S120单传训 第1章 电气传动系统的组成.docx

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S120单传训第1章电气传动系统的组成

第1章电气传动系统的组成

一、电动机的基本知识

1.1异步交流电动机是怎样转起来的?

异步交流电动机分定子和转子两个部分；定子的铁心里放置的是三相绕组，把三相交流电通到三相绕组，就产生旋转磁场；转子绕组因切割旋转磁场的磁力线而产生感应电动势和电流,转子电流又和旋转磁场相互作用而产生电磁力和电磁转矩,使转子旋转。

1.2异步交流电机的铭牌参数

1

电机型号

YTSP112M-4

YTSP:

电机型号；112M：

机座号；4：

4极电机

2

电机额定功率

4kW

3

电机额定电压

380V

4

电机额定电流

9A

5

电机额定频率

50Hz

6

电机接线方法

Y形

7

定额

S1

电机工作制：

S1连续工作制

8

电机额定转矩电机额定转速

25.4N.m

1437r/min

9

恒转矩范围

恒功率范围

3-50Hz

50-100Hz

电机的运行方式

10

绝缘等级

F

11

防护等级

IP44

12

电机重量

44kg

型号：

表示电动机的系列品种、性能、防护结构形式、转子类型等产品代号；

电机额定功率：

表示额定运行时电动机轴上输出的额定机械功率，单位KW或HP，1HP=0.736KW；

电机额定电压：

直接到定子绕组上的线电压（V），电机有Y形和△形两种接法，其接法应与电机铭牌规定的接法相符，以保证与额定电压相适应；　　

电机额定电流：

电动机在额定电压和额定频率下，并输出额定功率时定子绕组的三相线电流；　　

电机额定频率：

指电动机所接交流电源的频率，我国规定为50HZ±1　　电机额定转速：

电动机在额定电压、额定频率、额定负载下，电动机每分钟的转速（r/min）；　

电机额定转矩：

在额定电压下、额定负载下，电动机转轴上产生的电磁转矩T（N.m）。

工作定额：

指电动机运行的持续时间；　　

绝缘等级：

电动机绝缘材料的等级，决定电机的允许温升。

表3：

电动机常用绝缘材料的等级

级别

极限工作温度

级别

极限工作温度

级别

极限工作温度

级别

极限工作温度

E

120℃

B

130℃

F

155℃

H

180℃

额定负载（额定状态）：

可以这样理解，就是电机输出轴所连接的机械负载和电机标牌标定的输出功率相同（负载功率=电机额定功率），这样的负载，称为额定负载。

或也可以这样理解：

给电机加上额定电压，能够使电机的电流为额定电流的负载就是额定负载。

1.3电机学里面的几个重要公式：

定子旋转磁场的转速，常称为同步转速；转子转速与同步转速之差成为转差（转子转速始终低于同步转速）；转差与同步转速之比，称为转差率。

电机转速：

n=

（其中n是转速r/min；

=50Hz；s是转差率,p是极对数。

）

电磁转矩:

T=

（T是电磁转矩；P是电机功率；n是电机转速）

电机功率:

P=1.732*U*I*COS

表1：

不同磁极对数电动机的转速、转差与转差率

极对数

极数

同步转速

电机转速

转差

转差率

p

2p

n0

△n

s

备注（kW）

1

2

3000

2900

100

0.033

5.5～7.5

2930

70

0.023

11～18.5

2970

30

0.01

45～160

2

4

1500

1460

40

0.027

11～15

1470

30

0.02

18.5～30

1480

20

0.013

37～315

3

6

1000

960

40

0.04

3～5.5

970

30

0.03

7.5～30

980

20

0.02

37～250

4

8

750

720

30

0.04

4～7.5

730

20

0.027

11～30

740

10

0.013

37～200

电动机的容量（额定功率）中，包含着转速的因素。

所以

容量相同的电动机，其额定转矩因磁极对数的不同而各异。

表2：

不同磁极对数的75kW电动机的额定转矩

磁极对数

磁极数

同步转速（r/min）

额定转速（r/min）

额定转矩（N.m）

1

2

3000

2970

241

2

4

1500

1480

484

3

6

1000

980

731

4

8

750

740

968

1.4齿轮箱的作用（为什么不能随便甩掉齿轮箱）

假设电动机数据:

