3-22右圖所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理當t=T/2，ωt=180°時，如圖3-23左圖。由3.1方程：iA=0，iB=0.87Im，iC=-0.87Im。B端為正，電流流入，Y端電流流出；C端為負，電流流出，Z端電流流入；所以為合成磁場方向根據安培定則，N-S方向向上，如圖3-23右圖所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理同理分析，可得其它電流角度下的磁場方向。所以可以得到如下結論：1）當三相電流隨時間的變化而不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉，這樣就產生了旋轉磁場。2）旋轉磁場的方向與三相電流的相序一致。要改變電機的旋轉方向，只需換接其中兩相即可。如圖3-24所示。相續由A、B、C變為圖3-24左圖中的A、C、B，則磁場轉向則由順時針變為圖3-24最右端的逆時針。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理（2）旋轉磁場的轉速大小一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°。則同步轉速（旋轉磁場相對定子的旋轉速度稱為同步轉速，用n0表示。）為：其中，f為交流電的頻率。工頻時，f=50Hz。（3）極對數對轉速的影響當三相定子繞組按圖3-18右圖所示排列時，產生一對磁極的旋轉磁場，此種接法下，合成磁場只有一對磁極，則極對數為1，即：p=1。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理將每相繞組分成兩段，按圖3-25所示放入定子槽內。形成的磁場則是2對磁極。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理當t=0，ωt=0°時，如圖3-26左圖。由3.1方程：iA=0，iA'=0；iB=-0.87Im，iB'=-0.87Im

；iC=0.87Im，iC'=0.87Im

。B端、B'端為負，電流流出，Y端、Y'端電流流入；C端、C'端為正，電流流入，Z端、Z'端電流流出；所以為合成磁場方向根據安培定則（右手螺旋定則），如圖3-26右圖所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理當t=T/6，ωt=60°時，由3.1方程：iA=0.87，iA'=0.87；iB=-0.87Im，iB'=-0.87Im；iC=0，iC'=0。A端、A'端為正，電流流入，X端、X'端電流流出；B端、B'端為負，電流流出，Y端、Y'端電流流入；所以為合成磁場方向根據安培定則，可知磁場順時針轉過30度，如圖3-27右圖所示。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理所以，可知旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數。（3）工作原理總結三相異步電動機的轉子之所以能夠旋轉，是因為經過了如下過程：1）三相交流電源接通三相定子繞組；2）定子繞組產生三相對稱電流；3）三相對稱電流在電機內部建立旋轉磁場；4）旋轉磁場與轉子繞組產生相對運動；5）轉子繞組中產生感應電流；6）感應電流轉子繞組(感應電流)在磁場中受到電磁力的作用；7）在電磁力作用下，轉子逆時針方向開始旋轉，轉速為n。由此可知，三相異步電動機是通過載流的轉子繞組在磁場中受力而使電動機轉子旋轉的，而轉子繞組中的電流由電磁感應產生，并非外部輸入，故異步電動機又稱感應電動機。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理（4）轉差率由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速不可能與旋轉磁場的轉速相等。如果二者相等，則轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子；無轉子電動勢和轉子電流，進而無轉矩；因此，轉子轉速必須小于旋轉磁場轉速。旋轉磁場的轉速（同步轉速）與轉子（電動機）的轉速之差稱為轉差，轉差與旋轉磁場的轉速之比稱為轉差率，用s表示，即：s是一個沒有單位的數。正常運行的異步電動機，轉子轉速n接近于同步轉速n0，轉差率s很小，一般s=0.015~0.06。轉子轉速亦可由轉差率求得：3.2.2三相異步電動機結構及工作原理利用轉差率還可以計算轉子電流頻率，即轉子繞組電流頻率轉子繞組電流頻率符號表示為f2。設定電源頻頻率為f1，轉差率為S，f2=S×f1。

（3.6）轉子不動時，由定子產生的旋轉磁場相對于轉子繞組的速度與相對于定子繞組的速度完全一樣。于是，轉子電流的頻率f2與定子電流的頻率f1相等。當轉子以同步速旋轉時，旋轉磁場與轉子之間沒有相對運動，轉子電流的頻率為零。在其它轉速下，轉子電流的頻率正比于轉差率S。3.2.2三相異步電動機結構及工作原理例1：一臺三相異步電動機，其額定轉速n=975r/min，電源頻率f=50Hz。試求電動機的極對數和額定負載下的轉差率。解：根據異步電動機轉子轉速與旋轉磁場同步轉速的關系可知：n0=1000r/min，由式3.3得：p=3。由式3.4得額定轉差率為：謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性異步電機的電磁轉矩1

異步電動機的電磁轉矩等于轉子中各載流導體在旋轉磁場作用下，受到電磁力所形成的轉矩之總和。電磁轉矩的另一種表達形式為：其中：K——與電動機結構參數、電源頻率有關的一個常數；U1——電源電壓；R2——轉子每相繞組的電阻；s——轉差率；X20——電動機不動（s=1）時轉子每相繞組的感抗。3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性式3.7說明，只要電機參數不發生變化，電磁轉矩正比于電源電壓的平方。反映了電動機的電磁轉矩在負載不變情況下，其大小取決于電源電壓的高低。但這并不意味電動機的工作電壓越高，電動機實際輸出的電磁轉矩就越大。電動機拖動機械負載運行時，輸出機械轉矩的大小，實際上決定于來自于電動機軸上負載阻轉矩的大小。換言之，當電磁轉矩T等于負載阻轉矩TL時，電動機就會在某一速度下穩定運行；若T>TL，電動機就會加速運行；若T<TL，電動機則要減速運行直至停轉。3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性根據公式3.7，可得異步機的電磁轉矩特性曲，如圖3-28所示。其中，Tm對應于最大電磁轉矩；sm對應最大電磁轉矩的臨界轉差率。3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性異步電機的機械特性1在異步電動機中，轉速

n=(1-s)n0可將曲線換成轉速與轉矩之間的關系曲線（把轉矩特性曲線旋轉90°），即稱為異步電動機的機械特性，如圖3-29所示。異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規定的接線方式，定子和轉子電路中不串聯任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有（自然）機械特性。從特性曲線上可以看出，機械特性曲線可分為穩定運行區AB段和非穩定運行區BC段兩部分。3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性

