电动机变频调速系统设计论文

1、. . . . 摘要变频器是交流电气传动系统的一种，是将交流工频电源转换成电压，频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变频装置，英文简称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。思路是先控制变频器，再用变频器对电机进行调速。介绍了基于S72-200PLC的电机变频调速试验系统的组成、控制方案与信号处理方法,设计了硬件电路、相关梯形图程序与触摸屏显示程序。调试应用表明,该系统简单、实用。通过该综合设计型试验或课程设计的实践、锻炼,可使学生进一步掌握 PLC和变频调速控制系统原理与应用 ,熟使用触摸屏 ,为将来进行相关设计工作打下基础。对其他相关课题也具有

2、很好的借鉴作用和参考价值。关键词：异步电机;变频器;调速 AbstractThe inerter is a power electronic conversion device of AC electric transmission system, which converts AC power-frequency voltage and frequency to be fit for AC motor speed control ,and is called VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) .The design is based on t

3、he controls the inverter, and then the inverter control the speed of the motor.Based on S72 200 PLC, the variable frequency s peed2 adjusting experi ment system is intr oduced withthe constituti on and contr olling scheme and signal2 dis posalmethods of this system, and the hardware circuit, related

4、trapezoid chart and dis p laying p rogram of t ouch screen is designed aswell . The debugging results show that the systemis si mp le and p ractical . Students can better master the rrinci p le and the app licati on of PLC and variable frequencys peed2 adjusting system thr ough the p ractice and exe

5、rcise of general designing experi ment or curriculum design . Fur2thermore, they can also use the t ouch screen skillfully, which will lay a good foundati on for their future design work inthis filed . The paper p r oves t o be of high value for reference in the other related research .Key words: in

6、duction motor;inverter;Speed control,PLC目 录摘要IAbstractII1 绪 论11.1 概述11.2 变频调速技术的发展11.2.1 电力电子器件的发展11.2.2 变频调速技术的发展意义42 异步电动机的基本原理与调速方法92.1 异步电动机概述92.1.1 异步电动机基本结构92.1.2异步电动机的旋转原理102.1.3 异步电动机电路的等效变换112.1.4 异步电机变频调速原理152.1.5 变频调速的控制方式与选定173 变频器主电路设计183.1 整 流 电 路183.1.1 不可控整流电路183.2 中 间 电 路203.3 逆 变 电

7、 路203.3.1 逆变电路的工作原理213.3.2 电压型和电流型逆变电路213.3.3 三相桥式逆变电路224 变频参数与选择234.1 功能与参数234.1.1 频率的给定功能234.1.2 频率给定244.1.3 频率控制功能244.1.4 启动、升速、降速、制动功能254.1.5 PID调节功能275 PLC控制电机变频调速试验系统295 . 1PLC控制电机变频调速试验系统构成295.1.1 电机变频调速控制试验系统要求295.1.2 电机变频调速试验系统控制方案315.2.1 I/O点数统计与 I/O接线图315.2.2 数据分析与信号转换325.3.1 控制程序流程图335.3

8、.2 部分子程序34参考文献36结语37致38- 39 - / 431 绪 论 1.1 概述 随着电力电子、计算机技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为发展趋势。变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国外公认为是最有发展前途的调速方式。变频技术是交流调速的核心技术，电力电子和计算机技术又是变频技术的核心，而电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。专家预言，在21世纪高度发展的自动控制领域，计算机技术与电力电子技术是两项最重要的技术。 1.2 变频调速技术的发展1.2.1

9、 电力电子器件的发展 上世纪50年代末晶闸管在美国问世，标志着电力电子技术就此诞生。第一代电力电子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我国70年代将其列为节能技术在全国推广。然而，SCR毕竟是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开关器件，在交流传动和变频电源的应用中受到限制。70年代以后陆续发明的功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等，它们的共同特点是既控制其导通，又能控制其关断，是全控型开关器件，由于不需要换流电路，故体积、重量较之SCR有大幅度下降。

