交流电动机的应用范文

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1 前言

目前我厂各类在役电动机中交流电动机占99%以上，而交流电动机面临的最大问题是起动问题。它包括起动时电流及起动转矩冲击，以及很多大功率电动机因为起动困难，对电网的冲击也很大，因此只能尽量减少停机次数，从而造成能源的浪费。

2 电动机起动问题

三相交流电动机起动分为直接起动和降压起动。交流电动机直接起动又称全压起动，它是一种最简单的起动方法。起动时将全部电压直接加在电动机定子绕组上，起动电流将达到4～7倍的额定电流和过高的起动转矩，直接影响该电网上的其他电气设备运行。当全压起动的电动机容量愈大，供电变压器的容量越小，这种影响越显著。当电动机容量大于电力变压器容量的30%时，在全压起动的瞬间大电流冲击下，将引起电网电压的降低，影响到该电网内其他电气设备的正常运转。电压降低可引起电机本身起动无法正常运行，严重时可烧毁电动机，同时全压起动产生过高起动冲击转矩，还将会使连接件损坏，电动机机座变形，齿轮或齿轮箱损坏，传送带撕裂等。解决此类问题，一般生产机械及电力拖动电动机尽可能采用软起动方法，即适当降低电动机端电压，减少电动机起动电流及过大启动冲击转矩等，以避免拖动系统不必要的损坏。

3 交流电动机软启动

随着工业生产及工业生产机械的不断发展，即对电动机拖动的起动性能提出了越来越高的要求。（1）电动机要有足够大的并能平稳提升的起动转矩和符合要求的机械特性曲线；（2）起动设备尽可能简单、经济、可靠、起动操作方便，直接起动是最简单起动方式，但还要克服其起动电流大及转矩冲击大，对电网及拖动设备造成的危害；（3）起动电流和起动功耗尽可能小。综上软起动对交流电动机拖动的控制及保护是达到节能、简化控制、优化资源的重要手段。

交流电动机软启动方式：一般采用（1）传动降压起动；（2）电子晶闸管降压起动：（3）变频软起动。

3.1 传统降压起动

3.1.1 自耦变压器降压起动

定子通过自耦变压器连接到三相电源上，降低电动机定子绕组电压，以减小起动电流。当电动机起动后，再将其切除，其优点根据不同负载要求，起动电压可选择，缺点是当电动机容量较大时，变压器体积增大，成本高。目前我公司已全部淘汰此种起动方式。

3.1.2 Y-转换起动

所谓Y-转换起动，起动时定子绕组为Y形连接，起动完成后，正常运行时为形连接。星形连接起动时起动电流和起动转矩为三角形连接的三分之一。同时由于从星形转换为三角形过程中会出现二次冲击电流以及冲击转矩等问题。适用于轻载或空载起动的场合，接线时还应该注意Y-连接时要保证其旋转方向的一致。优点是线路较简单，投资少，缺点是转矩特性差。

3.1.3 串电抗器或水电阻降压起动

即在定子回路绕组中串联电抗器或水电阻从而实现降压起动，减小起动电流，待起动完成后再将其切除。但由于电抗器成本高，水电阻损耗大，故一般在电动机空载或轻载运行时可利用串电抗器降压起动。由于维护复杂，空间、环境等因素，我们公司没有采用过此种降压起动方式。

3.2 晶闸管降压起动

晶闸管降压起动又称“软启动器”，它采用三对反并联的晶闸管，串接于三相电源与电动机定子回路上。利用晶闸管移相控制原理，通过微处理器的控制来改变晶闸管的开通程度，使电动机输入电压按预设的函数关系逐渐上升。

起动时，电动机端电压随晶闸管的导通角从零逐渐增大，直至达到满足起动转矩的要求而结束起动过程。当起动完成后，软启动器输出额定电压，旁路接触器接通，电动机进入稳态运行状态。

停机时，先切断旁路接触器，然后软启动器内的晶闸管导通角由大逐渐减小，使三相电压逐渐减小，电动机转速逐渐减小到零，完成停机过程。我公司现降压起动都采用此种方法，它是集电动机软启动、软停车和多种保护功能于一体的电动机控制装置。软启动器在晶闸管两侧装设的旁路接触器，保证了晶闸管仅在起动、停车时工作，避免长期运行使晶闸管发热，同时还可以避免在电动机运行时软启动器发生故障，可由旁路接触器作为应急备用。缺点：价格高，晶闸管还可以引起高次谐波。软起动器的广泛应用，标志着电动机控制技术由传统的电器控制时代进入了电子智能化控制时代。

