第2章电气控制线路基础PPT

第2章

电气控制线路基础

在工业、农业和交通运输等部门中，都广泛使用各种生产机械，它们一般采用电动机拖动，而电动机是通过各种控制方式来进行控制的，最常见的传统控制是继电器—接触器控制方式。该控制方式由各种有触点的继电器、接触器、按钮、行程开关等组成控制电路，来实现对电力拖动系统的起动、制动、反向以及调速等控制，实现对电力拖动系统的保护及生产加工自动化。但是，不同的生产工艺和生产过程，对控制线路的要求也不一样，然而不管多复杂的控制线路都是由一些基本的控制环节组合而成。因此，只要掌握这些基本环节和一些典型的控制线路，就可以设计出复杂的电气控制线路。2.1电气原理图的绘制原则及阅读方法

电气系统图一般有三种类型：电气原理图、电器布置图和电气安装接线图。

电气原理图习惯上称电路图，它是按工作顺序用图形符号排列，详细表示电路、设备或成套装置的基本组成和连接关系，而不考虑实际位置的一种电气图。电气原理图可用于分析系统的组成和工作原理，也可为寻找故障提供帮助，同时也是绘制接线图的依据。但是，由于电路图描述的连接关系仅仅是元器件之间的功能关系，不是实际的连接导线，因此它不能替代接线图。本节主要介绍电气原理图的绘制原则及阅读分析方法。

一、电气原理图的绘制原则由于原理图具有结构简单，层次分明，适于研究分析电路的工作原理等优点，所以无论在设计部门还是生产现场都被广泛应用。电气原理图表达的是电路的工作原理，根据GB/T6988标准中的规定，下面以图2-1所示的某生产机械电气原理图为例对这些原则进行概括性的总结和介绍。

图2-1某生产机械电气原理图

（1）电气原理图中所有元器件的图形符号和文字符号，必须符合统一的国家标准。（2）电气原理图一般分主电路和辅助电路两大部分。主电路是被控对象的驱动电路，包括从电源到电动机之间相连的电器元件，其中三相电路导线应按相序从上到下或从左到右排列，中性线排在相线的下方或右方，并用L1、L2、L3及N（或保护接地线PE）标识。辅助电路由控制电路、照明电路、信号电路和保护电路等组成，应将这些电路分开进行绘制。整个电路可采用水平布置或垂直布置：当水平布置时相似元件宜纵向对齐；垂直布置时相似元件宜横向对齐。（3）电气原理图中电气元件的布局，应根据便于阅读的原则进行安排。主电路安排在图面的左侧或上方，辅助电路安排在图面的右侧或下方。所有电路均按功能布置，同一功能的电气相关元器件应画在一起，尽可能按动作顺序和信号流从上到下或从左到右排列。（4）电气原理图中，所有电器的触点均以“常态”画出，即按没有通电或没有受机械外力作用时的状态绘制。如，继电器、接触器的触点绘制不得电的状态，按钮、行程开关画不受外力作用时的状态。（5）电气原理图中，各种电器元件和其相关部件在电路中的位置，应依据便于阅读的原则安排，同一个电器元件的各个部件可以不画在一起，但是必须标注统一的文字符号。对于同类器件要在文字符号后加数字序号以示区别，如两个接触器可分别用文字符号KM1、KM2来区分。（6）电气原理图中，应尽量少使用线条，且尽量避免线条交叉。如果导线之间有直接电的联系时，对于“T”形连接点，可以画黑圆点“•”，也可不画；对于“+”形连接点，则必须画黑圆点。