10、当前，IGBT以其优异的特性已成为主流器件，容量大的GTO也有一定地位。 许多国家都在努力开发大容量器件，国外已生产6000V的IGBT。IEGT(injection enhanced gate thyristor)是一种将IGBT和GTO的优点结合起来的新型器件，已有1000A/4500V的样品问世。IGCT(integrated gate eommutated thyristor)在GTO基础上采用缓冲层和透明发射极，它开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，从而有效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾，工作频率可达几千赫兹。瑞士ABB公司已经推出的IGCT可达4500一 6000V，3000

11、一 3500A。MCT因进展不大而引退而IGCT的发展使其在电力电子器件的新格局中占有重要的地位。与发达国家相比，我国在器件制造方面比在应用方面有更大的差距。高功率沟栅结构IGBT模块、IEGT、MOS门控晶闸管、高压砷化稼高频整流二极管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在国外有了最新发展。可以相信，采用GaAs、SiC等新型半导体材料制成功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是21世纪电力电子器件发展的主要趋势。 高可靠性的电力电子积木(PEBB)和集成电力电子模块(IPEM)是近期美国电力电子技术发展新热点。GTO和IGCT，IGCT和高压IGBT等电力电子新器件之间的激烈竞争，必将为2

12、1世纪世界电力电子新技术和变频技术的发展带来更多的机遇和挑战。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电力电子器件的更新促使电力变换 技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。 VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控

13、制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。 矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 VVVF变频、矢量控制变频

14、、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交交变频应运而生。 20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。 20世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。 首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作围,不需要压缩机在断续状态下运

15、行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。 在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制容;电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此不但安全,还大幅度提高加热效率,其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。四、电力电子装置带来的危害与对策 。 电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变,不但大大降低了系统的功率因数,还引起了严重

16、的谐波污染。 另外,硬件电路中电压和电流的急剧变化,使得电力电子器件承受很大的电应力,并给周围的电气设备与电波造成严重的电磁干扰(EM1),而且情况日趋严重。许多国家都已制定了限制谐波的国家标准,国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也制定了限制谐波的有关规定。 （1）谐波与电磁干扰的对策 谐波抑制 为了抑制电力电子装置产生的谐波,一种方法是进行谐波补偿,即设置谐波补偿装置,使输入电流成为正弦波。 传统的谐波补偿装置是采用IC调谐滤波器,它既可补偿谐波,又可补偿无功功率。其缺点是,补偿特性受电网阻抗和运行状态

17、影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,效果也不够理想。 电力电子器件普与应用之后,运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是,从补偿对象中检测出谐波电流,然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响。 大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术:将多个方波叠加以消除次数较低的谐波,从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多,波形越接近正弦,但电路结构越复杂。小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数,一般采用二极管整

18、流加PWM斩波,常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。 电磁干扰抑制 解决EMI的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt,目前比较引入注目的是零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)电路。方法是: a.开关器件上串联电感,这样可抑制开关器件导通时的di/dt,使器件上不存在电压、电流重叠区,减少了正关损耗; b.开关器件上并联电容,当器件关断后抑制du/dt上升,器件上不存在电压、电流重叠区,减少了开关损耗; c.器件上反并联二极管,在二极管导通期间,开关器件呈零电压、零电流状态,此时驱动器件导通或关断能实现ZVS

19、、ZCS动作。 目前较常用的软件开关技术有部分谐振PWM和无损耗缓冲电路。 (2)功率因数补偿 早期的方法是采用同步调相机,它是专门用来产生无功功率的同步电机,利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而,由于它是旋转电机,噪声和损耗都较大,运行维护也复杂,响应速度慢。因此,在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。 另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优点,但由于其铁心需磁化到饱和状态,损耗和噪声都很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题,又不能分相调节以补偿负载的不平衡,所以未能占据静止无功补偿装置的主流。 随着电力电子技术的不断发展,