3.3 变频软启动

即采用电压频率按比例平滑上升的VVVF控制的基本原则，在起动过程中不存在大的转差功率，有利于电动机平稳起动，从而实现降压起动，消除了起动冲击，避免起动功耗，且可控制起动速度，是一种真正的平滑起动方式。它可以在限流同时保持高的起动转矩，具有保护功能强大的特点。缺点：价格高，对电网来说它可是谐波污染源，但我们利用电抗器和有源滤波器抑制谐波。虽然他也是一种软起动装置，但更广泛应用在变频调速。我们公司现在将负荷变化较大的电动机都采用变频控制。不仅可以减少对电网冲击，还达到了节能的目的。

4 结语

综上所诉：传统的降压起动设备，其目的减少了起动电流和功耗，但同时降低电动机起动转矩，起动效果差，并且产生二次电流冲击、故障率高、使用受限等问题，但投资少，不会产生谐波；电子晶闸管降压软启动有较好的起动特性，起动参数可调，一定程度上可解决轻载起动设备起动冲击问题。不足之处不宜作随载降压节能设备用，且达不到电磁兼容的要求，另外存在价格高等问题；变频软起动其具有调速、节能、保护等优点，它以微电脑全数字节能化控制，对电动机提供全方位服务，不愧为电动机综合节能保护的优选产品。

参考文献：

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中图分类号：U264.91+3.4文献标识码：A

交流电动机调速方法近年来得到了广泛的应用，它的惯量小、结构设计简单、可在恶劣环境中使用，并且维护检修比较方便、容易实现高速化、高压化以及大容量化，还具有非常明显的成本优势。交流电动机调速技术因其具有优质、节电、降耗、增产的特点已经逐渐成为我国电气传动的中枢。

虽然交流电动机调速方法在现实使用中具有明显的优势，但是由于很多企业和部门对于交流电动机调速的方法缺乏明确的判断和认识，对于各种调速方案的使用条件和优缺点认识不够，在使用过程中出现了一系列的问题，不能使各种调速方案的作用得到最大化的发挥。为了避免这些问题的出现和蔓延，也为了进一步提高对于交流电动机调速方法及其控制方案的理解，本文从交流电动机调速的基本方法及其装置入手，对交流电动机的调速控制方法及其 特点进行了详细的分析，并研究了各类交流电动机的调速控制方案的适用场合和条件，为交流电动机调速方案作用的最大化发挥提供了参考和指导。

1 交流电动机调速方法阐述

根据交流电动机的基本转速公式(下式(1)、(2))可以发现只要改变转差率S、交流电机供电率F以及极对数P中的任意一个交流电机的转速就会发生改变，由此引出了三最基本的调节电机转速的方法，即常说的变频调速(改变频率f1)、变转差率调速（改变s）、变极调速（变极对数p）三种调速方式。

同步电动机转速公式：N0=60F/P(1)

异步电动机的转速公式：N=N0(1-S)=60F/P(1-S) (2)

式中： P为极对数；

F为频率；

S为转差率（0～3%或0～6%）。

由于电机供电率F的改变比转差率S和极对数P的改变要简单得多，所以变频调速在实际中比另外两种调速方式的应用要广泛的多，特别是近年来静态电力变频调速器的迅速兴起和发展促使了三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。总的来说，交流电动机的调速方法有不改变同步转速和改变同步转速两种方式。基于此，在生产实际中，不改变同步转速的调速方法有应用油膜离合器、液力偶合器、电磁转差离合器等调速以及绕线式电动机的串级调速、斩波调速以及转子串电阻调速。我们还应该注意到仅仅改变电动机的频率不一定能获得良好的变频特性，还需要对对电压做出调整，以便使磁通保持在一个恒定位置。

2各种调速方法及其装置的特征分析

（1）变频调速

变频调速是一种改变同步转速的调速方法，它的主要装置是能够改变电源频率的变频器。一般有两大类变频器：交流－交流变频器以及交流－直流－交流变频器，而我国使用的是后一种变频器。它的主要特点如下表1所示：

