《电气基础知识》PPT课件

1、电气工程自动化相关知识,一、电气常见名词解释 电流 ：导体内的自由电子或离子在电场力的作用下有规律的流动。 规定正电荷移动的方向为正方向。用字母 I 表示，单位为A （安）。 电压 ：电路中两点之间的电位差。用字母U表示，单位是V（伏）。 电阻 ：导体能导电，同时对电流有阻力作用，这种阻碍电流通过的 能力成为电阻，用字母R表示，单位是（欧姆）。 电容 ：凡是用绝缘介质隔开的两个导体就构成一个电容器。两个极 板在单位电压作用下每一极板上所储存的电荷量叫做电容。 直流电：大小和方向不随时间变化的电流。 交流电 ：大小和方向随时间周期性变化的电流。,电功率 ：单位时间（1S）电流所做的功。用符号P表

2、示，单位为W或 者KW。 有功功率 ：正弦交流电路的瞬时功率在一个周期的平均值。 无功功率 ：具有电感或电容的电路中，在半周期的时间里，电源的能量变成 磁场（或电场）的能量储存起来，而在另半周期内的时间里，又 把储存的能量释放出来还给电源。它只与电源进行能量交换而没 有消耗能量。与电源交换能量的速率的振幅值叫无功功率。 功率因数 ：有功功率与视在功率的比值。 相电压 ：三相电路中，相线与中性线之间的电压。 线电压 ：三相电路中，相线与相线之间的电压。 频率 ：交流电在1s内电流方向改变的次数。用字母f表示，单位是HZ,防护等级：IP,绝缘材料的耐热等级,二、电机和编码器的相关知识 电机 现代社

3、会中，电能是使用最为广泛的一种能源。在电能的生产、输送和使 用方面，电机发挥着重要作用。 电机主要包括发电机、变压器和电动机。发电机把机械能转换为电能，发 出的电压为10.520KV，为了减少远距离输电中的能量损失，应采用高压输电， 这时候就需要变压器将变压到110KV、220KV、330KV、500KV或更高。当电能输 送到用电区后，由于用电设备需要的电压等级不同，再由变压器变换到所需的 等级，如380V，220V等。 电动机将电能转换成机械能，用来驱动各种用途的生产机械。如冶金车 辆、各种机床、水泵、风机等都要用电机来驱动。,电机的分类,电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类方

4、式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。,电机,变压器,直流电机,直流发电机,直流电动机,交流电机,控制电机,同步电机,同步发电机,同步电动机,异步电机,异步发电机,异步电动机,变压器相关知识 1、简介 定义：是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。 额定容量：表示在额定使用条件下变压器的输出能力，以视在功率的千伏安表示。对三相变压器而言，额定容量表示三相容量之和。 额定电压：表示变压器各绕组在空载时额定分接下的电压值，以伏或千伏表示。在三相变压器中，如没有特殊

5、说明，额定电压都是指线电压。 额定电流：变压器各绕组在额定负载情况下的电流值，以安表示。在三相变压器中，如没有特殊说明，都是指线电流。,2、基本工作原理,变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。,只要(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。,3、相关公式 变压比 变流比 主磁通m 与外加相电压U1、频率f的关系 U1E1=4.44*f*N1* m,4、分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。,按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组

6、变压器和多绕组变压器。,按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。,按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。,按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。,按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。,连接发电机与电网的升压变压器,与电网相连的高压出线端,三相干式变压器,接触调压器,电源变压器,环形变压器,控制变压器,直流电机 分为直流发电机和直流电动机 1、直流电机的优点 调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 易于控制。 2、直流电机的应用 轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。 用蓄电池做电源的

7、地方，如汽车、拖拉机等。 家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。,3、直流电动机工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,实际的直流电动机的电枢并非单

8、一线圈，磁极也并非一对。,当电枢旋转到右图所示位置时,电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,4、 直流电机的励磁方式,供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。,1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。,他励直流电机的电枢电流和负载电流相同，即：,2、并励： 电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足,3、串励： 励磁绕组与电枢绕组串联。满足,4、复励： 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。,直流电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态

9、的过程。,起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为,为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。,起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值，将达到额定电流的10-20倍。,过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。,1、起动过程,以三级电阻起动时电动机为例, 电枢回路串电阻起动,在电枢回路串入启动电阻，可以限制启动电流，但启动电流也不能太小，应控制在额定电流的22.5倍范围内，并使启动转矩大于额定转矩，迅速完成启动过程。