20、使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展,其中以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行围宽的优点,而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后,可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是,静止无功发生器使用的抗器和电容元件小,大大缩小装置的体积和成本。静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。 1.2.2 变频调速技术的发展意义 20 世纪60 年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位。但是随着社会生产力与技术的不断发展，直流传动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工

21、作量加大，单机容量、最高转速以与使用环境等都受到限制。同时，电动机在实际应用中，已由过去简单的起停控制，以提供动力为目的发展为对其速度、位置、转矩等参数进行精确控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。另外，随着电力电子技术、控制技术以与微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，交流调速取代直流调速，计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。因此，人们便转向应用结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的交流电动机。 然而，要实现对交流电动机高性能的调速远比直流电动机调速困难得多。从20 世纪30 年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究。20 世纪60 年代以后，特别是70 年代以来，随着新型

22、自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，新的控制策略不断涌现，使得交流调速技术得到迅猛发展，并已在冶金、机械、电气、纺织、食品等行业得到普遍应用，交流调速以其显著的节电效果，优良的调速性能以与广泛的适用性逐步取代直流调速的地位，已经成为电气传动领域发展的主流方向。变频调速技术国外现状(1)国外现状 市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以与风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来，高电压

23、、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 以与智能模块IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生产以与并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产与应用成为现实。 在大功率交交变频(循环变流器) 调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达30 000 kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB 公司提供了单机容量为60 000 kW 的设备用于抽水蓄能电站；在中功率变频调速技术方面, 德国西门子公司Simovert A 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10到2 600 kw 和Simovert P

24、GTO PWM 变频调速设备单机容量为100 耀900 kw，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动；在小功率变频调速技术方面，日本富士BJT 变频器最大单机容量可达700 kw，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。IPM 投入应用比IGBT 约晚2年, 由于IPM 包含了IGBT 芯片与外围的驱动和保护电路，有的甚至还把光耦也集成于一体，是一种更为适用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流10到600 A 围，通用变频器均有采用IPM 的趋向。IPM 除了在工业变频器中被大量采用之外，经济型的IPM 在近年也开始在一些民用品，如家用空调变频器、冰箱变频器

25、、洗衣机变频器中得到应用。IPM 也在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM 将不需要外接光耦，通过部自举电路可单电源供电，并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步。 控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16 位、32 位高速微处理器以与信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。(2)国现状 我国电气传动产业始于1954 年。当时，在机械工业部属下

26、建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的电气传动设计研究所的前身。现在，我国有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。 但应看到，由于国自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。目前，国生产

27、的主要产品的状况如下：晶闸管变流器和可关断器件(DJT、IGBT、VDMOS)斩波器供电的直流调速设备这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务重，以与它在几百至一千多kW围价格比交流调速设备价格低得多，所以短期仍有较大市场，国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。IGBT 或BJT PWM 逆变器供电的交流变频调速设备这类设备总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f 控制到高性能的矢量控制。负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的变频调速设备这类产品在抽水蓄

28、能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率装置国配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。交交变频器供电的变频调速设备这类产品在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7 000到8 000 kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。 交流变频调速是强、弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集变换和传输。因此它的共性技术必定是分为功率和控制两大部分。前者要解决与高

29、压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决硬、软件开发问题。各种高性能变频控制都是国外研究的热点，其未来主要的发展方向是: 实现变频器的人工智能化对于交流电机这样多变量、强耦合的参数非线性时变的复杂被控对象，要获得良好的控制性能较为困难。由于神经网络具有很强的信息处理能力，能通过自身学习来解决复杂系统的控制问题，故目前已成为非线性系统建模的重要技术。近年来，国外神经网络在变频调速系统控制中获得了应用，已成为当前神经网络理论与应用的研究热点。 实现全数字控制化。全数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，易实现复杂的控制规律，便于故障诊断和监视。 实现变频器的通