7.5kW,1440r/min,15.4A；实测电流12.3A。

实际负荷率：

=0.8

电机额定转矩为T=

=

=50（N.m）

齿轮箱的传动比λ=5，故负载转速为nL=

=

=288（r/min）；

根据能量守恒原理，

=

，则负载轴上得到的转矩为

TL0=TM

=TMλ=50*5=250（N.m）

负载的实际转矩为TL=0.8*250=200（N.m）

从上面可以看出:

齿轮减速箱在降低输出轴转速的同时，把输出轴上的转矩放大了。

能否拖动负载的关键，要看电磁转矩的大小。

电磁转矩〉负载转矩：

负载加速运行；

电磁转矩=负载转矩：

负载恒速运行；

电磁转矩<负载转矩:

负载减速运行。

1.5异步电机的机械特性：

在电力拖动里，描绘电动机带负载能力的是机械特性曲线。

所谓带得动，就是说电动机产生的电磁转矩能够克服负载阻转矩以一定的转速稳定运行。

三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速的关系。

所以机械特性的函数关系是n=（T），横坐标是转矩，纵坐标是转速。

机械特性有硬和软之分，负载转矩增大后，转速下降较少者，称为硬机械特性；转速下降较多者，称为软机械特性。

1.6什么是恒转矩调速方式和恒功率调速方式？

电机恒功率和恒转矩都是用在电机调速中的性能指标。

恒转矩调速是指电机高速、低速时输出转矩一样大，即高速时输出功率大，低速时输出功率小。

恒功率调速是指电机低速时输出转矩大，高速时输出转矩小，即输出功率是一定的。

我们再来看，3-50Hz是恒转矩调速，50-100Hz是恒功率调速，

那么60Hz运行时，此频率下的输出转矩要比50Hz小。

1.7电动机的各种运转状态以及什么是四象线运行？

A电动运转状态：

电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同，机械特性落在第一和第三象限；电动状态时，电动机从电网吸收电能，转换成机械能带动负载。

B制动运转状态：

若电磁转矩与转速的方向相反，电动机处于制动状态，工作在第二和第四象限；而在制动运行中，根据转速和转矩的不同情况，又可分为回馈制动、反接制动和能耗制动等。

1.8电动机的冷却方式

常见的电机冷却方式有：

自然冷却，强迫风冷，风风冷，风水冷，水冷，IC411,IC416,IC816等，其表征什么意思。

1.9电动机的工作制度

连续工作制S1；短时工作制S2；断续周期工作制S3；包括起动的断续周期工作制S4；包括电制动的断续周期工作制S5；连续周期工作制S6；包括电制动的连续周期工作制S7；包括变速负载的连续周期工作制S8；负载与转速非周期变化工作制S9。

异步交流电机的接线:

分三角形和星形接法。

1.10电动机烧毁的原因及对策

2电气传动系统中的负载特性

2.1什么是恒转矩负载？

举个例子来说，恒转矩负载的典型例子是带式输煤机。

当电动机拖动生产机械旋转时，生产机械总会产生阻碍旋转的阻转矩。

对带式输煤机来说，阻碍传输带运动的是传输带与滚轮之间的摩擦力，而作用半径就是滚轮的半径。

所以，传输带的阻转矩是TL=F*r

式中TL是负载转矩，F是传输带与滚轮的摩擦力，r是滚轮的半径。

机械特性是指转矩和转速之间的关系，从物理学得知，摩擦力F是和转速的快慢没有关系的，滚轮的半径r更是不变的常数。

所以负载的阻转矩是不随转速而改变的，故称为恒转矩机械特性，具有恒转矩机械特性的负载就称为恒转矩负载。

这里必须强调的是，所谓恒转矩，指的是负载转矩不随转速而改变，但不等于负载转矩的大小永远不变。

例如，如果传送带上的煤多一点，负载转矩当然会大一些，但那不是转速变化的结果。

恒转矩负载实施变频调速时应注意的问题:

最主要的是低频运行的问题。

2.2恒功率负载

2.3平方负载（风机,水泵类负载）

3变频器基本知识

3.1主回路

（1）整流部分：

三相整流桥，一上电，直流母线就有电压。

（2）直流环节：

滤波电容（电容成组），还有限流电阻与短路开关。

（3）逆变部分：

IGBT功率管，反并联续流二极管。

（4）制动单元和制动电阻以及回馈单元：

多用于制动，快速停车。

3.2控制回路

（1）电压电流检测回路；用于检测和比较计算。

（2）开关电源；提供电子板电源和驱动板电源以及控制电源。

开关电源的进线可以来自变频器的进线，也可以来自直流母线。

也就是电源板。

（3）驱动回路；驱动IGBT。

电源板和驱动板经常在一块板上，也称电源驱动板。

（4）过电流过电压保护回路；主要指IGBT的过流过压保护，还有过温保护。

（5）主控板；变频器的核心控制单元，也就是CPU所在的板子。

（6）在主控板上有如下端子和接口：

A开关量输入端子；一般用于启停命令，方向，多段速，故障复位，急停，变频器使能，外部故障，手自动等。

B开关量输出端子；一般用于变频器准备好、运行、故障、抱闸控制等。

C模拟量输入端子；一般用于速度给定，有时也用于转矩给定，或其它数据给定。

D模拟量输出端子；一般用于电机实际速度（频率）、电机实际电流等。

E操作面板；对S120来说，有两种操作面板BOP20和AOP30。

F通讯接口（RS232；profibus-DP接口；profinetRJ45口），一般用于调试变频器，或经常使用通讯控制变频器。

（7）可以插在主控板上的选件板（不是标配的，具体看说明书）

3.3其他部件

（1）散热器；由于整流管和IGBT都是功率管，将工作产生的热量散发出去。

（2）温度传感器；检测散热器的温度，确保模块工作在允许的温度下。

（3）风扇：

配合散热器，将变频器内部的热量带走。

3.4变频器的额定数据

变频器的型号：

6SL3210-1SE22-5UA0

变频器输入侧：

（1）额定输入电压：

给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样，在我们国家380AC50Hz。

（2）电压允许波动：

限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器。

当电压超过最高值时变频器并没有保护能力。

（3）频率波动范围：

50/60Hz±5％。

变频器输出侧：

（1）额定输出电压：

变频器的最大输出电压，由额定工作电压决定。

（2）额定电流：

变频器能够长期输出的最大电流。

（3）过载能力：

变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间。

（4）最大输出频率：

变频器能够输出的最大工作频率。

（5）频率精度：

输出频率的准确度（相对于设定频率）

（6）频率分辩率：

指给定运行频率的最小改变量

防护等级IP20（不防水）

3.5变频器外围设备

（1）变频器进线：

断路器、进线电抗器、进线滤波器、进线接触器，直流电抗器

（2）变频器出线：

输出电抗器、输出滤波器

3.6常用变频器的结构

两种：

（1）第一种：

整流单元和逆变单元合在一起，就是单传动变频器；

（2）第二种：

整流单元和逆变单元分开，就是多传动变频器。

3.7变频器的控制方式

（1）V/F控制方式（电压/频率控制方式），也称为恒磁通控制方式，但实际上并不能真正保持磁通不变。

（磁通发生变化会怎样？

）

什么是V/F控制方式？

V/f控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制，这样可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。