表1 变频调速的主要特点

（2）转子串电阻调速

转子串电阻调速的原理是转子串电阻加大了电动机的转差率，因而串入的电阻越大就会使转速越低，对设备的要求比较简单，但是在使用过程中会产生热量。它的主要特点如下表2所示：

表2 转子串电阻调速的主要特点

（3）定子调压调速

定子电压的改变会产生一系列机械特性各异的曲线，进而产生不同转速。但是电压的平方正比于电动机的转矩决定了该方法的调速范围不大。基于此，在实际应用中有人提出了转子电阻值大的笼型电动机或者在绕线式电动机上串联频敏电阻能够扩大其调速范围的观点，并得到了证实。调压调速的核心设备是一个能使电压发生改变的电源，主要有晶闸管调压、自耦变压器、串联饱和电抗器等几种，其中以第一种调压方式为最好。它的主要特点如下表3所示：

表3 定子调压调速的主要特点

（4）串级调速

串级调速是通过在绕线式电动机转子回路中联入可变附加电势来改变电动机转差的一种调速方法。在这个过程中可变附加电势对于转差功率的吸收能力决定了串级调速的程度，并且根据吸收方式的不同，串级调速又可分为晶闸管串级调速、机械串级调速以及电机串级调速三种形式，第一种为最常用的形式。它的主要特点如下表4所示：

表4 串级调速的主要特点

（5）变极调速

该种方法主要是针对笼型电动机而言的，它改变的是定子绕组的接线方式，因此设备要求比较简单。它的主要特点如下表5所示：

表5 变极调速的主要特点

参考文献

[1] 周志敏，周纪海，纪爱华.变频调速系统设计及维护[M].北京：中国电力出版社，2007：76.

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中图分类号：G642.0文献标识码：B文章编号：1672-1578（2013）11-0017-01

近年来，随着能源日益减少，新型节电设备的不断更新和科学技术的飞跃发展，合理化的设计和节电设备的日益广泛应用，给人们工作和生活带来了更多的方便。

1.交流电动机调速系统的发展过程

1.1交流电动机励磁调速。早期用原动机来驱动一台发电机，而通过控制发电机的励磁来调节发电机的输出电压，借此来调节被驱动电机的转速和电机有功功率输出，还可以关闭和起动电机。

1.2电流电动机可控整流调速。随着科学技术不断发展，发明了通过晶闸管的导通时间来控制电压（可控整流技术）。首先是调速系统响应速度得到了很大提高，并且很好地解决了低速情况下的电流断续问题。可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形，从而改变电动机端电压的有效值，达到调速的。

2.交流电动机的调速原理

转速公式：

式中各项因子如下：f：电源频率；p：电动机磁极对数；s：转差率。

通过式（1）可以看出，在理想状态下（即以不考虑各项因子之间的相互影响为前提条件），想要调节交流电动机的速度，可以由以下三种方式来实现：

1）变极调速方式，即通过改变电机定子绕组的极数来控制电动机速度。但此方式有一定的局限性，因为它无法实现平滑调速，故而在很多要求高控制精度的工业生产场合并不适用。

2）变转差率调速方式，采用此方式有一个前提条件，即电机中旋转磁场的同步转速恒定，此时通过调节转差率s也可实现对电动机的调速，此方式的缺点是能耗较大，且效率较低，是一种得不偿失的调速方式，因而较少使用。

3）变频调速，即本设计所采用的调速方式，此方式是通过调节供电电源频率来实现对电动机的调速，其效率和能耗明显优于上述两种调速方式。

3.系统硬件设计

该系统的硬件部分大体上可以分成以下几个模块所组成：主电路、系统保护电路、控制电路和扩展电路。下图给出了硬件设计的主体结构，可以看出，主电路由整流滤波电路和SPWM逆变电路两个部分组成。其工作原理是把输入的单相交流电压通过整流滤波电路变为平滑的直流电压，然后再通过逆变电路对该直流电压进行斩波，形成电压和频率均可调的三相交流电供电机使用。（如图1）

3.1SPWM逆变电路模块。逆变电路采用SPWM的优势在于可以降低输出电压的谐波，使其输出电流更加符合正弦波，其功率开关器件拟采用智能功率模块（IPM），此模块是以绝缘栅双极晶体管为核心的。SPWM逆变电路模块的工作原理是：通过通用定时器发生单元、比较单元以及输出逻辑来生成三相六路SPWM波，在通过六个复用的I/O引脚输出给逆变电路驱动交流电动机的运行。