30、信网络化和技术规格标准化。当前，国外先进的变频器都配有总线适配器模块(如modbus, feidbus, interbus等)作为选件，外部总线可以双绞线和适配器连接，变频器则作为系统的智能终端。进一步可形成集散式(DCS)变频控制系统和现场总线(FCS)变频控制系统。变频器的技术规格已统一成国际性标准，可根据用户的需要实现灵活的配置。 实现变频器的特大容量化随着电力电子技术的不断进步，控制容量将进一步增大，使交流电机比直流电机的优势更加明显。 实现变频器硬件的集成化为了使变频装置体积更小巧，新型变频器要求功率和控制单元具有高集成度。利用不断发展的大规模集成电路工艺，把自动控制系统中控制电路集

31、成化为若干个专用IC芯片(ASIC )，使整个系统的构成更小型、可靠，从而构成强弱电一体的智能化电机。 实现变频器的高频化提高变频器开关频率是抑制谐波、提高系统性能的关键之一。但开关频率提高，会增加器件自身的开关损耗，影响变频器的效率和可靠性，使其调制频率受到限制。目前在高频变换器中采用较多的器件是MOSFET，IGBT和IPM。各国正在利用新一代高频电力电子器件，如静电感应晶闸管(SITH )，以与IGCT 和IECT，研发新一代高频的电控装置。 实现软开关化。软开关技术是目前国外电力电子技术领域中的研究方向之一。传统的变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关妨碍了变换器工作频率和容量的提

32、高，还存在容性开通问题引起过热损坏，在感性关断时易造成瞬时短路。近年来，软开关技术被引进变频控制中并己逐渐推向实用。软开关技术可以减小甚至完全消除变换器中开关器件在开关过程中的损耗，使缓冲吸收电路成为多余，提高了开关器件的工作频率，减小了开关器件的散热体积，提高了变频器工作的可靠性和效率。 实现变频器的“绿色环保”化。实现变频器的“绿色环保”化也就是开发清洁电能的变频器。所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1，电网侧和负载侧的谐波分量很少。研究环保型整流器，使其不产生谐波，且实现功率双向流动是国外目前研究的热点问题。 变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到所有经济领域的技

33、术部门中。应积极应用变频调速技术来改造传统产业，节约能源与提高产品质量，以获得较好的经济效益和社会效益；要大力发展变频调速技术，必须把我国变频调速技术提高到一个新的水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求；并规我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性与工艺水平，实现规模化、标准化生产。2 异步电动机的基本原理与调速方法 2.1 异步电动机概述 异步电机也称感应电动机与其他电动机相比，异步电动机具有结构简单，坚固耐用，使用方便，运行可靠，效率高，易于制造和维修，价格低廉等许多优点。但是其调速性能差，功率因素低。2.1.1 异步电动机基本结构 三相异

34、步电动机由固定的顶子和旋转的转子两个基本部分组成，转子装在定子腔里，借助轴承被支撑在两个端盖上。为了保证转子能在定子转动，定子和转子之间必须有一间隙，称为气隙。(1)定子 定子由定子三相绕组，定铁心和机座组成。定子三相绕组是异步电动机的电路部分，在异步电动机的运行中起着很重要的作用，是把电能转换为机械能的关键部分。 定子三相绕组的机构是对称的，一般有六个出线置于机盒外侧的接线盒，根据需要接成星形或三角形。(2)转子 异步电动机的转子由转子铁心，转子绕组与转轴组成。转子铁心也是电机磁路的一部分，也是用电工钢片叠成。与定子铁心冲片不同的是，转子铁心是在冲片的外圆上开槽，叠装后的转子铁心外圆柱面上均

35、匀地形成许多一样的槽，用以放置转子绕组。 转子绕组是异步电机电路的另一部分，其作用为切割定子磁场，产生感应电势和电流，并在磁场作用下受力而使转子转动。 鼠笼式转子绕组由置于转子槽中的导条和两端的端环构成。 鼠笼式转子绕组的各相均由单根导条组成，其感应电势不大，加上导条和铁心叠片之间的接触电阻较大，所以无需专门把导条和铁心用绝缘材料分开。绕线使转子绕组是用绝缘导线组成，嵌放在转子铁心槽的三相对称绕组。三相一般为星形接法，三根引出线分别接到固定在转轴上并互相绝缘的三个集电环上，再通过安装在端盖上的电刷装置与集电环接触把电流引出来。转轴式整个转子部件的安装基础，又是力和机械功率的传输部件，整个转子靠