10、 一般不允许将启动电阻在电动机正常运行时接入电路使用，因为长时间通过电流会烧毁电阻。 这种方式的缺点是启动过程中要消耗大量的能量，因此对经常频繁启动和大中型直流电机不适用。, 降压起动,当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。,起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。,降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此对启动频繁和大中型电机中得到广泛应用。,直流电机的制动 直流电动机在脱离电源后要求迅速停转，能实现这

11、一目的成为制动。 制动的方法有机械制动和电磁制动两类。 机械制动是利用机械装置，使电动机在切断电源后迅速停转，常用方 式有制动器和电磁抱闸。 电磁制动的方法一般有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。,制动原理：当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状 态;当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。,1、 能耗制动,电动状态，如图所示。,将开关S投向制动电阻 上即实现制动.,脱离电源后，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。,制动运行时，电机靠生产机

12、械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。 一般电阻越小，制动电流越大，制动转矩也越大。实际中制动电阻常常为滑动变阻器。,优点 制动减速平稳、可靠； 制动线路较简单； 便于实现准确停车； 缺点 制动转矩随转速降低成正比减小，低速时制动效果差； 有能量损耗； 应用场合 不要求反转及减速要求较平稳的场合；,电压反接制动时接线如图所示。,2、电压反接制动,开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：,反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从

13、而产生很强的制动作用电压反接制动。,优点 制动转矩稳定，不随着n下降而减少； 制动强烈，制动时间短。 缺点 制动时的能量损耗大； 制动到n=0时，如不断电会产生反转； 制动冲击大，电机的寿命降低。 应用范围 要求迅速制动停转并反转的场合,回馈制动原理 当电动机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电动机拖动机车下坡，使电动机的转速高于理想空载转速，进入发电状态，此时nn0，使得EaU，电枢电流为与电动状态时相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着Ia的反向而反向，对电动机起到制动作用。在电动状态时电枢电流从电网的正端流向电动机，而在制动时，电枢电流从电枢流向电网，因而称为回馈制动。,优点 不

14、需改变线路，就可以从电动机状态转入回馈制动状态； 电能可回馈给电网，比较经济。 缺点 当转速n低于理想转速n0时，不能产生制动转矩； 不能使转速制动到0。 应用范围 用于转速大于额定转速的场合； 在降压及增磁调速时，可自行转入回馈制动状态。,直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。 目前最流行的是直流调速器，它具有启动、调速、制动的优点，这里不再介绍了。,改变电动机的参数就是人为

15、地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。,1、三相异步电动机的基本结构,一、定子部分,1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,二、转子部分,1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,三、气隙,按转子结构分

16、：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,铸铝转子,绕线转子,转子铁心和绕组,三相异步电动机的基本工作原理,转动原理,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。 只要转子绕组和气隙旋转磁通密度之间有相对运动，转子就会有电流，就会有电磁转矩作用在转子上，当电磁转矩等于负载转矩时，转子以恒速n运行

17、。,在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流即在气隙中产生旋转磁场：,为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：,定子旋转磁场的转速记为n1，又称为同步转速: 式中： n1的单位为每分钟的转数（rpm） f为电源的频率 p为绕组磁场的极数 例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为： 3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等,同步转速,异步电动机的转速可表示为： 式中S称为转差率； 当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1； 若电机处于理想

18、空载，n=n1, s=0，转子与定子旋转磁场同步，故n1称为同步转速； 额定负载情况下，s为25%，所以异步电机的额定转速nN总是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。 转差率的大小反映了电机的不同运行状态。,异步电动机的转速, 异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,额定值关系有：,二、额定值,三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。 “Y”形连接时，线电流=相电流，线电压= 相电压；

19、“D”形连接时，线电压=相电压，线电流= 相电流,三、接线, 实用表达式 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：,TN 是电机的额定转矩， PN 是电机的额定功率， nN 是额定转速 T 是过载能力, 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性,一、固有机械特性,固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。Sm 为最大转矩时的临界转差率。,s,n,0,nN,sN,nm,sm,1,0,TN,Tst,Tm,Tem,几个特殊点：,A,B,C,D,1.起动点A:,2.最大转矩点B:,3.额定运行点C,4.同步运行点D

20、,二、人为机械特性,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。,TST和KST分别是启动转矩和转矩倍数,2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性,串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。,除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。, 三相异步电动机的起动,起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。,1.起动电流大的原因,起动时 ,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大.,2.起动转矩不大的原因,从下述公式分析,起动时, ,远大于运行时的 ,转子漏抗 很大, 很

