【正文】 實現變頻和工頻之間的相互轉換。實驗臺用到的主要電氣元件及設備包括：三相鼠籠異步電動機、渦流測功機、變頻器、自耦調壓器、開關、接觸器、熱繼電器、熔斷器、交流電壓表、交流電流表、功率表、滑線變阻器。設計框圖如圖1—3所示。圖1—3 設計框圖異步電動機的轉速n=（60f1/p）(1－s),當其轉差率s變化不大時，電動機轉速n基本上與電源頻率f1成正比。因此，連續(xù)的改變供電電源頻率，就可以平滑的調節(jié)異步電動機的運行速度。具體表現在實驗臺上就是，通過調節(jié)變頻器的運行頻率實現對異步電動機的無級調速。當電動機不需要變頻運行可以通過轉換按鈕使電動機在工頻下運行。由于所選變頻器自身的特點以及容量有限在變頻運行只能拖動一臺電動機運行，所以采用了兩個按鈕分別對兩臺電動機進行控制。系統框圖如圖1—4所示。圖1－4系統框圖第2章 三相式鼠籠電機的變頻調速原理 三相異步電動機的工作原理和運行狀態(tài)異步電動機是電力拖動系統中應用最廣泛的一種電機。許多金屬切削機床、船艦、鼓風機、水泵、冶煉設備、卷揚機和農用機械，都采用異步電動機來拖動。人們日常生活中的電扇、洗衣機等家用電器和醫(yī)療器械中也大量采用單相異步電動機。異步電動機的定子鐵心上安放三相對稱繞組，轉子分為籠型轉子和繞線轉子兩種，籠型轉子外圓的槽內嵌放導體，導體兩端用銅環(huán)短路，形成閉合回路。當三相定子繞組接于三相對稱電源，流過三相對稱電流時，三相合成磁動勢在氣隙中產生旋轉磁場，如只考慮其基波，則此磁動勢在氣隙中以同步轉速n1旋轉。同步轉速n1與電源頻率f1及電機極對數p有如下關系， （2—1）設定子旋轉磁場沿順時針方向旋轉并切割轉子導體，根據電磁感應定律，轉子導體中將有感應電動勢產生， 感應電動勢的方向按右手定則確定。N極下轉子導體電動勢由圖面向外指，S極下的轉子導體電動勢指向圖面。在感應電動勢作用下，閉合的轉子繞組中便有電流流過。如不考慮導體中的電流與電動勢的相位差，則電動勢的瞬時方向就是電流的瞬時方向。根據電磁力定律，轉子電流與氣隙合成磁場作用產生電磁力，轉子導體的受力方向用左手定則確定，所有轉子導體受到的電磁力形成電磁轉矩使轉子按旋轉磁場的方向旋轉。電動機對軸上的機械負載作功，將電能轉換成機械能。異步電動機不可能依靠自身的電磁轉矩達到旋轉磁場的同步轉速，因為如果兩者相等，轉子導體與旋轉磁場之間便沒有相對運動，轉子導體中便沒有感應電動勢和感應電流，電動機便沒有電磁轉矩。由于轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速必須有差異才能產生電磁轉矩，所以稱其為異步電動機。又由于轉子導體中的電動勢和電流是由電磁感應產生的，所以異步電動機又稱為感應電動機。定子旋轉磁場的同步轉速n1與轉子的轉速n之差，稱為轉差Δn=n1n。轉差與同步轉速之比稱為轉差率s，即 （2—2）正常運行的電動機，其s很小，一般s=~轉差率是表征異步電動機運行性能的一個重要參數，根據轉差率的大小和符號，便可以判斷異步電動機運行在電動狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)還是電磁制動狀態(tài)。(1)電動運行狀態(tài)如果轉子順著旋轉磁場的方向旋轉，且0nn1，也就是說0s1，電機處于電動狀態(tài)。