二、电气原理图的阅读方法1.基本原则采用化整为零的原则，以某一电动机或电器元件（如接触器或继电器线圈）为对象，从电源开始，自上而下、自左而右，逐一分析其接通断开关系。概括起来，可以说成是“化整为零、顺藤摸瓜、先主后辅、集零为整、安全保护、全面检查”。2.阅读方法与步骤1）阅读主电路主电路的作用是保证生产机械拖动要求的实现。从主电路的构成可以看出电动机或执行电器的类型和工作方式，以及起动、正反转、调速、制动等控制要求和保护要求等内容。2）阅读控制电路主电路的各控制要求由控制电路来实现，运用“化整为零、顺藤摸瓜”的原则，将控制电路按功能划分为若干个局部控制线路，从电源和主令信号开始，经过逻辑判断，写出控制流程，以简便明了的方式表达出电路的自动工作过程。3）阅读信号与照明电路信号与照明电路具有独立性，仅起辅助作用而不影响主要功能，其很多部分是受控制电路中的元件来控制的。4）阅读联锁与保护电路生产机械对安全性、可靠性等有很高的要求，欲实现这些要求，除了合理地选择拖动、控制方案外，还需在控制线路中设置电气保护和必要的电气联锁。在电气控制原理图的分析过程中，电气保护与电气联锁环节是非常重要的内容，不能遗漏。5）总体检查经过“化整为零”，逐步分析了各局部电路的工作原理和各部分之间的控制关系之后，还必须“集零为整”，检查整个控制电路，看是否有遗漏。特别要从整体角度去进一步检查和理解各控制环节之间的联系，以达到全面理解原理图的作用。

2.2电气控制线路基本环节

在生产实际中，大部分的复杂电气控制线路都是由一些基本电路组合而成的。因此，必须首先学好这些基本电路，为以后设计复杂电路打下坚实的基础。本节介绍一些常用的典型基本控制线路。

一、点动和长动控制线路在生产实际中，根据生产工艺要求的不同，电动机需要工作在点动和长动两种状态下。点动是操作者按下起动按钮时电动机起动运转，松开起动按钮时电动机就停止转动；长动是操作者按下起动按钮后电动机起动运转，即使松开起动按钮电动机还能一直运转，即连续运转，直到按下停车按钮为止。图2-2所示为几种常见的电动机点动和长动工作的控制线路。概念：自锁、自锁电路、自锁触点分析动作过程

图2-2电动机点动和长动控制电路

二、多点控制线路

在生产实际中，有些生产机械和生产设备，由于生产工艺的要求，往往需要在两地或多地进行操作。例如，电梯即为多地控制，任意层的楼道上都能够进行控制，在任意层的梯厢里也能够控制。要在多点控制，就应该有多组按钮，根据电路中所学知识我们知道，多组按钮的连接规则：接通电路使用常开按钮，须“并联”；断开电路使用的常闭按钮，须“串联”。图2-3为两地和三地控制的线路，主电路同图2-2中所示主电路。

概念：多点控制分析动作过程

图2-3两地和三地控制线路

三、顺序控制线路

在生产实际中，常常要求各运动部件之间能够按顺序工作。例如，机床的主轴电动机必须在油泵电动机起动之后才能起动。图2-4为两台电动机顺序起动的控制线路。图中，M1为油泵电动机，M2为主拖动电动机，也就是说M1起动之后M2才能起动。概念：顺序控制分析动作过程

图2-4两台电动机顺序起动的控制线路

2.3三相笼型异步电动机的起动控制线路

三相笼型电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、坚固耐用、维修方便、转动惯量小等优点，在实际中有着广泛的应用。笼型电动机的起动方式有直接起动和降压起动两种。

一、直接起动控制线路

直接起动是指将额定电压直接加到三相异步电动机的定子绕组上，使电动机起动旋转。直接起动是一种简便、经济的起动方法，但是直接起动时的起动电流为电动机额定电流的4～7倍，过大的电流会造成电网电压显著下降，直接影响电网中其它电气设备的稳定运行，所以直接起动的电动机容量受到一定限制。图2-2（b）所示即为一种电动机直接单向全压起动的控制线路。这是一种最简单、最常用的控制电路，能实现远距离控制电动机的起停，电路的工作过程分析此处不再赘述。

根据电动机起动的频繁程度、供电变压器容量的大小来决定直接起动电动机的容量：对于频繁起动的电动机来说，容量应不大于变压器容量的20%；对于不经常起动的电动机，容量应不大于变压器容量的30%。