21、低,尽管 很大,但 并不大.,由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小.,由上述两个原因使得起动转矩不大., 三相笼型异步电动机的起动,一、直接起动,可以直接起动的条件：起动电流倍数,从三相异步电动机固有机械特性中分析知道，如果在额定电压下直接起动，起动电流大。起动转矩不大。 一般起动电流可达额定电流的5-7倍，对机械设备的冲击也大。,一般情况下，在供电变压器容量较大，电机的容量较小时，三相鼠笼型电机可以直接启动，经验上7.5KW以下的小容量电机可以直接起动。,二、降压起动,适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。 起动时Y接，起动电压降为 U 起动电流

22、降为 I 运行时接。,起动电流关系:,Y- 降压起动多用于空载或轻载起动,1.Y- 降压起动,起动转矩关系:,2.自耦变压器降压起动,直接起动时的起动电流：,降压后二次侧起动电流：,变压器一次侧电流：,电网提供的起动电流减小倍数：,起动转矩减小的倍数：,自耦变压器一般有三个分接头可供选用。,3、转子回路串电阻起动,在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。,为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。,电动机由a点开始起动，经bcdef gh，完成起动过程。,起动过程,二、转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器是一铁

23、损很大的三相电抗器。转子电动势的频率为：,起动时，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。,起动时, ,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻 大,相当于转子回路串入一个较大电阻。所以限制了转子的起动电流，随着 上升,转子频率 减小,铁损减少,等效电阻减小,相当于逐渐切除 ,起动结束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。,理想状态时,三相异步电动机的电磁制动,1、 能耗制动,实现：制动时，S1断开,电机脱离电网，同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁电流。,直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生

24、的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。,制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在 转子回路电阻上能耗制动。,对笼型异步电动机,可以增大直流励磁电流来增大初始制动转矩 。,对绕线型异步电动机,可以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩 。,2、 反接制动,实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。,3、 回馈制动,实现：电动机转子在外力作用下，使nn1.,回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。,能耗制动、反接制动和回馈制动的优缺点与直流电机的这三种方式大体一致。根据实际需要合理选择。, 三相异步电动机的调速,由异步电

25、动机的转速公式,可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：,（1）改变定子极对数 调速。,（2）改变电源频率 调速。,（3）改变转差率 调速，用降低定子绕组电压和绕线式电机转子回路串电阻等方法实现。,改变定子电压调速对于恒转矩负载调速范围十分小，对风机类负载调速范围较大，但是有过流的问题。 转子回路串电阻调速的调速范围不大，平滑性不好，转速越低，情况越严重。 变极调速为有极调速，需要电机定子有多套绕组或绕组有多种接法；造价太高。 变频调速真正无级调速，调速范围宽，系统复杂，性能好，可以和直流调速系统相媲美，为目前最为流行的方法，而且它将起动、调速、制动的优点集于一身，在后面变频器章节将详细介绍。

26、,编码器相关知识 简介 在自动化领域,旋转编码器是用来检测角度，位置，速度和加速度的传感器。依靠轴杆、齿轮、测量轮或绳缆的控制，线性位移能被检测。编码器也把实际的机械参数值转换成电气信号，这些信号可以被计数器、转速表、PLC和工业PC处理。 由玻璃或塑料制成的圆盘被栅格为透明的和非透明的区域。如果一个光源固定在圆盘的一侧，光敏元件固定在另一侧,旋转运动即可通过非接触方法检测出。如果一束光打在透明的区域，接收器接收到，产生脉冲，当光束被黑色区域隔断时，不产生脉冲。发光二极管通常用作光源，发光范围在红外线范围内，光敏二级管或光敏晶体管作为接收器。,增量型编码器 轴旋转一定角度，增量型编码器提供一定

27、数量的脉冲。周期性的测量或者单位时间内的脉冲数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出脉冲之间相位差为90。能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号，因此可用来实现双向的定位控制。另外，三通道增量型旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。这个信号(第三通道) 是用于参考的零位信号或称为通道0 。,利用光电耦合器扫描安装在机械轴上的分割成断的圆盘。,机械代码被转换为成比例的电气脉冲信号。,增量型,增量型编码器接口 线驱动（RS422） 这种对称的接口推荐使用于干扰较严重的场合或通讯距离远要求。所用电缆必须为双绞线以实现