如圖21(b),假設旋轉磁場以n1逆時針方向旋轉，相當于轉子導體沿著順時針方向切割磁力線，N極下的轉子導體中感應電動勢的方向，由右手定則知指向圖畫，轉子電力有功分量i2a和e2同相，i2a與旋轉磁場作用產生電磁力并形成電磁轉矩，由左手定則知電磁轉矩為逆時針方向，帶動轉子順旋轉磁場方向旋轉，克服軸上負載的阻轉矩作功，輸出機械功率，因而是電動運行狀態(tài)。(2)發(fā)電運行狀態(tài)如果用原動機拖動轉子順旋轉磁場的方向旋轉，使轉子的轉速n高于旋轉磁場的轉速n1，即nn1,s0,異步電機便運行于發(fā)電狀態(tài),如圖21(c)所示。轉子導體切割磁力線的方向與電動狀態(tài)相反，轉子電動勢和電流都改變了方向，所以電磁轉矩也變?yōu)轫槙r針方向，與原動機拖動轉子的方向相反，對原動機起制動作用，電機從原動機吸收機械功率，送出電功率，因而是發(fā)電狀態(tài)。 (a) (b) (c) 圖21 異步電動機的三種運行狀態(tài) (a)電磁制動狀態(tài) (b)電動狀態(tài) (c)發(fā)電狀態(tài)(3)電磁制動狀態(tài)假設在某種外因（這外因可能是電的，也可能是機械的）作用下，使轉子反著旋轉磁場方向旋轉，即n0,s1時，電機就運行于電磁制動狀態(tài)，如圖21(a)所示。由于這時轉子導體切割旋轉磁場的方向與電動運行狀態(tài)時相同，所以轉子感應電動勢、電流有功分量及電磁轉矩的方向都與電動運行狀態(tài)相同。這時的電磁轉矩方向與旋轉磁場的轉向相同，與轉子轉向相反，因此起制動作用。異步電動機的轉速表達式為 （2—3）由以上表達式可以看出，決定轉速n大小的參數有電機極對數p、電源頻率f1和轉差率s。所以，三相異步電動機的調速方法有：變極調速、變頻調速和改變轉差率調速三種。改變異步電動機的極對數，從而改變異步電動機的同步轉速,就可以達到調速的目的。改變定子的極對數，通常用改變定子繞組的接法來實現。這個方法只適用于鼠籠式異步電動機，因它的轉子極對數隨定子而定。由交流繞組的理論可知，分布繞組可以根據基波磁動勢幅值相等的原理等效為集中繞組。因此按照單相集中繞組就可說明改變電動機磁極對數的問題。電流反向法變極的基本原理是通過改變定子每相繞組中一半線匝的電流分布，來改變電樞磁場的分布，從而改變電機的磁極數。如果改變異步電動機電源的頻率f1,從而改變異步電動機的同步轉速n1，異步電動機轉子轉速n=(1s)n1就隨之得到調節(jié),這種調速方法稱為變頻調速。變頻調速的主要問題是要有符合調速性能要求的變頻電源。(1) 變頻電源早先用變頻機組作為變頻電源，是由異步電動機拖動直流發(fā)電機，作為直流電動機的電源，再由直流電動機拖動交流發(fā)電機，通過調節(jié)直流電動機的轉速，調節(jié)交流發(fā)電機所發(fā)交流電的頻率，顯然機組龐大，價格昂貴，噪聲大，維護麻煩。隨著現代電力電子技術的發(fā)展，尤其是電力電子器件技術的成熟，研制生產了多種電子變頻調速裝置主要有“交—交”變頻器和“交—直—交”變頻器，能把電網供給的恒頻恒壓的交流電變換為頻率和電壓可調的交流電，供給三相異步電動機。從整體結構上看，電力電子變壓變頻器可分為交直交和交交兩大類。1) 交直交變壓變頻器交直交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變頻器變換成可控頻率和電壓的交流，如圖2—2所示。由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式變壓變頻器。圖2—2交直交變壓變頻器框圖圖 2—3 PWM變壓變頻器示意圖具體的整流和逆變電路種類很多，當前應用最廣泛的是由二極管組成不控整流器和由功率開關器件（P—MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器，如圖2—3所示。