3.2控制电路模块。控制电路模块包括的部件有：频率输入电路、DSP最小系统电路等。该设计采用TMS320LF2407A型号DSP。它的优点在于可以将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，这就大大简化了电路设计方案，以及提高了控制系统的运算速度，为整个系统的效率提升提供了有力的支撑。DSP最小系统是DSP硬件设计中的最为核心的一个环节，它的好坏直接决定了整个系统适用性的高低。它主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、接口JTAG电路、扩展SRAM等。

4.交流电动机调速系统方案论证

4.1单片机调速。随着全球范围的数字化控制系统的发展，人们对数字化信息的依赖程度也越来越高。实现调速系统全数字化控制不仅能使交流调速系统与信息系统紧密结合，而且可以提高交流调速系统自身的功能。由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡、滤波器、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。

4.2PWM调速。PWM控制是交流调速系统的控制核心，它可以完成任何控制算法的最终实现。

关于PWM控制方案已经在各领域有了多个版本的应用，尤其是微处理器技术应用在

PWM技术之后，总是不断有新的技术更新，从开始追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从最初效率最大化、转矩脉动少到后来的以消除噪音为主攻课题，这些都是PWM控制技术的不断升级和完善。目前，越来越多的新方案不断地被提出和应用，说明这项技术的应用空间十分广泛。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。

异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。

参考文献

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中图分类号：C29 文献标识码：A文章编号：

引言

随着社会的发展，在当 今的自动化控制与应用中，PLC与变频器正日益得到普及，在以往传统的控制方式中一般采用这样的控制方式，即把PLC的数字量输出点接到变频器的输入点来实现变频器的启/停控制，把PLC的模拟量输出点接到变频器的模拟量输入点来实现变频器的速度调节。这种控制方案占用了PLC宝贵的硬件资源，有时还需要配置昂贵的模拟量模块，成本较高。随着PLC及变频器通讯功能的日益增强，考虑使用两者通讯来实现驱动设备的速度控制，想必是一较为经济的控制方案。西门子S7系列PLC作为控制系统的核心，可提供强大的控制、网络和组态功能，同时强大的扩展能力和广泛的通讯能力，容易实现分布式系统结构，再结合西门子s7编程软件和1NTOUCH组态软件使得西门子S7系列PLC成为中型、大型自动控制领域的理想产品。

一、直流电动机与交流电动机控制在现代工业企业生产中的优缺点

变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率采达到交流电动机调速目的的技术。从大范围来分，电动机分为直流电动机和交流电动机两种。直流电动机与交流电动机的应用场合都比较广，两者工作的基本原理相同，都是电磁感应定律，且两者都有各自的优缺点。分析一下，直流电动机或者说是直流电机有其工作时的缺点很重要的一个原因大概就是因为换向器，这也是决定直流电机与交流电机工作方式不同的最主要原因。并且如果采用直流电源，直流电源的滑环和碳刷都要经常拆换，所以比较浪费时间，再加上成本高，换向困难，容量受到限制，不能做的很大，给人们带来很多的麻烦。变频调速器最为典型的应用时电机传动调速，电机交流变频调速技术以其优异的调速和启动、制动性能，高效率、高功率因数，显著的节电效果，进而可以改善工艺流程，提高产量质量，改善工作环境，推动技术进步，以及广泛的适用范围等许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速技术。

二、交流电动机的变频调速技术

交流电动机的变频调速技术就是要用半导体电力电子器件构成的变频器，把交流电变成频率可以调控的交流电，这就可以供给交流电动机，这种变频调速技术是用来改变交流电动机的运转速度。如果按照变换环节可以将交流电动机分为两大类：一类是交-直-交变频器，一类是交-交变频器。所以变频器利用根据这个变频的原理可以分为直接变频和间接变频。变频调速技术的应用一般有两种：一类是用于各种静止电源；另一类是用于电机传动调速变频调速器。其中最典型的应用时电机传动调速，电机交流变频调速技术因为启动和调速快、制动性能，高效率、高功率因数，还有显著的节电效果，这就可以改善工作环境，提高产量质量，改善工艺流程，极大的推动技术进步，现在已经被国内外认为最有发展潜力的调速技术。所以，只要我们共同的努力，不断的完善交流电动机的变频调速技术，这种技术得到更大的发展。