因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。

转矩补偿。

变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，一般强调“空载电流”的大小。

由于采用矢量化的V/F控制方式，故做电机参数静止自整定还是有必要的。

由于V/F控制方式下，低频时带载能力差，因此可以采用“转矩提升”功能，提高启动转矩。

（2）矢量控制方式

性能优良，可以与直流调速媲美。

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。

（小孙学变频，照片68-73页）

矢量控制方式：

分为矢量开环和矢量闭环。

不带编码器测速的控制方式称为矢量开环；带编码器测速的控制方式称为矢量闭环。

矢量控制还分为速度控制和转矩控制。

无反馈矢量控制在很低频率下运行时，有时不够稳定。

（比如高炉探尺采用交流变频器控制时，必须采用带编码器反馈的矢量闭环控制。

）

因为矢量控制需要根据电动机的参数进行等效变换，故使用前必须进行电动机参数的自动测量。

同时，凡无法准确测定电动机参数的场合，矢量控制均不适用。

（3）直接转矩控制方式

直接转矩控制实际上是利用电子技术的快速性对电动机进行时通时断的控制方式，它比矢量控制简捷而快速，故动态相应能力好。

（4）三种控制方式的优缺点比较。

3.8变频器的自动测量（也有叫自学习功能、自整定功能）

（1）铭牌数据。

就是电动机铭牌上标明的额定数据。

变频器需要的数据主要有：

额定容量、额定电压、额定电流、额定转速、额定效率等。

（2）等效电路数据。

主要有：

定子绕组的电阻和漏磁电抗，转子等效电路的电阻和漏磁电抗，以及空载电流等。

在电机学里，异步电动机只要做两个实验：

空载实验和堵转试验，就可以把所有数据都计算出来。

A空载试验（旋转测量）。

就是电动机加额定电压，让电动机空转，测量出空载电压U0和空载电流I0。

B堵转试验（也叫短路试验）（静止测量）。

把电动机的转子抱住，定子绕组上施加（15%~25%）UN的低电压。

测量短路电压Uk和短路电流Ik。

根据这几个数据，就可以把所有参数都计算出来。

优化的顺序如下（所有的变频器的都差不多）

A使电动机脱离负载；（如果脱不开，参考说明书）

B输入电动机的额定数据；

C选择“控制方式”（一般针对矢量控制）

D进行“静止自动测量”和“旋转自动测量”

注意：

不同的控制方式，优化的步骤也不一样，必须参考说明书。

3.9变频器的基本功能

简单来说，变频器就是用来启动电动机，改变电动机的速度和转矩，停止电动机。

（一）启动过程：

（1）讨论启动方式

从启动频率启动：

（注意：

启动频率不一定是0Hz,通常都是0Hz）

变频器输出由0直接变化为启动频率对应的交流电压，而后在此基础上按照加速曲线逐步提高输出频率和输出电压直到设定频率到达。

注：

启动频率不宜过大，否则会造成启动冲击或过流。

先制动后从启动频率再启动：

变频器先给电机通脉冲直流，使电机保持在停止状态，然后再按照从启动频率方式直接启动。

注：

一般应用在负载初始状态不确定的场合，比如有些风机风叶不稳定，在自然风下可能转动，此时可先直流制动再启动。

转速跟踪启动：

直接将正在自由旋转的电机或负载由当前速度驱动到预定速度

注：

非常适用于水泵的工频变频切换或重要设备的异常停机后的快速恢复。

总结：

按照加速曲线，直接从启动频率升到所需的频率；

先制动，再启动；按照加速曲线，升到所需频率；

采用转速跟踪启动，按照加速曲线，升到所需频率。

（通常，都是按照加速曲线，从0Hz升到所需的频率，即给定频率。

）

（2）加速曲线是啥样的？

加速曲线有三种：

第一，就是我们经常用到的“线性的加速曲线”