36、轴和轴承被支撑在定子铁心腔中。转轴一般由中碳钢或合金钢制成。(3)气隙 异步电动机的气隙是很小的，中小型电机一般为0.22mm。气隙越大，磁阻越大，要产生同样大小的磁场，就需要较大的励磁电源。由于气隙的存在，异步电机的磁路磁阻远比变压器大，因而异步电机的励磁电源也比变压器的大得多。变压器大励磁电流约为额定电流的3%,异步电机的励磁电流约为额定电流的30%。励磁电流是无功电流，因而励磁电流越大，功率因素越低。为提高异步电机的功率因素，必须减少它的励磁电流，最有效的方法是尽可能缩短气隙长度。但是气隙过小使装配困难，还有可能使定，转子在运行时发生摩擦或碰撞， 因此，气隙的最小值由制造工艺以与运行安全

37、可靠等因素来决定。(4)其他部件 端盖：安装在机座的两端，它的材料加工方法与机座一样，一般为铸铁件。端盖上的轴承室里安装了轴承来支持转子，以使定子和转子得到了较好的同心度，保证转子在定子膛里正常转动。端盖除了起支撑作用外，还起着保护定，转子绕组的作用。 轴承：连接转动部分与不转动部分，目前都采用滚动轴承以减少摩擦。轴承端盖：保护轴承，使轴承的润滑油不致溢出。风扇：冷却电动机2.1.2异步电动机的旋转原理(1)三相异步电机作为电动机运行 三相电流流入三相定于绕组产生旋转磁势，并在气隙中产生相应的旋转磁场。 当旋转磁场切割转子导体时，在其中产生感应电势，使转子导体中有电流流过。其方向可利用右手定则

38、判定。转子电流与旋转磁场作用而产生电磁转矩，使转子以转速n旋转，从而把电能转换成机械能，作电动机运行。当异步电动机作为电动机运行时，为了克服负载的阻力转矩，三相异步电动机的转速n总是略低于同步转速n1，以便气隙的旋转磁场能够切割转子导体而在其中产生感应电势和感应电流，从而能够产生足够的电磁转矩来拖动转子转动。可见，异步电机产生电磁转矩的必要条件是，磁场的同步转速n1和转子的转速n不相等把同步转速n1和转子转速n的差值称为转差，转差与同步转速n1的比值称为转差率，转擦率用s来表示，即 (2.1)转差率是异步电机的一个基本变量，它可以表示异步电机的各种不同运行状态。在电机刚启动时，转子转速n=0，

39、则s=1随着转子转速n的上升，转差率s减小三相异步电动机的转速可用转差率来计算 (2.2) (2)三相异步电动机作为发电机运行(3)三相异步电动机在制动状态下运行 在这种情况下，它一方面消耗原动机的机械功率，同时也从电网吸收了电功率，这两部分功率均变成三相异步电动机的损耗。 在三种运行状态下，转子转速总是与旋转磁场转速不同，因而称为异步电机。又由于异步电机的转子绕组并不直接与电源相接，而是依靠电磁感应的原理来产生感应电势和电流，从而产生电磁转矩使电动机旋转，因而异步电动机又称为感应电机。2.1.3 异步电动机电路的等效变换(1)异步电机定转子磁链方程定子磁链 （2.3）转子磁链 （2.4）励磁

40、磁链 （2.5）式中: , 定、 转子电流矢量; 定、 转子绕组之间的互感; , 定、 转子绕组全电感。 根据上述公式可画出电机定转子以与气隙磁链矢量图,如图 2.1所示。定子磁链由定子和转子 电流共同决定,转子磁链也如此。 图 2.1 电机磁链矢量图(2)电压电流状态方程和等效电路 在静止-坐标下,二相异步电动机定、 转子绕组电压平衡方程式为:（2.6） （2.7） 式中:，定子电流矢量的，分量，即；，定子磁链矢量的，分量，即；，转子电流矢量的，分量，即；，转子磁链矢量的，分量，即；，定子电压矢量的，分量，即；，转子电压矢量的，分量，即；， 定、 转子绕组电阻 转子角速度 P 微分算子 磁链