二、降压起动控制线路

直接起动方式虽然控制电路简单，但当电动机容量较大时，由于起动电流过大，会对电网产生巨大的冲击，所以一般采用降压起动方式。所谓降压起动，是指起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待起动后再将电压恢复至额定值，使之在正常电压下运行。因电枢电流和电压成正比，所以降低电压可以减小起动电流，防止在电路中产生过大的电压降，减少对线路电压的影响。常用的降压起动方法有：Y-△降压起动、定子串电阻降压起动、自耦变压器降压起动以及使用软启动器等多种。其中，软启动器是一种新兴的弱电降压起动方法，随着科学技术的发展在实际中使用越来越多，将在2.3.3小节作详细介绍。

1、Y-△降压起动控制线路凡是正常运行时三相定子绕组连接成三角形接法的三相笼型电动机，都可以采用Y-△降压起动。起动时，先将定子绕组接成Y形，接入三相交流电源，由于每相绕组的电压下降至正常工作电压的，故起动电流下降到全压起动时的，当转速接近额定转速时，再将电动机定子绕组改接成△形，电动机进入正常运转。下面介绍两种有代表性的控制线路。1）用于13kW以下电动机的降压起动电路图2-5为用两个接触器实现的Y-△降压起动控制电路。图中，KM1为线路接触器，KM2为Y-△变换接触器，通电延时型时间继电器KT为降压起动时间继电器。分析动作过程注意几点（4点）

图2-5两个接触器控制的Y-△降压起动控制电路

2）用于13kW以上电动机的降压起动电路图2-6为三个接触器控制实现的Y-△降压起动控制电路。与图2-5相比，多用一个接触器KM3来短接电动机三相绕组的末端以构成Y连接，故该接触器也称为Y连接接触器。分析动作过程注意几点（2点）

图2-6三个接触器控制的Y-△降压起动控制电路

2、定子串电阻降压起动控制线路这种起动方式不受电动机接线形式的限制，且设备简单、经济，故在实际中应用广泛。三相笼型电动机定子绕组串电阻起动，因电阻在电路中有分压的作用，使绕组电压降低，从而减小了起动电流；待电动机转速接近额定转速时，再将串接电阻短接，使电动机在额定电压下正常运行。图2-7为定子串电阻降压起动控制电路。图中KM1为起动接触器，KM2为运行接触器，通电延时型时间继电器KT用来短接定子电阻。分析动作过程注意几点（2点）

图2-7定子串电阻降压起动控制电路

3、自耦变压器降压起动控制线路在自耦变压器降压起动的控制线路中，电动机起动电流的限制是依据自耦变压器降压作用来实现的。其工作原理为：电动机经自耦变压器降压起动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次侧电压，由于自耦变压器的电压变比为，所以当利用自耦变压器降压起动时，起动时电压为额定电压的，电网供给的起动电流降为，待电动机转速接近额定转速时，再将自耦变压器切除，使电动机在额定电压下正常运行。图2-8为两个接触器控制的自耦变压器降压起动控制电路，KM1为降压起动接触器，KM2为正常运转接触器，KA为起动用中间继电器，KT为降压起动用通电延时型时间继电器。分析动作过程注意几点（2点）

图2-8两个接触器控制的自耦变压器降压起动控制线路

图2-9为三个接触器控制的自耦变压器降压起动控制电路。当SA位于“M”时为手动方式，按下起动按钮SB2后，进行降压起动，待电动机转速接近额定转速时，需按下正常运行按钮SB3，方可由降压起动换接成全压运行；当SA位于“A”时为自动方式，原理同图2-8，该电路适用于30kW以上电动机。由于该电路控制电动机容量较大，故采用电流互感器TA后使用小容量热继电器实现过载保护。分析动作过程