西门子调速装置在现代工业企业生产中的应用

近年来随着世界电子技术突飞猛进的发展，特别是微处理器和数字技术的发展使可编程控制器的性能和功能有了很大的提高。PLC是一种以计算机技术为基础的，专为工业环境设计的数字运算控制装置，具有功能齐全、使用灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强及易于维护维修等优点。

1、PLC的选型

PLC选型方式灵活，根据控制对象和控制任务的不同，我们可以选择不同型号的PLC及其模板类型和数量。首先我们根据具体的控制任务决定出需要采集和控制的点数， 即D1／DO点数和AI／A0点数，然后像搭积木一样搭出所需PLC的模板配置及其模板的数量。一般来说：点数在100点以下，选用s7—200系列；点数在1 000点以下，选用S7—300系列；点数在l 000点以上，选用S7—400系列；模板的数量等于点数除以单个模板的通道数。

2、西门子S400系列PLC和施耐德ATV-71变频器的通讯

(1)ATV-71变频器与西门子S400系列PLC的系统组态，如下图所示：

(2)通讯网络

PLC与变频器的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线。PROFIBUS-DP是目前工控系统中最成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口协议进行信息的交换。PROFIBUS-DP(Distributed I/O System-分布式I/O系统)是一种经过优化的模块，有较高的数据传输率，适用于系统和外部设备之间的通信，远程I/O系统尤为合适。它允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。PROFIBUS-DP现场总线系统可使许多现场设备(如PLC、智能变送器、变频器)在同一总线进行双向多信息数字通讯，因此可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络。

3、PLC编程示例

PLC与变频器之间采用从方式进行通讯，PLC为主机，变频器为从机。1个网络中只有一台卞机，卞机通过站号区分不同的从机。它们采用半双工双向通讯，从机只有在收到卞机的读写命令后才发送数据。PLC控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过程序有机地结合起来，使系统运行稳定可靠。

(1) PLC在第一次扫描时执行初始化子程序，对端口及RCV指令进行初始化。为了增加程序的可靠性，在初始化完成后，如果检测到端口空闲时则运行RCV指令使端口处十接受状态初始化子程序如下:

Network 1//网络标题检测端口空闲可编在主程序中

//设定端口属性

LDSM0.0

MOVB73,SMB 30

Network 2

//接收信息状态

LDSM0.0

MOVB102,SMB 87

Network 3

LD SM0. 0

MOVB16#02，SMB88

MOVB50,SMB92

MOVB50,SMB94

R SM87.2,1

Network 4

LDSM0.0

ATCHINT1，23 / /连接口0接

收完成的中断

Network 5

LDSMO.O

ATCHINTO.9//连接口0发送完成的中断

完成的中断

Network 6

LD SM0 0

ENI//中断允许

Network 7

LD SM0.0

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中图分类号：TM33 文献标识码：A

为提高环境的舒适性， 在电梯、电动车上采用变频器调速，可以改善加速与减速的平滑性，从而可提高乘坐的舒适感。实现自动化，使设备小型化，近几年来，通用变频器在国民经济各部门得到了迅速的推广应用。

一、电器传动国内外发展概况

电器传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。因电动机种类的不同，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动、等等。众所周知，直流电动机尽管比交流电动机结构复杂、成本高维修保养费用较贵，但其调速性能很好，所以，在调速传动领域中一直占主导地位。然而，由于电力电子技术的迅速，发展，使电器传动发生了重大变革，即交流调速传动迅猛发展，电器传动交流化的新时代已经到来。

交流电动机与直流电动机相比，有结够简单、牢固、成本低廉等许多点，缺点是调速困难、现在，借助电力电子技术以解决了交流电动机调速问题，交流电动机调速传动已占主导地位。据日本早年统计，1975年交流电动机调速与直流电动机调速之比是1 ：3，而到了1985年成了3 ：1。近10多年来发展更快。20世纪末，在工业发达国家，交流调速已占主导地位。

纵观交流电动机调速传动发展的过程，大致是沿着三个方向发展的：一个是取代直流调速实现少维修、省力化为目标的高性能交流调速；另一个是以节能为目的的，改恒速为调速，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage，简称 VV） 变频（Variable Frequency 简称VF） 器，即VVVF.正弦波PWM法（SPWM）是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展来的.它从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。