41、的电流和电感表示式 （2.8） （2.9） 经整理可得到下列电压电流关系矩阵方程:= （2.10）得异步电动机定转子电压与电流矢量的关系:= （2.11） 观察上式,定、 转子电压平衡方程式中都包括 ,可得到 T型动态等效电路如图 2.2所示。这是一种场路结合的分析方法,定、 转子相互之间通过励磁磁链耦合起来,励磁磁链;定子磁链为励磁磁链与定子漏磁链之和;转子磁链为励磁磁链与转子漏磁链之和;磁场问题最后通过电路拓扑的形式加以描述。 图 2.2T型瞬态等效电路(2.12) 图中电路同定子绕组匝数不变、 转子绕组的匝数变化倍的电路等效,称为 T型变换。根据恒功率原则,其方程为= (2.13)其中转

42、子的电压乘以系数,转子电流除以,功率保持不变。根据上面介绍的分析方法,定、 转子电压平衡方程式中都包括 ,得到 T型动态等效电路一般形式如图 2.3所示。图 2.3T型动态等效电路一般形式定子磁链 (2.14)转子磁链（2.15）(2.16) 图中 (2.17) 可取不同值,取，都有具体物理意义。即在等效电路中的励磁支路的磁链可以分别代表气隙磁链、 转子磁链和定子磁链。(3) T-1、 T-2 动态等效电路当时,即为 T型动态等效电路,如图 2.3所示。当时,即为 T-1型动态等效电路(见图 2.4) ,转子的漏感正好为 0。图 2.4T-1 型动态等效电路图2.4中： (2.18) 励磁磁链

43、为励磁电感为， 转子电流为定子电流不变。该图中励磁磁链正好为实际的转子磁链乘以一个系数。该等效电路用于分析以转子磁场定向的矢量控制是非常方便的,是一个精确的模型,而不是近似的忽略了转子漏感的等效电路。知道定子电压电流就可计算出励磁磁链,乘以系数 即实际的转子磁链。取 ,即为 T-2型动态等效电路 (如图 2.5) ,根据图 3,定子的漏感正好为 0。图 2.5T-2 型动态等效电路 (2.19) 励磁磁链为正好为实际的定子磁链,励磁电感为 、 转子电流为 。该等效电路通常用于分析直接转矩控制。在直接转矩控制中要求直接控制定子磁链,定子磁链是通过控制定子电压获得的。该电路也是精确的模型,而不是忽

44、略定子漏感获得的模型。2.1.4 异步电机变频调速原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统 大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，

45、通过滑环由直流励磁电源供电，或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转的整流器供电。 对于经常在高速运行的机械设备，定子常用交-直-交电流型变压变频器供电，其电机侧变换器（即逆变器）比给异步电动机供电时更简单，可以省去强迫换流电路，而利用同步电动机定子中的感应电动势实现换相。这样的逆变器称作负载换流逆变器（Load-commutated Inverter，简称LCI）。系统组成图2.6 由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统在图2.6中，系统控制器的程序包括转速调节、转差控制、负载换流控制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节。 由于变压变频装置是电流型的，还单独画出了电流控制

46、器（包括电流调节和电源侧变换器的触发控制）。 换流问题LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题， 低速时同步电动机感应电动势不够大不足以保证可靠换流；当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。解决方案 这时，须采用“直流侧电流断续”的特殊方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。 用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的 3%5%，然后再切换到负载电动势换流。 2.1.5 变频调速的控制方式与选定变频器选型时要确定以下几点： (1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 (2) 变频器的负载类型

47、；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 (3) 变频器与负载的匹配问题； I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 (4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 (5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电

48、缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 (6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。3 变频器主电路设计 变频器分为交交变频器和交直交变频器两大类。交交变频器是将工频交流电直接变换成电压和频率可调的交流电，也称直接式变频器，而交直交变频器是将工频交流电先通过整流电路变成直流电，然后将直流电变换成电压和频率可调的交流电，它又称为间接式变频器。目前主要应用的是交直交变频器。交直交变频器的主电路框图如图3.1所示，主电路包括3个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。图3.