2) 交—交變壓變頻交—交變壓變頻器只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。有時為了突出其變頻功能也稱作周波變換器。這類交—交變頻器的缺點是輸入功率因數較低、諧波電流含量大、頻譜復雜，因此須配置濾波和無功補償設備。其最高輸出頻率不超過電網頻率的，一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量低轉速的調速系統，供電給低速電動機直接傳動時，可以省去龐大的齒輪減速箱。近年來，又出現了一種采用全控型開關器件的矩陣式交—交變壓變頻器，類似于PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波很小，輸入功率因數可調，輸出頻率不受限制，能量可雙向流動，以獲得四象限運行。但當輸出電壓必須接近正弦波時，現在已有電壓比更高的研究成果。目前這類變壓變頻器在國內外都已有研制產品出現。(2)恒磁變頻器調速恒磁變頻器調速分析如忽略定子阻抗降壓，異步電動機定子繞組的感應電動勢近似等于定子外加電壓，即U≈E1==c1f1φm （2—4）C1=式中C1—常數。因此，若U1不變，則φm隨f1而變。一般設計電機時，為充分利用鐵心材料，都把磁通量數值選為接近磁路飽和值。如頻率從額定值（50Hz）往下調，磁通量增加使磁路飽和，勵磁電流明顯增加，則使電動機帶負載的能力降低，功率因數變壞，鐵耗增加，電機過熱。反之，如果頻率從額定值往上調，磁通量減少，導致電動機允許輸出轉矩下降，使電機使用率降低，在一定負載下還有過電流的危險。因此，在改變頻率時 ，如電壓不變，則對電機的運行是不利的。通常要求磁通φm在保持恒定的情況下進行調速。為此，在調速過程中，在電壓不超過額定值的情況下，調壓調頻應同時進行，并保持兩種比值不變，稱為恒壓頻比調速控制。即常數。詳細分析可知，由額定頻率往下調時，是能使頻率和電壓按比例配合調節(jié)的；但從額定頻率往上調時，必須保持電壓不變，此時,f1越高， φm越弱，這相當于直流電動機的弱磁調速。異步電動機在額定頻率以上調速的，普遍采用這種弱磁調速方法。(3)改變轉差率調速轉子電路串電阻調速，改變定子電壓調速和串級調速等都屬于改變轉差率調速，其實質就是改變電動機的機械特性調速。這些調速方法的共同特點是在調速過程中都產生大量的轉差功率。前兩種調速方法都把轉差功率（sPm）消耗在轉子電路里，使電動機的效率降低；而串級調速則能將轉差功率大部分反饋給電網，提高經濟性能。 第3章 4KW異步電動機的變頻調速系統的設計電氣控制線路圖有兩種表示方法，一種是電氣原理圖，一種是電氣安裝接線圖。電氣原理圖是根據電路工作原理，用規(guī)定的圖形符號和文字符號繪制出來的表示各個電器連接關系的線路圖。為了簡單清楚地表明電路功能，將原理圖采用電器元件的形式繪制。 電氣原理圖根據通過電流的大小可分為主電路和控制電路。主電路即電氣一次回路，它用來描述包括電動機、發(fā)電機等設備在內的主系統構成及其電氣主接線的原理。其特點是相連的電器元件通過的電流較大?？刂齐娐芳措姎舛位芈?，包括聯鎖電路、保護電路、信號電路等，它用來描述主系統各元器件的邏輯控制關系。主要由電器開關、熔斷器、接觸器、繼電器、主令電器等構成。其特點是相連的電器元件通過的電流較小。