直流可以认为是频率为零的交流，由直流变为定频定压或调率调压交流电的变频器，称为逆变器。

将整流电路、逆变器电路、检测电路、保护电路等集成于一体的功率集成电路（Power Integrated Circute ，简称PIC） 等。

二、步进电动机PWM控制信号生成方法

现代步进电动机控制电路有两种类型，一类是适用于个人计算机（PC）控制的，指令及控制信号通过串行接口传送，也可以通过计算机下装程序后脱机运行.这类控制电路称为I/O主控制器.另一类适用于可编程序控制器（PLC）或单片机控制、指令和数据是通过并行口传输的.这类控制电路称为定位主控制器。

I/O主控制器由CPU及电路够成，本身就是一台计算机，与PC联机，可以使用高级语言编程及调试，进行实时的操作，有的其内部设有EEPROM，并设有有关程序控制指令，一旦将程序装入，可以脱机运行，使系统成本降低。

定位主控制器与通用PLC、单片机够成系统，用于定位点数较少的应用场合，适用于简单、重复性大的工作。

三、工厂使用通用变频器

近几年来，通用变频器在国民经济各部门得到了迅速的推广应用。应用的领域，如果按照负载的种类来分，有如下各类：

（一）风力水力机械类。

1、冷却塔冷却水温度控制，用温度传感器检测出冷却水温度，用以控制冷却风扇的转速（变频调速），使冷却水温自动地保持一定，可节电和降低噪声。

2、制冰机鼓风量控制，在制冰过程中，为了使冰中不要有气泡，以便制出透明冰块，就要改变冷风的风量：在冷冻初期，加大冷风量；而在冷冻的中期和后期，将冷风量将到50%以下，使冰块透明。

3、工厂操作台有害气体排气风机的控制，当一个操作台上有人正在操作，有害气体放出时，操作台上方抽风风道的阀门即打开，同时送出一个调频信号。根据风道阀门开闭的多少调节抽风机的转速。这样既可充分地排出有害气体，又可节能；同时也避免了因风道阀门闭合，使抽风机转速不变而产生的刺耳的尖噪声。

4、水塔水位自动控制，检测水箱水位的高低，调节扬水泵的转速，使水位保持一定。这样既可以防止水箱内的水水箱溢出，又可防止枯水，同时又可以节电。

（二）工作机械类。

1、平面磨床，用变频器驱动平面磨床的磨头电动机。在研磨超硬质材料时，必须高速研磨。这时使用专用高速电动机，要求变频器的输出频率达一百至数百赫兹。使用变频器不但可以方便地获得可调的高速，而且可以提高加工精度。

2、冲压机，传统的冲压机电动机为直流电动机或滑差电动机。改为标准的交流电动机，由变频器驱动后，不但可根据冲压材料的材质、板厚和加工内容，任意地调节冲压速度，而且安全、节电。

3、机床工作台走行装置， 机床工作台走行装置原由变极电动机驱动。改用普通电动机， 由变频器驱动后，可平滑地调速，使操作性能提高，并且使电动机小型化、轻量化。

4、起重机运行小车电动机的控制， 起重机 （行车） 运行小车电动机改用变频器供电驱动后，可平稳地起动和停车，避免因起动和突停造成起吊重物的摆动；可低速移动，使起吊重物正确地定位，同时可降低噪声，电梯也是。.

其它，还有车床、铣床的驱动、离心分离机的驱动、污水处理机械的驱动等等。

四、工厂使用通用变频器的好处

通用变频器之所以得到广泛的应用，究其原因，主要是因为使用变频器后，可以达到以下几个目的：

1、节能：对于风机、泵类等机械，需要按所要求的流量调节电动机转速的，以及对于挤出使用变频器调速机、搅拌机等需要按负载状态调节电动机转速的， 使用变频器后，可以节电节能。可节电49% 。

2、实现自动化：可以提高搬运机械的停车精度；可提高流水线调速控制的精度；加反馈控制环节以控制流量，可实现流量控制的自动化等。

3、提高产品质量：在产品制造业中，使用变频器调速可实现最合适的作业线速度控制， 在加工工业中，使用变频器调速可实现最合适的加工速度等，由此而使产品质量提高。

4、使设备小型化：转速越高，则机械的体积也越小。所以使用变频器调速，提高设备的转速，可使设备小型化，由于软起动、软停止，冲击减小，可削减机械设备的设计裕量，从而也可实现设备的小型化。