28、最大的干扰抑制。这种接口方式也可用于替代TTL接口，如果是这种情况，反向的输出信号将不需要。,推挽式输出 推挽式输出组合了NPN和PNP输出方式。相比于开路集电极输出，推挽式输出的特点是提高了脉冲上升沿。另外，抗干扰能力也增加。用NPN或PNP时不需要额外配线。输出具有反相通道。这种输出的主要应用于中等的开关频率范围。OC(集电极开路）输出可以用这种方式替代。,供电电压：RS422 5VDC RS422 10-30VDC 1000米 推挽输出 无反向信号 5-30VDC 100米 推挽输出 有反向信号 10-30VDC 250米 NPN输出 5VDC或5-30VDC NPN集电极开路输出 5V

29、DC或5-30VDC NPN为上拉型 PNP是下拉型（发射极强制正电压）可以得到与编码器不同电压等级的信号。,绝对值编码器 通过一些光电耦合器扫描旋转盘上的代码图案。 每一个位置有其独一无二的代码。,单圈 编码器只有一圈被编码。 编码器转完一个完整的圈后，代码开始重复 最多至每圈8192步, 或13位 在断电情况下位置的改变也能被记忆下来。 不能区分到底转了多少圈。,多圈 在单转型单元的基础上另外包含了一个齿轮。 靠这个齿轮，可以探测到转的圈数。 最大可探测 4096(12位)圈。,输出接口： 1、并行输出： 5VDC或 10-30VDC二进制或格雷码输出对于单圈是可行的 TTL2米 并行推挽

30、100米 2、SSI同步串行接口输出5VDC RS485时钟信号数据信号1200米 SSI同步串行接口输出10-30VDC RS485时钟信号数据信号 3、总线形式：PRFIBU、SCANopendevice-net总线型式10-30VDC 4、开放的数字传感器接口BISS RS422或RS485数据时钟信号大于50米，频率越高传输距离越远。 5、模拟量输出信号4-20mA 200米,根据设计和安装系统区分 实心轴编码器 通过联轴器连接到驱动轴上。柔性联轴器用来机械连接两个机械轴并且补偿两轴水平偏差。其它可能连接编码器到驱动轴上为：皮带、小齿轮、测量轮和缆绳牵引。 在这里请注意：联轴器的选型不

31、同，将使施加在轴向或径向上的力损坏编码器的风险不同。,实心轴编码器的优点： 结构简单 可以更高的防护等级 机械上提供不同连接法兰，电气上可提供不同连接插头 实心轴编码器的弱点： 部件多：编码器，安装法兰，联轴器。,轴套型编码器 用这种结构，编码器的轴为连续的通孔空心轴或者半空轴套型式。编码器和驱动轴可以用编码器的轴套和弹簧连接片轻而易举地连接。轴套型编码器集成了 定子簧片，以用来补偿编码器与驱动装置的水平误差。因此不必做一个补偿联轴器。 轴套型编码器的优点： 编码器/驱动系统安装时间短 简单的安装步骤 轴套型编码器的弱点： 内部结构复杂 振动,轴套型编码器用通孔轴套套在驱动轴上。 这种编码器,

32、轴连接器和定子簧片已经集成，轴连接使转矩的正确传递得到保证。这个安装系统里，驱动轴承担编码器的重量。靠编码器轴套四周的小螺丝固定防止轴套在轴上的转动。另外必须限制所有其他有角度的转动。,半空轴编码器： 轴套编码器差不多相同的功能，半空轴编码器就符合这一点，半空轴编码器区别于轴套编码器主要是轴套为一个凹陷的盲孔。,选型依据： 1、机械法兰接口 2、电气接口依据自动化提供的要求或技术协议（必须明确） 3、绝对值要考虑齿轮比 接线依据： 1、产品本身标签上标有接线图 2、产品说明书 3、网上查询技术咨询 调试说明：根据接口型式与自动控制接口，依赖于自动化调试人员。 注意产品的成套性（例如插头、联轴器

33、等）,增量型编码器的订货选择,绝对值型编码器的订货选择,变频器基础知识,变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）,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换装置，英文简称VVVF ( Variable Voltage Variable Frequency） 变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直流,直流,交流,整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波 逆变器：将直流电转换成交流

34、电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦,交流调速的控制核心是： 只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果 V/F控制简单实用，性能一般，使用最为广泛 只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定，保证最大转矩恒定。 例: 对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F 恒定，则 40HZ时电机的供电电压:380（40/50)304V 低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高,矢量控制性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解