電動機運行在AB段，其電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。

電機穩定運行時，TL=TN。當負載增加時，TL'>TN，動力小于阻力，電機穩定運行狀態被破壞。這時，轉速n下降，轉差率s上升，轉子電路感應電動勢增加，電流I2增大，定子電流I1隨之增大，電磁轉矩T增大至T′。當T′=TL′時，電動機轉速重新穩定在n'上，此時n′<n。特性曲線的N點向右移。當負載減少時，TL″<TN，動力大于阻力，電機的穩定運行狀態被破壞。這時，轉速n上升，轉差率s下降，轉子電路感應電動勢減小，電流I2減小，定子電流I1隨之減小，電磁轉矩T減小至T″。當T″=TL″時，電動機轉速重新穩定在n″上，此時n″>n。特性曲線的N沿特性曲線左移。3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性機械特性曲線上有四個特殊點，這四個特殊點是：（1）理想空載工作點圖3-29中的A點，電動機處于理想空載工作點，此時電動機的轉速為理想空載轉速。此時：T=0，n=n0，s=0。（2）電動機額定工作點電動機額定電壓下以額定轉速nN運行，輸出額定機械功率PN時，電機轉軸上對應輸出的機械轉矩為額定電磁轉矩TN。此時額定轉矩和額定轉差率為：T=TN，n=nN，s=sN。其中：PN——電動機的額定功率；TN——電動機的額定轉矩；nN——電動機的額定轉速；一般nN=(0.94~0.985)n0；sN——電動機的額定轉差率，一般sN=0.06~0.0153.2.3三相異步電機轉矩與機械特性（3）電動機起動工作點圖3-29中的C點。起動工作點的起動轉矩反映了異步電機帶負載起動時的性能。此時轉矩和轉差率為：T=Tst，n=0，s=1。將s=1代入轉矩公式3.7中，可得：可見，異步電動機的啟動轉矩Tst

與U、R2及X20有關。當施加在定子每相繞組上的電壓降低時，啟動轉矩會明顯減小；當轉子電阻適當增大時，啟動轉矩會增大；而若增大轉子電抗則會使啟動轉矩大為減小。通常把在固有機械特性上啟動轉矩Tst與額定轉矩TN之比：

st=Tst/TN3.2.3三相異步電機轉矩與機械特性

st稱作電動機的起動能力。其作為衡量異步電動機啟動能力的一個重要數據。通常在1.4~1.8之間。如果電機的起動轉矩Tst小于電動機軸上的負載阻轉矩TL時，電動機將無法起動。（4）電動機臨界工作點電機轉矩最大值的點稱為臨界工作點，如圖3-29中的B點。此時轉矩（最大轉矩）和轉差率（臨界轉差率）為：T=Tmax，n=nm，s=sm。欲求轉矩的最大值，可令：dT/dn=0；得臨界轉差率：sm=R2/X20，再將sm代入轉矩公式3.7中，即可得：通常把在固有機械特性上最大電磁轉矩與額定轉矩之比：

m=Tmax/TN

m稱為電動機的過載能力系數。它表征了電動機能夠承受沖擊負載的能力大小，是電動機的又一個重要運行參數。鼠籠式異步電動機的

m（1.8~2.2）一般小于線繞式異步電動機的

m（2.5~2.8）。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.4三相異步電機的起動與制動起動性能分析1三相異步電機起動時，n=0、s=1，接通電源。（1）起動問題分析

這時，起動電流大，起動轉矩小。一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5-7倍；電動機的起動轉矩為額定轉矩的1.0~2.2倍。（2）原因分析

之所以起動電流非常大，是因為起動時，n=0，由于旋轉磁場與轉子之間相對速度很大，轉子導體切割磁力線速度很大，轉子感應電勢大導致轉子電流大。3.2.4三相異步電機的起動與制動

因為轉子電流增加，磁通隨之增加，根據電磁感應定律，磁通將反對原有磁通的變化，因而失去磁作用增加，這樣，鐵芯中磁通將減少，定子繞組的自感電動勢（反電勢）隨之下降，由于電源電壓不變，因此定子電流必然增加，直至這個電流增加，直到產生足夠的磁通以補償去磁作用為止。（3）后果分析

因為起動電流遠大于額定電流，很大的起動電流會引起輸電線上電壓降的增加，造成供電電壓的明顯下降，不僅影響同一供電系統中其他負載的工作，而且會延長電動機的起動時間。此外在起動過于頻繁時，還會引起電動機過熱，在這兩種情況下，就必須設法降低起動電流。3.2.4三相異步電機的起動與制動起動方法2（1）直接起動對容量較小，二、三十千瓦以下的，并且工作要求簡單的電動機，如小型臺鉆、砂輪機、冷卻泵的電動機可用手動開關在動力電路中接通電源直接起動。一般中小型機床的主電動機采用接觸器直接起動。（2）降壓起動容量大于10KW的籠型異步電動機直接啟動時，起動沖擊電流為額定值的5-7倍，故一般均需采用相應措施降低電壓，即減小與電樞電壓成正比的電樞電流，從而在電路中不至于產生過大的電壓降。降壓起動的方法主要包括：星形-三角形(Y－