图2-9三个接触器控制的自耦变压器降压起动控制电路

图2-9为三个接触器控制的自耦变压器降压起动控制电路。当SA位于“M”时为手动方式，按下起动按钮SB2后，进行降压起动，待电动机转速接近额定转速时，需按下正常运行按钮SB3，方可由降压起动换接成全压运行；当SA位于“A”时为自动方式，原理同图2-8，该电路适用于30kW以上电动机。由于该电路控制电动机容量较大，故采用电流互感器TA后使用小容量热继电器实现过载保护。分析动作过程

三相笼型电动机的三种常用降压起动控制方法在实际中的应用比较，如表2-1所示。起动方法优点缺点适用范围Y-△降压起动控制简便、经济，不增加专用起动设备即可实现降压起动。起动转矩只有全压起动时的1/3。用在操作较频繁的场合，也用于较重负载下的起动场合。定子串电阻降压起动控制不受电动机接线形式限制，设备简单、经济。串接电阻有能量损耗（电阻改电抗），电压降低后，起动转矩与电压的平方成比例地减小。空载或轻载起动场合。自耦变压器降压起动控制起动时转矩较大并可调节。接线比较复杂，起动转矩与二次侧电压的平方成正比。空载或轻载起动场合。

三、软启动器前面讲过的三相电动机的降压起动控制线路比较简单，但其起动电流的冲击一般还很大，除了自耦变压器降压起动控制外其它控制方式的起动转矩都较小而且不可调。另外，电动机停车都是通过控制电路控制接触器主触点，使其断开从而切断电动机电源而自由停车。这样，由于惯性的存在，会造成剧烈的电网波动和机械冲击。在直接起动方式下，起动电流为电动机额定电流的4～7倍，起动转矩为额定值的0.5～1.5倍；在Y-△降压起动方式下，起动电流为电动机额定电流的1.8～2.6倍，起动转矩为额定值的0.5倍，且在Y到△切换时会出现电流冲击；在定子串电阻降压起动方式下，起动电流为电动机额定电流的4.5倍，起动转矩为额定值的0.5～0.75倍；在自耦变压器降压起动方式下，起动电流为电动机额定电流的1.7～4倍，起动转矩为额定值的0.4～0.85倍，在电压切换时也会出现电流冲击。因此，前面讲过的几种方法经常用于对起动特性要求不高的场合。那么，在一些对起动要求较高的场合，该怎么办呢？随着电子技术的不断发展，在这些场合可以选用软启动器装置，该装置采用电子起动方法，其主要特点是具有软起动和软停车功能，起动电流和起动转矩可调节，同时还具有电动机过载保护等功能。

1、软启动器的发展现状近几年来，国内外软启动器技术发展迅速，从最初单一的软启动功能，发展到同时具有软停车、故障保护和轻载节能等功能。我国对软启动器技术的开发是比较早的，从1982年开始就有不少研究者在开发功率因数控制器时即包括了软启动技术，现在这些技术已经发展成熟并有产品推出，如JKR软启动器和JQ、JQZ型交流电机固态节能启动器等，现在我国已经研制出智能电机控制器。目前，国外著名的电气公司，如ABB公司、罗克韦尔公司、施耐德公司、西门子公司等，几乎都有软启动器产品进入中国市场，并占有较大的市场份额。

2、软启动器的工作原理图2-10所示为软启动器的内部原理简图，其主要由三相交流调压电路和控制电路两大部分构成。工作原理：利用晶闸管的移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角来改变其输出电压，达到通过调压方式来控制起动电流和起动转矩的目的。控制电路按预定的不同起动方式，通过检测主电路的反馈电流控制它的输出电压，可以实现不同的起动特性。最后，软启动器输出全压使得电动机全压运行。软启动器还具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能，可实时检测并显示电流、电压、功率因数等各种参数。

图2-10软启动器的内部原理简图

3、软启动器的控制功能三相异步电动机在软起动过程中，软启动器是通过控制加在电动机上的电压来控制电动机的起动电流和起动转矩的，起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。一般，软启动器可以通过设定不同的参数得到不同的起动特性，以满足不同负载特性的要求。（1）斜坡恒流升压起动方式斜坡恒流升压起动曲线如图2-11所示。从图（a）中不难看出，起动初始电压和起动时间可以设定；从图（b）可以看出，在起动初始阶段起动电流逐渐增加，当达到预先所设定的限流值后保持恒定，直至起动完毕，起动过程中电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定。这种起动方式断开电流反馈，属于开环控制方式，主要用于一台软启动器并接多台电动机或电动机功率远低于软启动器额定值的应用场合，比如风机、泵类负载的起动。