49、1 交直交变频器的主电路框图3.1 整 流 电 路 整流电路是一种将输入的交流电压变换为输出的直流电压的电路。根据整流电路中所使用的功率器件的开关控制性能对整流电路分类，整流电路可分为：不可控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。3.1.1 不可控整流电路 1不可控器件功率二极管2不可控整流电路图3.2 单相不可控整流桥与整流电压波形 为了减小整流输出直流电压的脉动，常在直流侧并接一个大电容，作为稳压电容，如图3.3所示。图3.4为利用功率二极管构成的三相不可控整流桥电路，图3.5为整流桥输入的交流电压和负载电阻R上的电压波形。 图3.3 带稳压电容的单相不可控整流桥电路图3.4 三相不可控整

50、流桥电路 图3.5 三相不可控整流桥电压波形3.2 中 间 电 路 变频器的直流侧是连接变频器整流电路和逆变电路的中间电路部分，主要实现滤波和制动两大功能。整流电路输出的电压是脉动的，需要进行滤波，以获得恒流(电流型)或恒压(电压型)电源。直流侧为电压型电路的滤波原理如图3.6所示。图3.6 电压型电路滤波原理图3.7为直流侧为电流型电路的滤波原理。图3.8为其控制单元的电路结构。 图3.7 图3.8 图3.9 图3.103.3 逆 变 电 路 逆变是整流的逆过程，即把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接有电源，即接在电网上，称为有源逆变。当交流侧直接和负载相连时，称为无源逆变。逆变电路一般指

51、无源逆变电路。3.3.1 逆变电路的工作原理 图3.9 为单相桥式逆变电路。图3.10为单相桥式逆变电路波形图。3.3.2 电压型和电流型逆变电路 图2.11所示为电压型逆变器和电流型逆变器的结构简图。图3.11 电压型逆变器和电流型逆变器的结构简图 电压型逆变电路有以下特点：直流侧为电压源，直流侧电压基本无脉动；交流侧输出电压波形为矩形波，与负载阻抗无关；为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥的各桥臂开关器件都反并联有反馈二极管，一起构成逆导开关。图3.12所示为IGBT反并联二极管构成的逆导开关。电流型逆变电路有以下主要特点：直流侧为电流源，直流侧电流基本无脉动；交流侧输出电流

52、波形为矩形波，与负载阻抗无关；开关器件不需要反并联二极管。 图3.12 IGBT与二极管构成的逆导开关3.3.3 三相桥式逆变电路三相电压型全桥逆变电路如图3.13所示。图3.14 电压型三相全桥逆变电路波形图。图3.13 图3.14 图3.15左是电流型三相桥式逆变电路，图3.15右给出了逆变电路输出的三相电流波形与线电压波形。 图3.15 电流型三相桥式逆变电路与其输出波形 4 变频参数与选择4.1 功能与参数4.1.1 频率的给定功能 当变频器设定为外部操作模式时，变频器的输出频率跟随给定信号的变化。给定方式给定方式分为模拟量给定和数字量给定。（1）模拟量给定方式当给定信号为模拟量时，称为模拟量给定方式。模拟量给定时的频率精度略低，为最高频率的±5%以。 (1)电压信号。以电压大小作为给定信号的称电压信号。其围有05V或010V。输入端为2，通过参数Pr.73切换。输入电压(Pr.73)可进行“05V，010V”选择。“0”DC05V。“1”DC010V。 (2)电流信号。以电流大小作为给定信号的称电流信号，