)換接起動和自耦降壓起動。3.2.4三相異步電機的起動與制動1）Y－

換接起動Y－

換接起動是電動機起動時定子繞組連成星形，起動后轉速升高，當轉速基本達到額定值時再切換成三角形連接的起動方法。如圖3-30所示。起動電流和正常運行電流分別為：3.2.4三相異步電機的起動與制動可見，降壓起動時的電流為直接起動時的三分之一。Y－

換接起動適用于正常運行時定子繞組為三角形連接，且每相繞組都有兩個引出端子的電機。適合于空載或輕載起動的場合。三相鼠籠式異步電動機采用Y—Δ降壓啟動的優點是定子繞組Y形接法時，啟動電流為三角形接法時的1/3，因而啟動電流特性好，線路較簡單，投資少。其缺點是啟動轉矩也相應下降為三角形接法的1/3，轉矩特性差。起動電流和正常運行電流分別為：3.2.4三相異步電機的起動與制動2）自耦降壓起動自耦降壓起動適合于容量較大的或正常運行時聯成Y形不能采用Y－

起動的鼠籠式異步電動機。首先合刀閘開關Q，再下合Q2，接入自耦變壓器，降壓起動。達到轉速后，上合Q2，切除自耦變壓器，電機進行全壓工作。過程如圖3-31所示。采用自耦降壓法起動時，若加到電動機上的電壓與額定電壓之比為

K，則線路起動電流Ist"為電動機的起動轉距Tst′為3.2.4三相異步電機的起動與制動（3）轉子串電阻起動轉子串電阻起動主要適用于繞線式電動機。起動時將適當的R串入轉子電路中，降低起動電流。起動達速后切除啟動電阻，將R短路，電機全速運行。電路如圖3-32所示。3.2.4三相異步電機的起動與制動由公式：當轉子電樞電阻增大時，轉子電樞電流減小，所以定子線圈電流減小。繞線式異步電動機轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。1）串電阻啟動增加起動轉矩，起動達速后切除啟動電阻（就是短接轉子回路）全速運行。2）串電阻啟動（電阻最大值起動），根據需要調整電阻的阻值，可以改變電機的運行速度。繞線式電機的啟動電流是可調的，通過調整轉子串聯的電阻大小，可以調節繞線式電機的啟動電流。3.2.4三相異步電機的起動與制動例2：三相異步電動機在一定的負載轉矩下運行時，如電源電壓降低，電動機的轉矩、電流及轉速有無變化？解：電動機電磁轉矩T

U12，當電源電壓下降低時，電磁轉矩減小，使轉速下降，轉差率增加，轉子電流和定子電流都會增大。穩定時電磁轉矩等于機械負載轉矩，但轉矩降低了，定、轉子電流卻增大了。過程如下：最終使3.2.4三相異步電機的起動與制動制動3（1）

能耗制動能耗制動的控制接線如圖所示。正常工作時，Q合上，KM1閉合，電動機處于電動運行狀態。制動時，斷開KM1，電動機脫離三相交流電源。同時迅速將KM2接通，將橋式整流電路輸出的單相直流電源接入定子繞組的某二相中并串入電阻，電機進入能耗制動狀態，3.2.4三相異步電機的起動與制動其制動原理可用圖說明。當斷交流送直流時，在電動機定子繞組內產生一恒定磁場，此時轉子導體切割直流磁場，產生感應電流，其方向由右手定則可以判斷，如圖所示。通有電流的轉子處在恒定磁場中將受力，其方向由左手定則判斷為與原轉速方向相反，如圖所示，故為制動轉矩。3.2.4三相異步電機的起動與制動能耗制動的機械特性曲線如圖中曲線1所示。當負載為反抗性負載時，將制動到轉速為零停車，此時應斷開直流電源，停止工作。當負載為位能性負載時，將反向下降，穩定工作在某一轉速下，即實現限速下放。通過改變直流電壓的高低或所串入電阻的大小可以改變其制動性能，如圖中曲線3或曲線2所示。3.2.4三相異步電機的起動與制動（2）電源兩相反接的反接制動如圖所示，對正在啟動運行的電動機，將KM1斷開，閉合KM2并串入電阻，則進入制動。3.2.4三相異步電機的起動與制動制動原理可用左圖說明。由于電源兩相相序交換，定子繞組中產生的旋轉磁場的方向也發生改變，即與原方向相反。而電動機的轉子此時在慣性作用下仍向原來方向旋轉，轉子相對旋轉磁場的轉向改變，于是轉子電路中產生了一個與原方向相反的感應電流，進而產生了一個與原轉向相反的轉矩，實現制動。電源兩相反接制動的機械特性如右圖所示，為反向串大電阻特性。當負載轉矩大于堵轉轉矩時，將穩定于停車；當負載轉矩小于堵轉轉矩時將穩定于反轉狀態。3.2.4三相異步電機的起動與制動若三相異步電動機原工作在電動狀態，由于某種原因（如帶位能性負載下放或降壓調速過渡過程），在轉向不變的情況下，轉子的轉速n超過同步轉速n1時，電動機便進入回饋制動狀態，因為n>n1，所以,這是回饋制動的特點。