图2-11斜坡恒流升压起动方式

（2）电压提升脉冲阶跃起动方式在起动开始阶段，晶闸管在极短时间内以较大电流导通，获得较大的起动转矩，经过一段时间后，再按原设定值线性上升，进入恒流起动状态。这种起动方式适用于重载并要需克服较大静摩擦的起动场合。（3）转矩控制及起动电流限制起动方式转矩控制及起动电流限制起动曲线如图2-12所示。这种起动方式一般可以设定起动初始力矩、起动阶段力矩限幅、力矩斜坡上升时间和起动电流限幅，引入了电流反馈，属于闭环控制方式，更加稳定。因此，这种控制方式可以使电动机以最佳的起动加速度、以最快的时间完成平稳的起动，在实际中是使用最多的起动方式。

图2-12转矩控制及起动电流限制起动方式

（4）减速软停车控制方式减速软停车控制方式是当电动机需要停车时，不是立即切断电动机的电源，而是通过调节软启动器的输出电压，使其逐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且一般大于自由停车时间，故称为软停车方式，用于高层建筑、楼宇的水泵系统等。（5）制动停车方式当电动机需要快速停车时，软启动器具有能耗制动功能。能耗制动，当需要制动时软启动器改变晶闸管的触发方式，使交流转变为直流，然后在关闭主电路的电源后，立即将该直流电通入电动机定子绕组，利用转子感应电流与静止磁场的作用达到最终制动的目的。

4、Altistart-46软启动器的应用Altistart-46软启动器是施耐德电气公司专门为风机、泵类负载生产的软启动装置。Altistart-46软启动器所接电源电压为208-220-230-240V或400V或440-460-500V（任选），电源频率50Hz或60Hz自适应，额定电流为17A～1200A，可带电动机功率为2.2kW～800kW，具有短路保护、过载保护和抗干扰等功能，能够适应恶劣的工业生产环境。赤泥泵异步电动机软起动电气原理图如图2-13所示。

图2-13赤泥泵异步电动机软起动电气原理图

2.4电动机正反转控制线路

在生产实际中，往往要求生产机械的运动部件实现正反两个方向的运动，如电梯的升降和电梯门的开关、起重机的升降和抓紧放松重物等，这都要求电动机能做正反向运转。由电机原理可知，只要改变电动机外接三相电源的相序即可改变电机的旋转方向。因此，可借助接触器来改变电动机外接三相电源的相序来实现电动机正反向的切换工作。

1、正反转控制线路图2-14所示为电动机正反转控制线路。分析动作过程

图2-14几种电动机正反转控制线路

2、自动循环控制线路上述的电动机正反转控制线路是最基本的控制，在此基础上可以进行不同的演变。其中，自动往返循环控制线路有着广泛的应用，如龙门刨床和导轨磨床等刀具的自动循环运动。利用行程开关来检测机件往返的运动位置，自动发出控制信号，进而控制电机正反转使得机件循环往复运动。图2-15就是利用行程开关来实现小车自动往返循环控制的线路。图中，位置开关SQ1、SQ2为正反向时小车的左右限位，SQ3、SQ4是为了防止SQ1和SQ2出现故障而设置的左右最大限位，而机械挡铁安装在小车上。分析动作过程

图2-15自动往返循环控制线路

2.5电动机制动控制线路

三相异步电动机在切除定子绕组外接三相电源后，由于惯性的作用，总要经过一段时间才能停止旋转，但这往往不能满足某些生产机械的工艺要求，且影响生产率的提高，并造成运动部件停位不准确，工作不安全，因此要求对电动机进行制动控制。一般采用的制动方法有机械制动和电气制动。所谓机械制动是利用外加的机械作用力使电动机转子迅速停止的一种方法；电气制动是当电动机停车时，给电动机加上一个与原来旋转方向相反的制动转矩，迫使电动机转速迅速下降。本节介绍电气制动，主要包括能耗制动和反接制动两种方式。