从0Hz升到最大频率的线性曲线。

（通常情况下，电机额定频率就是最大频率。

）

第二S曲线；

第三半S曲线；

（3）加速时间：

从0Hz升到最大频率所需要的时间，就是加速时间。

（二）调速过程：

　　　速度给定发生变化，或负载突然变化，都会影响转速变化，由于变频器内部是ＰＩ的调节，会重新达到一个平衡。

正常情况下，电机实际转速都会达到给定的转速或频率。

　　　在调速的过程中，为了保证负载的正常运行，都不能超过最大速度和最大的扭矩，因此在变频器中我们要设定“速度限幅”和“转矩限幅”，由于转速和转矩都有方向性。

因此通常正向最大速度为100%,反向最大速度为100%；正向最大转矩为100%,反向最大转矩为100%。

整个调速过程，按“V/F”控制方式或“矢量”控制方式进行。

（三）停车过程：

（1）讨论停车方式

减速停车：

变频器接到停止命令后按照减速时间对应曲线逐渐减小输出频率，到0后停机。

注：

这种方式最常用，当直流母线电压过高时会自动启动能耗制动，此时需配置制动单元，否则会报减速过电压。

自由停车：

变频器接到运行停止命令后，立刻中止输出，负载靠自然阻力停止。

注：

变频器故障时的停车方式就是自由停车。

减速＋直流制动停车：

变频器接到运行停止命令后，按照减速时间对应曲线逐渐减少输出频率，当到达某一预设频率，即开始直流制动（通脉冲直流）停车，防止电机爬行。

注：

对于大惯量负载或有定位要求的场合非常适用。

（2）减速曲线是啥样的？

减速曲线有三种：

第一，就是我们经常用到的“线性的减速曲线”

从最大频率降到0Hz的线性曲线。

（通常情况下，电机额定频率就是最大频率。

）

第二S曲线；

第三半S曲线；

（3）减速时间：

从最大频率降到0Hz所需要的时间，就是减速时间。

（4）我们更关心的是启动命令、停止命令、方向命令、速度给定是怎么来的？

那么启停命令怎么来呢？

电机可以正反向命令怎么来呢？

对于风机，水泵类负载，只能朝1个方向运转，因此启动命令就带有方向，若启动之后，方向不对，那就把电机两相线调换下即可。

对于风机水泵类负载，启停命令有两种接法：

两线制接法（实际上就是启动和停止命令是一根信号线，１为启动，0为停止，那么当设备运行时，要求启动命令一直有）；三线制接法（实际上就是启动和停止命令是两根信号线，１为启动，１为停止，都是脉冲信号）。

建议：

水泵一般都要接成三线制，主要是实际生产中，一旦水泵突然停止运行，会造成大的事故。

对于可以正反方向运行的负载，一般有正转命令，反转命令，速度给定的方向由正反转决定。

序号

命令来源

1

启动/停止

操作面板

端子

Profibus通讯

2

运转方向

操作面板

端子

Profibus通讯

3

速度给定

操作面板

端子

Profibus通讯

从实际应用看，启停命令和速度给定是上面的组合。

（5）调速功能

按照V/F或矢量（带编码器或不带编码器）的电机模型进行调速。

矢量控制根据不同的负载还可以按速度控制或转矩控制。

（6）变频器的其他功能：

（1）自动再启动（或捕捉再启动）

（2）进线接触器控制；

（3）变频器抱闸控制；

（4）变频器的自动测量；

（5）变频器的直流制动或外部直流制动；

（6）变频器的仿真运行

3.10变频器的保护功能

还有接地、堵转等保护。

3.11变频器的参数设置

一般来说，需要设置哪些参数呢？

（1）电机的控制方式（是V/F，还是矢量，若是矢量，是采用开环，还是闭环，若是闭环，编码器的型号和分辨率是否满足要求，编码器安装时的同心度是否好。

）

（2）电机铭牌参数；

（3）电机的静态辨识和动态优化；

（4）电机的启动停止转向功能参数；（启动停止转向端子）

（5）电机的速度给定参数（速度给定是怎么来的）

（6）加速时间和加速曲线；

（7）减速时间和减速曲线；

（8）速度限幅和转矩限幅是否默认，还是需要更改；

（9）停车方式是采用减速停车，还是自由停车；

（10）若通过变频器控制抱闸，还需设置和抱闸有关的参数，抱闸的打开和关闭；

（10）电机和变频器的保护参数

（11）变频器的输出参数（主要指变频器的开关量输出和模拟量输出；开关量输出主要用于变频器准备好、运行、故障，也可以根据实际要求自定义）。

（12）