因為轉差率S＜0，所以轉子電動勢＜0，轉子電流反向，電磁轉矩反向，為制動轉矩。

此時原動機帶動電動機轉子以高于同步轉速旋轉，電動機將原動機輸入的機械功率轉成電功率輸出回饋電網，成為一臺發電機。（3）

回饋制動3.2.4三相異步電機的起動與制動三相異步電動用于拖動重物，在重物下降時，在位能負載轉矩作用下，轉子轉速n大于同步轉速n1，如左圖所示。圖（a）為轉子轉速低于同步轉速時電動運行狀態，圖（b）為轉子轉速超過同步轉速后制動運行狀態，此時的運行點為右圖中D點，下放的速度受到限制，以保證設備和人身的安全。回饋制動時轉子回路不允許串入電阻，否則穩定運行速度將非常高，如右圖中的D'點。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.5三相異步電機的調速概述1

在寬調速和快速可逆拖動系統中，多采用直流電動機拖動，主要是因為直流電動機具有良好的調速性能。但是直流電動機存在價格高、維護困難、需要專門的直流電源等缺點。而交流電動機具有價格低、運行可靠、維護方便等一系列優點。又由于電力電子技術和計算機技術的日益成熟，交流電動機越來越多的應用在上述領域，逐漸取代了直流調速。

交流電動機調速分為異步電動機調速和同步電動機調速，根據二者的結構特點，異步電動機一般應用于調速，而同步電動機一般應用于伺服。

由式3.3和3.5可知，三相異步電機的轉子轉速為：分析式3.11可以得到三相異步電機的三種調速方法：改變電源頻率f調速；改變定子極對數

p調速；改變轉差率s調速。3.2.5三相異步電機的調速變頻調速2

應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備稱為變頻器。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequencyDrive）。變頻器在中、韓等亞洲地區受日本廠商影響，曾被稱作VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）。（1）認識變頻調速

交流變頻調速技術的原理是把工頻50Hz的交流電轉換成頻率和電壓可調的交流電，通過改變交流異步電動機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，從而達到調節電動機轉速的目的。3.2.5三相異步電機的調速變頻調速與直流調速系統相比具有以下顯著優點：1）變頻調速裝置具有大容量化。2）變頻調速系統調速范圍寬，能平滑調速，其調速靜態精度及動態品質好。3）變頻調速系統可以直接在線起動，起動轉矩大，起動電流小，減小了對電網和設備的沖擊，并具有轉矩提升功能，節省軟起動裝置。4）變頻器內置功能多，可滿足不同工藝要求；保護功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護簡便；具有通用的外部接口端子，可同計算機、PLC聯機，便于實現自動控制。5）變頻調速系統在節約能源方面有著很大的優勢，是目前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調速技術。其中以風機、泵類負載的節能效果最為顯著，節電率可達到20%～60％。3.2.5三相異步電機的調速（2）軟起動器與變頻器的比較軟起動器和變頻器是兩種完全不同用途的產品。1）變頻器是用于需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；2）軟起動器實際上是個調壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。3）變頻器具備所有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴得多，結構也復雜得多。3.2.5三相異步電機的調速變極調速3（1）變極調速原理由電機學原理可知，只有定子和轉子具有相同的極數時，電動機才具有恒定的電磁轉矩。由于鼠籠式異步電動機的轉子極數能自動地跟隨定子極數的變化，所以變極對數調速只能用于鼠籠式電動機。由式3.3可知，電動機的同步轉速反比于于磁場的極對數。而磁極對數p

的改變，取決于電動機定子繞組的結構和接線。通過改變定子繞組的接線，就可以改變電動機的磁極對數。下面以4極變2極為例來分析變極調速。3.2.5三相異步電機的調速如圖3-33左圖所示，為4極電機U相繞組的兩個線圈，每個線圈代表U相繞組的一半，稱為半相繞組。兩個半相繞組順向串聯（頭尾相接）時，根據線圈中電流方向，a1、a2電流流入，x1、x2電流流出，根據安培定則（右手螺旋定則），定子繞組產生4極磁場，即2p=4，方向如圖3-33右圖所示。四極繞組3.2.5三相異步電機的調速

當將兩個半相繞組的連接方式改變，如圖3-34左圖，進行反向串聯或反向并聯時，使其中的一個半相繞組a2、x2中電流反向，此時定子繞組便產生2極磁場，如圖3-34右圖所示。

由此可見，使定子每相的一半繞組中電流改變方向，就可以改變磁極對數。反向串聯

反向并聯二極繞組3.2.5三相異步電機的調速（2）常用的變極對數接線方法如圖3-35所示，表示由單星形聯結改接成并聯的雙星形聯結，寫作Y-YY。Y-YY后，使每相的一半繞組內的電流改變了方向，因而定子磁場的極對數減少了一半。所以，轉速增大一倍，即nYY=2nY，容許輸出功率增大一倍，而容許輸出轉矩保持不變，所以這種變極調速屬于恒轉矩調速，它適用于恒轉矩負載。3.2.5三相異步電機的調速如圖3-36所示，表示由三角形聯結改接成雙星形聯結，寫作△-YY。△-YY后，使每相的一半繞組內的電流改變了方向，因而定子磁場的極對數減少了一半。所以，轉速增大一倍，即nYY=2n△，容許輸出功率近似不變，所以這種變極調速屬于恒功率調速，它適用于恒功率負載。3.2.5三相異步電機的調速

如上面圖3-35、圖3-36，當改變定子繞組接線時，必須同時改變定子繞組的相序（對調任意兩相繞組出線端），以保證調速前后電動機的轉向不變。例如，當p=1時，U、V、W三相繞組在空間分布的電角度依次為0°、120°、240°；而當變為p=2時，三相繞組分別變為0°、240°、480°（即120°），可見，變極前后相序發生了變化。