1、能耗制动控制线路所谓能耗制动，就是在电动机脱离三相交流电源之后，在定子绕组上加一个直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用来达到制动的目的。在实际使用中，可以采用时间原则控制，也可以采用速度原则控制，分别用时间继电器和速度继电器来实现。1）单向能耗制动控制线路图2-16为按时间原则和速度原则实现的单向能耗制动控制线路。分析动作过程

图2-16单向能耗制动控制线路

2）可逆运行能耗制动控制线路图2-17为按时间原则和速度原则实现的可逆运行能耗制动控制线路。分析动作过程

图2-17可逆运行能耗制动控制线路

2、反接制动控制线路所谓反接制动，就是利用改变电动机三相电源的相序，使定子绕组产生相反方向的旋转磁场，产生制动，使电动机转速迅速下降，当电动机转速下降到接近于零时立即切断三相电源，否则电动机将反向起动，也称为电源反接制动。另外一种反接制动为倒拉反接制动，它往往出现在重力负载的场合，如桥式起重机，这一制动不能实现电动机转速为零，所以实际中除了起重机等重负载之外很少使用。由于反接制动时，转子与旋转磁场的相对速度接近于两倍的同步转速，所以定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接起动时电流的两倍。因此，反接制动特点之一就是制动迅速、效果好，但冲击很大，通常仅适用于10kW以下的小容量电动机；同时，为了减小冲击电流，通常要求在电动机定子绕组中串接一定的电阻来限制反接制动电流，这个电阻被称作反接制动电阻。反接制动的另一个要求就是在电动机转速接近于零时，要及时地切断反相序电源，以防止电动机反向再起动运行。反接制动电阻的接法有两种，对称接法和不对称接法：图2-18为不对称接法；图2-19为对称接法。不难看出，对称与不对称在于三相中所接电阻是否平衡。分析动作过程

图2-18单向运转反接制动控制线路

图2-19可逆运转反接制动控制线路

2.6电动机速度控制线路

在生产实际中，有很多场合要求三相异步电动机的速度可以调节，如鼓风机、车床、轧钢机等，其目的是实现自动控制，以达到节能、提高产品质量和生产效率的目的。

由三相异步电动机的转速公式可知，电动机的调速方法有三种：变频（）调速、变极（）调速和变转差率（）调速。其中，变转差率调速的方法是通过调整定子电压、转子电阻以及采用串级调速、电磁转差离合器调速等来实现，这种方法在实际中使用较少，本书不做介绍。目前广泛使用的是变极调速和变频调速。其中，变极调速控制比较简单，价格较便宜，但不能实现无级调速；变频调速控制较复杂，但性能较好，随着成本的日益降低，目前已广泛应用于工业自动控制领域中。

1、变极调速控制线路改变磁极对数，改变了电动机的同步转速，也就改变了电动机的转速。一般，三相感应电动机的磁极对数是不能随意改变的，所以必须选用“双速”或“多速”电动机来进行。由于电动机的极对数是整数，所以这种调速是跳跃式的、有级的调速。对于绕线转子感应电动机来说，要改变转子磁极对数以与定子磁极一致，其结构相当复杂，故一般不采用变极调速，而笼型感应电动机转子磁极对数具有自动与定子磁极对数对等的能力，因而只要改变定子磁极对数就可以了，所以变极调速仅适用于三相笼型感应电动机。笼型感应电动机往往采用以下两种方法来变更定子绕组的极对数：一是改变定子绕组的联接，即改变定子绕组的半相绕组电流方向；二是在定子上设置具有不同极对数的两套相互独立的绕组。有时为了获得更多的转速等级，在同一台电动机中同时采用上述两种方法。单绕组双速电动机的接法常用的有△联接（低速）和YY联接（高速），如图2-20所示。