電氣安裝接線圖是電氣原理圖的具體實現形式，它是用規(guī)定的圖形符號按電器元件的實際位置和實際接線來繪制的，用于指導電氣設備和電器元件的安裝、配線或檢修電氣故障等。實際工作中，電器安裝接線圖常與電氣原理圖結合起來使用。總之，電氣安裝接線圖應畫的明確、清楚和容易檢查接線有無錯誤。另外，在實際工作中，往往還要畫出電器元件布置圖，以利于電器元件之間的接線安排和電器元件的維修與更換。根據控制要求，在三相交流電源和電動機定子之間加裝一臺變頻器，調節(jié)變頻器的輸出，使電動機定子電壓的頻率能連續(xù)改變，實現電動機的無級調速。本系統采用普通的繼電接觸控制，因此采用一般設計方法進行設計。(1)接觸器的選用。本系統共采用四個交流接觸器。用兩個接觸器KMKM2分別對變頻調節(jié)、工頻運行進行控制。接觸器KMKM4分別對2電動機的起動進行控制。只有當接觸器KM1（或接觸器KM2）的線圈通電后，接觸器KM3的主觸點才能閉合，使得1電動機可以起動。同理，當接觸器KM4的主觸點閉合時2電動機可以起動。(2)自耦調壓器的選用。由于在工頻額定電壓直接起動電動機時，起動電流高達額定電流的47倍（約3256A），會對并在同一電源母線上的其他用電設備有影響。為了防止兩臺電動機在工頻起動時的電流過大，供電線路電壓降大，致使電動機所接母線的電壓降低，影響其他用電設備的正常運行。在主電路中的工頻起動部分接入自耦調壓器，利用自耦調壓器來調節(jié)加在電動機定子繞組上的端電壓，限制起動電流。自耦降壓起動的優(yōu)點是不受電動機繞組連接方式的影響，且可按允許的起動電流和負載所需的轉矩來選擇合適的自耦變壓器的抽頭，比較靈活。缺點是電動機的轉矩與電壓的平方成正比，降壓起動時雖然起動電流減小，起動轉矩也大大減小，帶負載能力下降，很難帶額定負載起動。所以降壓起動時，為了順利起動并盡量縮短起動時間，電動機一般空載或輕載起動。(3)熔斷器和熱繼電器的選用。主電路中采用一組熔斷器，電動機過負載運行或線路發(fā)生短路時，通過熔斷器的電流升高到一定程度，熔斷器自身熔斷起到保護電氣設備的作用。熱繼電器是利用電流的熱效應而工作的電器。它主要用于電動機的過載保護、斷相及電流不平衡運行的保護。主電路如圖31所示。圖31 主電路圖本系統控制電路主要包括自鎖、互鎖、聯鎖等基本控制環(huán)節(jié)。如圖33所示為電動機變頻和工頻控制線路。(1) 電氣聯鎖控制功能。由于主電路采用了四個接觸器，其中通過接觸器KM1來接通變頻器，接觸器KM2接通工頻電源（經調壓器），接觸器KM3和KM4在變頻器或調壓器接通的情況下來起動電動機。控制電路的工作原理為：需要電動機變頻起動時，先按下變頻起動按鈕SB1，接觸器KM1線圈帶電，KM1常開主觸點閉合，同時其常開輔助觸點閉合實現自鎖，變頻器輸入端R、S、T帶電；再按下按鈕SB3，接觸器KM3線圈帶電，其常開主觸點閉合，同時其常開輔助觸點閉合實現自鎖,此時1電動機可以進行變頻起動。同理，按下按鈕SB4，2電動機也可以變頻起動。(2) 電氣互鎖控制功能。利用兩個接觸器的輔助常閉觸點互相控制的方式，稱為電氣互鎖。根據控制要求，接觸器KM1與KM2互鎖；接觸器KM3與KM4互鎖。1)接觸器KMKM2在任何情況下都不能同時通電，否則會造成電路短路，為此在工頻和變頻切換控制部分采取了互鎖電路。互鎖的具體方式是在變頻和工頻起動控制線路中，將接觸器KM2的常閉觸點串入了接觸器KM1的線圈電路中，將接觸器KM1的常閉觸點串入了接觸器KM2的線圈電路中，這樣任何一個接觸器通電后，其自身常閉觸點斷開。因此，在接觸器KM1帶電的情況下，即使按下按鈕SB2接觸器KM1和