變極對數調速時，轉速幾乎是成倍變化，所以調速的平滑性差。但它在每個轉速等級運轉時，和通常的異步電動機一樣，具有較硬的機械特性，穩定性較好。變極對數調速既可以用于恒轉矩負載，又可用于恒功率負載，所以對于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、通風機、升降機等都可以采用該調速方法。3.2.5三相異步電機的調速變轉差率調速4三相異步電動機的變轉差率調速包括：（1）繞線轉子異步電動機的轉子串接電阻調速；（2）串級調速；（3）異步電動機的定子調壓調速。（1）繞線轉子異步電動機的轉子串接電阻調速轉子回路串對稱電阻如圖3-37所示。機械特性如圖3-38所示。轉子串電阻時，n0、Tm不變，sm增大，特性斜率增大。當TL一定時，工作點的轉差率隨轉子串聯電阻的增大而增大，轉速減小。3.2.5三相異步電機的調速這種調速方法一般應用在起重機一類對調速性能要求不高的恒轉矩負載上。優點：設備簡單、易于實現。缺點：有級調速，不平滑，機械特性變軟，負載波動時會引起較大的轉速變化；在負載轉矩不變的條件下，異步電動機的電磁功率為常數，轉子的銅耗與轉差率成正比，故銅耗有稱作轉差功率。轉子串電阻調速時，轉速調得越低，銅耗越大，輸出功率越小，效率越低，很不經濟。3.2.5三相異步電機的調速（2）繞線轉子異步電動機的串級調速如圖3-39所示。若轉子回路不串接電阻，而是串接一個電動勢Eadd（與轉子電動勢同頻率），通過改變Eadd的幅值大小和相位，同樣可以實現調速。低速運行時，轉子中的轉差功率只有小部分被轉子繞組的電阻所消耗，而其余大部分被附加電動勢所吸收，利用產生該附加電動勢的裝置可以把這部分轉差功率回饋給電網，使其在低速運行時仍具有較高的效率，該方法稱為串級調速。串級調速克服了轉子串電阻調速的缺點，具有高效率、無級平滑調速、機械特性較硬等優點。3.2.5三相異步電機的調速（3）調壓調速如圖3-40所示，當定子電壓降低時（U2<U1<UN），電動機的同步轉速和臨界轉差率均不變，而最大電磁轉矩和啟動轉矩隨電壓平方關系減小。對于恒轉矩負載，電動機只能在機械特性的線性段（0<s<sm）上穩定運行。如圖3-40，在不同電壓下的穩定工作點分別為A、B，調速范圍較窄。對于通風機類負載，電動機在全段機械特性上都能穩定運行。如圖3-40，在不同電壓下的穩定工作點分別為C、D、E，所以，改變定子電壓可以獲得較低的穩定運行速度。3.2.5三相異步電機的調速

調壓調速一般在高轉差率（具有較大轉子電阻）異步電動機上采用。如圖3-41所示，即使恒轉矩負載，也能獲得較寬的調速范圍。只是在低速時機械特性太軟，往往不能滿足生產工藝要求。因此，現代的調壓調速系統通常采用速度反饋的閉環控制，以提高低速時機械特性的硬度。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型銘牌數據1每臺異步電動機的機座上都有一塊銘牌，上面標有該電動機的主要數據。為了能正確選擇并使用電動機，必然要了解銘牌。電機銘牌如圖3-42所示。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（1）型號型號主要用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數等。表3-1中列出了各種電動機的系列代號。型號舉例：Y132M－4，其中Y：三相異步電動機；132：機座中心高，單位為mm；M：機座長度（S—短機座；M—中機座；L—長機座）；4：磁極數（極對數p=2）。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（2）定子繞組接線方式接線方式主要分為星形（Y）連接和三角形（△）連接。定子接線盒內部連接如圖3-11所示。Y連接如圖3-43所示，△連接如圖3-43所示。圖3-43Y連接

圖3-44△連接3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（3）額定電壓電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。一般規定，電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5%。因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值,從而使電動機過熱。三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V及6000V等多種。例如：380/220V、Y/

：是指線電壓為380V時，采用Y連接；線電壓為220V時采用△連接。（4）額定電流電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。例如：Y/

6.73/11.64A：表示星形聯結下電機的線電流為6.73A；三角形聯結下線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（5）額定功率與效率

效率是指電動機在額定狀態下運行時輸出的功率對定子輸入功率的比值η。額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。兩者的關系為：P2=η×P1，對于鼠籠異步電機來說，η=72～93%。其中：UN——電源輸入線電壓；IN——電源輸入線電流；cosφ——功率因數；φ——電壓與電流相位角3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（6）功率因數

功率因數（PowerFactor）是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。

在交流電路中，電壓與電流之間的相位角φ的余弦叫做功率因數。在數值上，功率因數是有功功率和總功率的比值，即cosφ=P/S。顯然在任何情況下功率因數都不可能大于1。

功率因數的大小與電路的負荷性質有關，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1。

三相異步電動機的功率因數較低，在額定負載時約為0.7~0.9。空載時功率因數很低，只有0.2~0.3。額定負載時，功率因數最高。如圖3-45所示。注意：實用中應選擇容量合適的電機，防止出現“大馬拉小車”的現象。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（7）額定轉速電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉速nN。額定轉差率為：例如：nN=1440，則可以通過上述公式計算得：sN=0.04。（8）絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為A、E、B、F、H五級，A級最低（極限允許溫度105oC），H級最高（極限允許溫度180oC）。（9）工作方式

工作方式是對電動機按銘牌上等額定功率持續運行時間的限制，分為“連續”、“短時”和“斷續”等。S1工作制是連續工作制。S2工作制是短時工作制。S3是斷續周期工作制。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型三相異步電動機的選型2（1）種類的選擇選擇電動機的種類是從交流或直流、機械特性、調速與起動性能、維護及價格等方面來考慮的。1）交、直流電動機的選擇