图2-20单绕组双速电机的接法

图（a）是将绕组按△联接，电动机定子绕组的U1、V1、W1接三相交流电源，定子绕组的U2、V2、W2悬空，此时每相绕组中的两个线圈串联，电动机以4极运行，为低速。图（b）是将绕组按YY联接，电动机定子绕组的U1、V1、W1联接在一起，U2、V2、W2接三相交流电源，此时每相绕组中的两个线圈并联，电流从U2、V2、W2流进，从U1、V1、W1流出，电动机以2极运行，为高速。图2-21（a）为4/2极双速电动机变极调速手动控制线路。

分析工作过程

图2-214/2极双速电动机变极调速控制线路

2、变频器与变频调速1）变频调速（1）变频调速实现的关键因素一是大功率开关器件；二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究，使得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。（2）变频调速的两种基本控制方式单从异步电动机转速公式来看，只要改变定子交流电的频率f1就可以调节电动机的转速了，但事实上，只改变f1并不能实现正常的调速。实际应用中，通常不仅要求实现转速调节，同时还要求调速系统具有满足生产工艺要求的机械特性和调速指标。

异步电动机具有如下两个基本公式：式中，E1—气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，单位为V；N1—定子每相绕组串联匝数；KN1—电动机基波绕组系数；—电动机气隙中每极合成主磁通，单位为Wb；Te—为电磁转矩，单位为N﹒m；Cm—电动机转矩常数；—转子电流折算到定子一侧的电流有效值，单位为A；—转子电路的各相功率因数。

从电磁转矩公式可看出，的减小势必会导致电机允许输出转矩Te下降，使电机的利用率降低，同时电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。

从定子电压公式可看出，若维持定子端电压U1不变，而减小f1，则增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。为此，在调频的同时需改变定子电压U1，以维持气隙磁通不变。根据U1和f1的不同比例关系，有两种不同的变频调速控制方式。第一种：基频以下恒转矩变频调速第二种：基频以上恒功率变频调速结论：如果将恒转矩调速和恒功率调速结合起来，可得到较宽的调速范围。所以，变频调速是将基频以下恒转矩控制方式和基频以上恒功率控制方式结合起来使用的。

（3）变频调速的特点可以使用标准电动机，可以连续调速，可通过电子回路改变相序、改变转速方向。其优点是起动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全等。变频调速的应用领域非常广泛，如应用于风机、泵、搅拌机、精纺机和压缩机等，节能效果显著；如应用于机床如车床、钻床、铣床、磨床等，能够提高生产率和质量；还可广泛应用于其它领域，如起重机械和各种传送带的多台电动机同步、调速等。（4）变频调速的节能技术在交流电机中，要使电机输出定转矩，作一定的功，需要从定子侧通过旋转磁场输出一定功率到转子侧，这个电磁功率为。

上式说明：与转矩和旋转磁场速度的乘积成正比，在一定转矩调速时，若不变，那么从定子送到转子的功率是不变的，要使转速降低，通常增大转子回路的电阻，使之产生损耗，即式中，—转差功率，是消耗在转子电阻上的功率。显然，改变s的调速是耗能调速，称为低效调速。改变f是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能调速，因s未变，输出功率不增加，即，损耗未增加，所以是高效调速，能起到节能的效果。

2）变频器（1）变频器的概念异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率的可调电源，实现前面介绍的调速控制，这类能够实现变频调速功能的装置称为变频器。简单来说，变频器就是转换电能并能改变频率的电能转换装置。（2）变频器的分类及特点变频器的分类大致如图2-23所示。

图2-23变频器的分类

交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可调节控制的交流电，又称为直接变频器；而交-直-交变频器是先把电网的工频交流电通过整流器变成直流电，经过中间滤波环节后，再把直流电逆变成频率、电压均可调节控制的交流电，又称为间接变频器。（3）交-直-交变频器的结构交-直-交变频器的结构如图2-24所示，一般由主回路、控制回路和保护回路三部分构成。主回路用来完成电能的转换（整流和逆变）；控制回路用以实现信息的采集、变换、传送和系统控制；保护回路除用于防止因变频器主回路的过压、过流引起的损坏外还应保护异步电动机及传动系统等。介绍该图的各个部分