35、耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用,理论基础,电压随频率调节的规律,当转差率s变化不大时，电动机的转速n基本与电源频率f1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，,频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：,1、恒转矩变频率调速（50HZ以下）,此条件下频率和电压同时变化，电机的主磁通和过载能力不变,对恒转矩负载,2、恒功率变频率调速（50HZ以上）,此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁

36、通发生变化。也称弱磁调速。,对恒功率负载,得,频率调速时电动机的机械特性,变频器的使用还具有很多保护功能： 5分钟内可重复的过载，持续时间60秒，150的完成额定输出电流； 1分钟内持续3秒200过载； 过压、欠压保护； 变频器过温保护； 使用PTC通过数字输入实现电机过热保护； 接地故障保护； 短路保护； 闭锁电动机保护； 电动机失速防护等。,工频电源,外部延长 电缆,特点： 运行命令由键盘上的RUN和STOP决定 运行方向一般由变频器内部参数决定 运行给定由键盘修改特定功能码完成 方便快捷 适用场合 在设备调试时广泛使用 应用在简单且实时性不强的单机场合,工频电源,特点： 运行命令由外部启

37、停按钮决定，通过变 频器外部端子FWD/REV决定运行方向 运行给定一般由外部模拟端子决定： PLC 模拟输出 电位器 常与外部逻辑电路或PLC共同控制变频器 适用场合 应用在实时性较强独立系统 使用范围最广,启动,停止,开关量端子 模拟量端子,工频电源,启动,停止,工频电源,速度给定,使用场合： 各类小型生产线或系统 特点： 实时性好 调试维护方便 线路复杂，抗干扰 能力差,开关量端子 模拟量端子,开关量端子 模拟量端子,工频电源,启动,停止,工频电源,速度给定,使用场合： 各类中大型生产线或系统 特点： 所有控制均通过通讯电缆 线路相对简单，自动化 水平高，信息交换量大 实时性好，抗扰能力

38、强 为防止网络故障，特设独立急停功能 投入大，调试维护困难,通讯接口,通讯接口,单根电缆,人机界面,通讯接口,考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。 要准确选型，必须要把握以下几个原则： 充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要 求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可 了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型 了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。 确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该 电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器 以下情况要考虑容量放大一

39、档： 1、长期高温大负荷 2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场 3、目标负载波动大 4、现场电网长期偏低而负载接近额定 5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）,充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。 对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则： 以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器 民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上 电网品质恶劣或容量偏小的场合 如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机 以下情况要选用交流输出电抗器 变频器到电机线路超过100米（一般原则） 以下情况一般要选用制动单元和制动电阻 提升负载 频繁快速加减速 大惯量（自由停

40、车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）,软启动器的知识 软起动器的主工作电路见图1，它主要由串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管调压调速电路组成，由起动器中的单片机控制改变晶闸管的导通角，可通过调节晶闸管的导通角改变加到定子绕组的三相电压。起动时，晶闸管的导通角从0开始上升，逐渐增大，电机的端电压也从零开始上升，直至达到满足起动转矩要求，保证起动成功。运用不同的设定法，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可以实现不同的功能。,智能化软起动器是集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置，具有传统起动方式所不具备的特点。在不需要调速的前提下，使用软启

41、动器具有很多优点。,软起动器与变频器的区别 软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。因此在不需要调速的地方，使用软启动器进行启动和停止，比变频器具有更大的性价比。 软起动与传统减压起动方式的不同之处 笼型电机传统的减压起动方式有Y-q 起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。软起动与传统减压起动方式的不同之处是： （1

42、）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。 （2）恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。 （3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。,PLC相关知识 可编程序控制器广泛地应用于工业控制。它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性和实时处理能力强的优点。可编程序控制器是把计算机技术与继电器控制技术有机结合起来，为工业自动化提供的几乎完美的现代化自动控制装置。 电气控制装置的输入信号有按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器、过流过压继电

43、器；电气控制装置的输出信号有接触器、继电器、电磁阀。这些信号只有闭合与断开两种工作状态。这类物理量被称为开关量或数字信号。 另一类设备，其输入信号是压力传感器、温度传感器、湿度传感器等信号，输出信号是伺服电机、电动阀、距离、速度等控制信号。这类物理量是一种连续变化量，叫做模拟量或模拟信号。 以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或电子元件来实现，由连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，这种控制叫做继电器控制电路。 继电器控制电路的电气装置体积大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差。控制功能略加变动，就需重新组合、改变接线。,可编程序控制器产生 1968年