如沒有特殊要求，一般都應采用交流電動機。2）鼠籠式與繞線式的選擇三相鼠籠式異步電動機結構簡單，堅固耐用，工作可靠，價格低廉，維護方便，但調速困難，功率因數較低，起動性能較差。因此在要求機械特性較硬而無特殊調速要求的一般生產機械的拖動應盡可能采用鼠籠式電動機。因此只有在不方便采用鼠籠式異步電動機時才采用繞線式電動機。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（2）結構的選擇電動機的結構選擇主要考慮電動機的絕緣等級和防護等級。由低到高絕緣等級包括A級、E級、B級、F級、H級、C級在直流電動機運動控制系統已做介紹。防護等級是針對電氣設備外殼對異物侵入的防護能力規定的等級。電機常用的防護等級有IP23、IP44、IP54、IP55、IP56、IP65。IP防護等級是由兩個數字所組成第1個數字表示燈具離塵、防止外物侵入的等級第2個數字表示燈具防濕氣、防水侵入的密閉程度數字越大表示其防護等級越高。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（2）結構的選擇防塵等級(第一個數字)防水等級(第二個數字)

防護范圍

防護范圍名稱說明

名稱說明0無防護-0無防護-1防護50mm直徑和更大的固體外來體探測器，球體直徑為50mm,不應完全進入1水滴防護垂直落下的水滴不應引起損害2防護12.5mm直徑和更大的固體外來體探測器，球體直徑為12.5mm,不應完全進入2柜體傾斜15度時，防護水滴柜體向任何一側傾斜15度角時，垂直落下的水滴不應引起損害3防護2.5mm直徑和更大的固體外來體探測器，球體直徑為2.5mm,不應完全進入3防護濺出的水以60度角從垂直線兩側濺出的水不應引起損害4防護1.0mm直徑和更大的固體外來體探測器，球體直徑為1.0mm,不應完全進入4防護噴水從每個方向對準柜體的噴水都不應引起損害5防護灰塵不可能完全阻止灰塵進入，但灰塵進入的數量不會對設備造成傷害5防護射水從每個方向對準柜體的射水都不應引起損害6灰塵封閉機體內在20毫巴的低壓時不應進入灰塵6防護強射水從每個方向對準柜體的強射水都不應引起損害注：測試時，探測器的直徑不應穿過機體的孔7防護短時浸水在標準壓力（一米水深）下短時（半小時）浸入水中時，不應有能引起損害的水量浸入8防護長期浸水可以在特定的條件下浸入水中，不應有能引起損害的水量浸入IP防護等級是由兩個數字所組成3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（2）結構的選擇例如開啟式電動機防護等級為IP00，在構造上無特殊防護裝置，用于干燥無灰塵的場所。通風非常良好。封閉式電動機，防護等級為IP65時，稱為全封閉式，電機外殼具有完全的封閉性能，能有效地隔離外界灰塵、水汽和其它污染物質的侵害。封閉式電機具有以下特點：①外殼完全封閉，能在室內和室外惡劣環境下應用；②耐高溫、耐腐蝕、耐磨損，適用于船舶、冶金、礦山等惡劣條件下的使用；③安全可靠，能有效預防人員誤操作和灰塵、水汽等對電機內部的侵害。此外還有密封式、防暴式等電動機，分別適用于水下和易爆氣體場合等工作環境。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（3）安裝結構型式的選擇主要是選擇機座及端蓋的形式。主要有三種，應根據安裝空間及安裝要求選擇。1）機座帶底腳，端蓋無凸緣；2）機座不帶底腳，端蓋有凸緣；3）機座帶底腳，端蓋有凸緣。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（4）電壓和轉速的選擇1）電壓的選擇電動機電壓等級的選擇，要根據電動機類型、功率以及使用地點的電源電壓來決定。Y系列鼠籠式電動機的額定電壓只有380V一個等級。只有大功率異步電動機才采用3000V和6000V。2）轉速的選擇電動機的額定轉速是根據生產機械的要求而選定的。但通常轉速不低于500r/min。因為當功率一定時，電動機的轉速愈低，則其尺寸愈大，價格愈貴，且效率也較低。購買一臺高速電動機，另配減速器方案更合理。3.2.6三相異步電機的銘牌分析與選型（5）功率的選擇電動機的功率應與負載情況相符，選大了雖然能保證正常運行，但是不經濟，電動機的效率和功率因數都不高；選小了就不能保證生產機械正常運行，并使電動機由于過載而過早地損壞。1）連續運行電動機功率的選擇對連續運行的電動機，先算出生產機械的功率，所選電動機的額定功率等于或稍大于生產機械的功率即可。2）短時運行電動機功率的選擇如果沒有合適的專為短時運行設計的電動機，可選用連續運行的電動機。由于發熱慣性，在短時運行時可以容許過載。工作時間愈短，則過載可以愈大。但電動機的過載是受到限制的。通常是根據過載系數