图2-24交-直-交变频器的结构图

（4）变频器的控制方式变频器的控制方式是指针对电动机的自身特性、负载特性以及运转速度的要求，控制变频器的输出电压（电流）和频率的方式。一般分为V/F控制（电压/频率）、转差频率和矢量控制三种控制方式。而从控制论的观点出发，变频器的控制方式则可分为开环控制和闭环控制两种。第一种：V/F控制变频器按V/F关系对变频器的频率和电压进行控制，称为V/F控制，又称为VVVF控制，其简化原理图如图2-25所示。主电路中逆变器采用BJT（BipolarJunctionTransistor，双极结型晶体管），用PWM方式进行控制。变频器的输出频率与输出电压之间的关系由图2-22所示曲线确定；转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的；基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上为恒功率调速。V/F控制是一种转速开环控制，控制电路简单，负载为通用标准异步电机，通用性强，经济性好。但是，电机的实际转速要根据负载的大小即转差率的大小来决定，所以负载变化时，在频率设定值不变的条件下，转子速度将随负载转矩变化而变化，因而该控制方式常用于速度精度要求不高的场合。

图2-25U/f控制模式

第二种：转差频率控制变频器前面提到，V/F控制方式只能用于精度不高的场合，为了提高调速精度，就需要控制转差率。通过速度传感器检测出速度，求出转差角频率，再将其与速度设定值叠加以得到新的逆变器的频率设定值，实现转差补偿，这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制，其简化原理图如图2-26所示。由于转差补偿的作用，大大提高了调速精度。但是，使用转速传感器求取转差角频率，要针对电机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式通用性较差。

图2-26转差频率控制方式

第三种：矢量控制变频器从电机学可知，直流电动机的调速性能是十分优越的，所以人们就致力于分析直流电动机调速性能优越的原因，进而研究如何使交流电动机的变频调速也能够具有和直流电动机类似的特点，从而改善其调速性能，这就是矢量控制的基本指导思想。矢量控制是一种新的控制思想和控制技术，是交流异步电动机的一种理想调速方式。矢量控制属于闭环控制方式，是异步电动机调速的最新的实用化技术。矢量控制方式使交流异步电动机具有与直流电动机相同的控制性能，目前采用这种控制方式的变频器已广泛应用于生产实际中。矢量控制变频器的特点是：需要使用电动机参数，一般用做专用变频器；调速范围在1:100以上；速度响应性极高，适合于急加速、减速运转和连续四象限运转，能适用于任何场合。板书介绍

图2-27旋转体的旋转磁场

图2-28矢量控制思路图

（5）变频器的主要技术参数输入侧的主要额定数据：额定电压（国内中小容量的变频器额定电压为三相交流电380V，单相交流电220V）和额定频率（国内为50Hz）。输出侧的主要额定数据：额定电压（一般情况下，它总是和输入侧的额定电压相等）、额定电流（允许长时间通过的最大电流，是用户在选择变频器容量时的主要依据）、额定容量（额定输出电压和额定输出电流的乘积）、配用电动机容量（指在带动连续不变负载的情况下，能够配用的最大电动机容量）、输出频率范围（输出频率的最大调节范围，通常以最大输出频率和最小输出频率来表示）。对变频器设置和调试时的主要参数：控制方式（选择V/F控制方式还是矢量控制方式）、频率给定方式（对变频器获取频率信号的方法进行选择，即面板给定方式、外部端子给定方式、键盘给定方式等）、加减速时间（加速时间是输出频率从零上升到最大频率所需时间；减速时间是指从最大频率下降到零所需时间）、频率上下限（变频器输出频率的上、下限幅值）。

（6）变频器的选择变频器的选择主要包括种类选择和容量选择两大方面。在选择变频器的类型时，大致应该注意以下几