44、，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需要，提出一种设想：把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置。这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编程。使不熟悉计算机的人也能方便地使用，并提出十项招标指标。 美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP14，并在汽车自动装配线上试用获得成功。该设备用计算机作为核心设备。其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的，这就是人们常说的存储程序控制。由于当时主要用于顺序控制，

45、只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。,可编程序控制器发展 同计算机的发展类似，目前可编程序控制器正朝着两个方向发展。 一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。 如OMRON公司的CQM1、 SIEMENS公司的S7-200一类可编程序控制器。 这种可编程序控制器 可以广泛地取代继电器 控制系统，用于单机控 制和规模比较小的自动 化生产线控制。,二是朝着大型、高速、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。 这类可编程序控制器一般为多处理器系统，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。系统不仅具有逻辑运算、计时、计

46、数等功能，还具备数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等功能，还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。 通过网络可以与上 位机通讯，配备数据 采集系统、数据分析 系统、彩色图像系 统的操纵台，可以 实现自动化工厂的 全面要求。,PLC的特点 可编程序控制所以被广泛使用，是由它的突出的特点和优越的性能分不开的。归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点： 可靠性高 例如三菱和可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。 环境适应性强 在环境温度-2065、相对湿度为3585情况下可正常工作。 灵活通用 使用方便、维护简单 整个连接过程仅需要一把螺丝刀

47、即可完成。,2. 可编程序控制器的分类 可编程序控制器是由现代化大生产的需要而产生的，可编程序控制器的分类也必然要符合现代化生产的需求。一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。其一是从可编程序控制器的控规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控制器的结构特点去分类。 (1) 按控制规模分类 可编程序控制器可以分为大型机、中型机和小型机。 小型机 : 小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型 系统的控制。 日本OMRON公司 CQM1 处理速度 0.510ms/ 1k字 存贮器 3.27.2k 数字量192点，模拟量44路 德国SIEMENS

48、 S7-200 处理速度 0.81.2ms 存贮器 2k 数字量248点，模拟量35路, 中型机: 中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。 日本OMRON公司 C200HG 处理速度 0.15 0.6 ms/ 1k字 存贮器 15.231.2k 数字量1184点 德国SIEMENS S7-300 处理速度 0.81.2ms 存贮器 2k 数字量1024点，模拟量128路 网络 PROFIBUS 工业以太网 MPI, 大型机 大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂

49、的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。 日本富士公司 F200 处理速度 2.5ms / 1k字 存贮器32k I/O点3200 日本OMRON CV2000 处理速度 0.125ms / 1k字 存贮器62k I/O点2048 德国SIEMENS S7-400 处理速度 0.3ms / 1k字 存贮器512k I/O点12672 德国AEG A500处理速度 1.3ms / 1k字 存贮器62k 64k I/O点5088,例：SIEMENS S7系列PLC分类 小型机 : 中型机: 大型机,执行OB1中的程序 (循环执行) 事件 (日期时间中

50、断、硬件中断等) 调用其他 OB，FB，FC,循环监视时间的开始,启动块 (OB 100) 上电后执行一次,从模块读信号状态，并保存到过程映象区 (PII),把过程映象输出表(PIQ) 写到输出模块,工作过程,PLC应用中需要注意的问题工作环境和抗干扰 工作环境 温度PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55，要安装电风扇强迫通风。 湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%(无凝露)。 震动 应使PLC远离强烈的震动

51、源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。 空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。 电源PLC供电电源为50Hz、220(110%)V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流

52、滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。,传感器的相关知识 传感器是与人的感觉器官相对应的元件。 国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是: “能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成”。 敏感元件, 是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分; 转换元件, 是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。 ,下图为传感器组成方块图， 此图也说明了传感器的 基本组成和工作原理。,传感器的分类 (1) 根据传感器感知外界信息所依据的基本效应, 可以将传感器分成三大类: 基

53、于物理效应如光、 电、 声、 磁、 热等效应进行工作的物理传感器; 基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器; 基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。 (2)按工作原理分类, 可分为应变式、 电容式、 电感式、 电磁式、 压电式、 热电式等传感器。 (3)根据传感器使用的敏感材料分类, 可分为半导体传感器、 光纤传感器、 陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、 复合材料传感器等等。 (4)按照被测量分类, 可分为力学量传感器、热量传感器、 磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、 液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。,接近式传感器原理 电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路组成