來選擇短時運行電動機的功率。電動機的額定功率可以是生產機械所要求的功率的1/

。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.7變頻器的分類與現狀

變頻器是一種控制交流電機運轉的控制器。它把固定頻率（我國為50HZ）的交流電源變成頻率電壓可調的交流電源，從而控制電機的轉速。利用變頻器，可以實現被控制的交流電機變頻調速、功率因素、過電流過電壓保護、過載保護等，從而更好的控制整個電機的運行，提高電能的利用率和整個系統的工作效率。變頻器的問世，使得交流調速在很大程度上取代了直流調速。變頻器外形如圖3-46所示。3.2.7變頻器的分類與現狀變頻器的分類1（1）根據供電電源根據供電電源變頻器可分為高壓變頻器和低壓變頻器。按國際標準（IEC60038:1983）和中國國家標準（GB156-2003）的規定，把電壓分為<1kV、1～35kV、35～220kV、>245kV四個等級。低壓變頻器，通常指額定電壓在1000V以下的設備，適用于較小功率的電機控制。我國使用220V、380V、480V、660V四個標準電壓。3.2.7變頻器的分類與現狀變頻器的分類1這類變頻器具有以下幾個優勢：①價格相對較低：低壓變頻器的生產工藝相對成熟，市場競爭激烈，價格相對較低，適用于預算有限的項目。②安裝方便：低壓變頻器體積相對較小，重量較輕，易于安裝和維護。③調速精度高：低壓變頻器采用先進的調速算法和控制策略，具有較高的調速精度和穩定性。④適用范圍廣：低壓變頻器適用于多種場景，如風機、水泵、輸送機等。低壓變頻器，通常指額定電壓在1000V以下的設備，適用于較小功率的電機控制。3.2.7變頻器的分類與現狀變頻器的分類1高壓變頻器，通常指額定電壓在1000V以上的設備，適用于大功率電機控制。在1～35kV電壓段，我國使用3kV、6kV、10kV和35kV四個標準電壓。這類變頻器具有以下幾個優勢：①適用于大功率電機：高壓變頻器可以滿足大功率電機的調速需求，廣泛應用于冶金、石化、水泥等行業。②抗干擾能力強：高壓變頻器采用抗干擾設計，能在高電磁環境下穩定運行。③故障自檢功能：高壓變頻器具備自動故障檢測和排除功能，能夠降低故障率和維修成本。④操作界面友好：高壓變頻器通常配備大屏幕觸摸操作界面，操作簡便，便于工程師進行參數設置和監控。盡管如此，中高壓變頻器也存在一些不足，如價格較高、安裝要求較高等。3.2.7變頻器的分類與現狀變頻器的分類1（2）按照工作原理可分為V/f控制、轉差頻率控制和矢量控制變頻器。1）V/f控制變頻器。V/f控制變頻器就是保證輸出電壓跟頻率成正比的控制。這樣可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生，多用于風機、泵類節能。2）轉差頻率控制變頻器。轉差調速即改變異步電動機的滑差來調速，滑差越大速度越慢。轉差頻率控制技術的采用，使變頻調速系統在一定程度上改善了系統的靜態和動態性能同時它又比矢量控制方法簡便，具有結構簡單、容易實現、控制精度高等特點，廣泛應用于異步電機的矢量控制調速系統中。3.2.7變頻器的分類與現狀3）矢量控制變頻器。根據直流電動機調速控制的特點，將異步電動機定子繞組電流按矢量變換的方法分解并形成類似于直流電動機的磁場電流分量和轉矩電流分量，只要控制異步電動機定子繞組電流的大小和相位，就可以控制勵磁電流和轉矩電流，得到良好的調速控制效果。它的主要特點是低頻轉矩大、動態響應快、控制靈活，一般是應用在惡略的工作環境、要求高速響應和高精度的電力拖動的系統等。3.2.7變頻器的分類與現狀（3）按變換方法可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器。1）交-直-交變頻器。這種變頻器也稱通用變頻器，由整流器、濾波系統和逆變器三部分組成，工作原理是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調的交流，又稱間接式變頻器，它在工業自動化領域和不間斷電源領域應用廣泛。2）交-交變頻器。這種變頻器把工頻交流直接變換成頻率、電壓可調的交流，采用晶閘管自然換流方式，工作穩定，可靠，又稱直接式變頻器。最高輸出頻率是電網頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優勢，由于沒有直流環節，變頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易，在傳統大功率電機調速系統中應用較多。3.2.7變頻器的分類與現狀應用現狀2自90年代以來，隨著工業生產對自動化需求程度的提高和社會節能環保意識的加強，變頻調速器的應用越來越普及。其廣泛的應用于：（1）石油化工冶金等大型生產線；（2）裝備制造業，如電力機車、塔吊、機床、紡織機械、印刷等；（3）民用行業，如商用空調、電梯、供水、家電、健身器材等。市面上出售的變頻器大多數為交-直-交電壓源型第三代變頻器。產品主要來自日本的一些廠家。其他的如西門子、ABB等銷售也比較多。（1）日本品牌變頻器市場占有率仍比較高日本變頻器公司進入中國市場最早，并且一直有針對性的推出產品。目前，市場占有率高達60%以上。富士、三菱及安川三家公司的變頻器市場占有率最大。3.2.7變頻器的分類與現狀（2）增長迅速的歐美品牌變頻器歐美公司進入中國市場比較晚，但產品檔次高、容量大，價格也比較高。目前市場份額達到30%左右。比如西門子、ABB等。3.2.7變頻器的分類與現狀（3）大陸及臺灣企業市場占有率提升臺灣及大陸企業品牌的變頻器占據15%左右的市場份額。其中臺灣品牌的變頻器優勢大。例如臺灣的普傳、臺達等。真正大陸品牌的變頻器市場占有率很低。但大陸新興變頻企業的增長速度很高，使國有品牌的市場占有率顯著提升。謝謝觀看

運動控制系統安裝與調試主講：南工機電教學團隊高等教育出版社3.2.8變頻器的基本原理變壓變頻調速的調速原理1

在進行電機變頻調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量

m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。

根據三相異步電動機定子繞組的反電動勢Eg的表達式：Eg=4.44?1NskNsΦm=Us+△U（3.13）

其中，Eg——定子每相繞組中感應電動勢有效值；?1——定子繞組感應電動勢的頻率，即電源的頻率；Ns——定子每相繞組的匝數；

kNs——定子繞組的基波繞組系數，kNs<1；Us——定子相電壓；△U——漏阻抗壓降，可忽略。

由式3.13可知，只要控制好Eg

和f1，便可達到控制磁通

m

的目的。3.2.8變頻器的基本原理（1）基頻以下調速

要保持

m不變，當頻率f1

從額定值f1N

向下調節時，必須同時降低Eg，使Eg/f1=常值，即恒電動勢頻率比的控制方式。但是，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的。

由式3.13，Eg=Us+△U，忽略△U可得：Eg/f1≈Us/f1=常值，這就是恒壓頻比的控制方式。

但是，在低頻時Us

和Eg

都較小，定子阻抗、感抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓Us

抬高一些，以便近似地補償定子壓降。如圖3-47所示。在實際應用中，由于負載大小不同，需要補償的定子壓降值也不同，在控制軟件中，須備有不同斜率的補償特性，以便用戶選擇。3.2.8變頻器的基本原理（2）基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率應該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us

=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，弱磁升速。根據異步電動機的轉矩表達式T=CMΦmI2cosφ2可知，電動機在變頻調速過程中，若等于電動機的轉子額定有功電流、磁通Φm保持不變，那么電動機的輸出轉矩也是恒定的，即變頻調速前后，輸出轉矩不變，可實現恒轉矩調速。所以，在在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。如圖3-48所示。3.2.8變頻器的基本原理結論：1）恒轉矩調速（如圖3-49所示）①保持U1/f1恒定進行變頻調速時，最大輸出轉矩將隨f1的降低而降低。②s很小時機械特性近似為直線，進行變頻調速時，對應于同一轉矩T，轉速降基本不變，亦即直線部分斜率不變（硬度相同）。③在負載轉矩不變時，電動機的過載能力降低。3.2.8變頻器的基本原理2）恒功率調速（如圖3-50所示）①保持電壓為額定值進行變頻調速時，最大轉矩將隨f1的升高而減小。②當s很小時，T與s關系近似為一條直線。③當保持電壓為額定值且s變化范圍不大時，隨著頻率增加，轉矩減小，而轉速增加，可近似地看作恒功率調速。所以，在實際應用中，要將兩種控制方法結合起來使用。當從額定頻率往低調速時，采用恒轉矩控制（必要時加補償）；當從額定頻率往高調速時，采用恒功率控制方式。3.2.8變頻器的基本原理變頻器調速的實現2（1）變頻器原理這里主要介紹交-直-交變頻器，其結構簡單，功率因素高，應用廣泛。其系統主要由四個部分組成，如圖3-51所示。3.2.8變頻器的基本原理1）整流部分

整流器與三相交流電源相連接，產生脈動的直流電壓。是將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波。2）濾波部分也稱中間電路，使脈動的直流電壓變得穩定或平滑。也能將整流后固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。3）逆變部分經過整流和中間電路所得的直流電壓再經過逆變器產生電壓、頻率可變的變頻交流電供給電動機。3.2.8變頻器的基本原理4）控制電路部分

控制電路部分如圖3-51紅色虛線框內部，是整個系統的核心電路，系統所實現的各種不同的功能主要是由其控制電路決定的。控制電路將信號傳遞給整流器、中間電路和逆變器，同時也接受其反饋信號。控制電路的結構和復雜程度取決于不同的變頻器設計。首先，控制電路根據所需調節的速度計算出所需要的頻率。其次，根據恒壓頻比規律推出電壓值和頻率值。電源電壓、頻率已知后作為給定量再通過逆變部分復現這個電源，輸出給三相異步電機。3.2.8變頻器的基本原理（2）逆變電路簡介以單相逆變工作電路為例，如圖3-52所示。當S1、S3導通時，U1等于Ed，當當S2、S4導通時，U1等于-Ed。通過改變開關管導通時間改變輸出電壓的頻率；通過改變開關管導通順序改變輸出電壓的相序。這種方式簡單，但缺點明顯：輸出電壓的諧波分量太大；電機諧波損耗增加，發熱嚴重甚至燒壞電機；轉矩脈動較大，低速運行時影響轉速的平穩。3.2.8變頻器的基本原理采用PWM調制可以較好的解決上述問題，PWM波形直接控制各個開關可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓電壓，能獲得理想的控制效果，輸出電流近似正弦。如圖3-53所示。新型變頻器均采用高速運算單片機，它從外部輸入速度（位置）指令及勵磁指令，由傳感器輸入電動機的電壓和電流信號用于速度推算或電流反饋，最后由單片機輸出控制信號。電力變流電路（PWM）接受單片機輸出的控制信號。3.2.8變頻器的基本原理（3）變頻器結構根據變頻器的工作原理，一個完整的變頻器主要由圖3-54所示部分構成。變頻器主要由三個部分構成。分別是主回路部分、控制回路部分和輔助部分3.2.8變頻器的基本原理類別作用主要構成器件

主回路整流部分1將工頻交流變成直流，輸入無相序要求整流橋逆變部分2將直流轉換為頻率電壓均可變的交流電IGBT制動部分3、4消耗過多的回饋能量，保持直流母線電壓不超過最大值單管IGBT和制動電阻,大功率制動單元外置上電緩沖6降低上電沖擊電流，上電結束后接觸器自動吸合，而后變頻器允許運行限流電阻和接觸器儲能部分5保持直流母線電壓恒定，降低電壓脈動電解電容和均壓電阻3.2.8變頻器的基本原理類別作用主要構成器件控制回路鍵盤7對變頻器參數進行調試和修改，并實時監控變頻器狀態MCU（單片機）控制電路8交流電機控制算法生