5、延长设备的使用寿命：使用变频器可使电动机软起动、软停止，避免对机械的冲击，可以延长设备的使用寿命。

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）30-0233-03

《电机及拖动基础》是电气自动化及机电一体化专业必修课程，是具有重要地位的专业基础课程。根据高职院校的人才培养目标要求，项目式教学已经成为高职院校一种重要的教学手段，而课程整体设计是一门课程的骨架，基于项目式教学方法的课程整体设计是项目式教学应用于《电机及拖动基础》课程成败的关键。

一、课程目标设计

通过本课程各项目的实施与训练，使学生能够根据普通的直交流电力拖动的要求及具体工况选择合理的拖动方式，并能够按专业标准提出设计与优化方案，并能有效实施，具备中小型直交流电力拖动系统的设计能力及对系统实施过程中的指导和监理能力。达到电力拖动系统管理员、系统设计及工程监理员的水平。同时也为从事电气安装设计与管理及实施工作奠定坚实的基础。

1.能力目标：（1）认识市场上常用的直交流电动机、发电机、变压器，能够根据用户需求进行具体电气设备的选型；（2）能够根据具体工况选择合理的直交流电力拖动系统的启动、制动、调速的方式；（3）能够根据具体工况选择合理的直交流电力拖动系统的启动、制动、调速及正反转的实现方法；（4）能够独立拆装各种直交流电动机、发电机及变压器；（5）能够对电动机、发电机及变压器一般性故障进行简单维修；（6）能够对直交流电力拖动系统的一般性故障进行判断及处理；（7）能够根据具体的工况对变电所的变压器进行合理的选型及安装；（8）能够为中小型企业电力拖动系统的组建制定合理的实施方案或设备改造方案。

2.知识目标：（1）了解直交流电动机、发电机及变压器的最新发展、市场上的相关产品及主要供应商，熟悉直交流电动机及发电机性能指标；（2）理解直交流电动机、发电机及变压器的工作原理；（3）掌握直交流电动机启动特点及各种启动方式的优缺点；（4）掌握直交流电动机启动特点及各种制动方式的优缺点；（5）掌握直交流电动机各种调速方式的特点及优缺点；（6）掌握直交流电动机正反转的实现方法；（7）了解各主要直交流电动机的基本结构并掌握拆装及维护方法；（8）了解各主要变压器的基本结构及拆装和维护方法；（9）掌握直交流电动机启动系统的设计、安装与管理；（10）掌握直交流电动机的电气制动系统的设计、安装与管理；（11）掌握直交流电动机各种调速系统的设计、安装与管理；

3.素质目标：（1）培养学生查阅国家电气标准和其他有关电气技术资料的基本能力；（2）培养学生良好的职业道德与文明法律意识；（3）培养学生的团队协作意识，提升沟通协调能力；（4）培养学生电气工程领域新技术自我学习能力；（5）培养学生的用电安全意识及环境保护意识。

二、课程内容设计

1.“旅行者”电瓶观光车电机拖动系统的设计与实现：（1）电瓶观光车直流电动机启动系统的设计安装与测试；（2）电瓶观光车直流电动机电气制动系统的设计安装与测试；（3）电瓶观光车直流电动机电气调速系统的设计安装与测试；（4）电瓶观光车直流电动机正、反转系统的设计安装与测试。

2.“东北风”面粉厂“80米”皮带运输机电机拖动系统的设计与实现：（1）“80米”皮带运输机三相异步电动机启动系统的设计安装与测试；（2）“80米”皮带运输机三相异步电动机电气制动系统的设计安装与测试；（3）“80米”皮带运输机三相异步电动机电气调速系统的设计安装与测试；（4）“80米”皮带运输机三相异步电动机正、反转系统的设计安装与测试。

3.吉林电子职业技术学院变电所变压器的选择、安装与测试：（1）变电所变压器的选择；（2）变电所变压器的安装与测试。

三、能力训练项目设计

1.“旅行者”电瓶观光车电机拖动系统的设计与实现：（1）直流电动机的选择：能够根据用户需求合理选择直流电动机；（2）启动方式选择：能够根据系统要求合理选择直流电动机的启动方式；（3）启动系统设计：能够根据启动方式的要求完成电路部分的设计；（4）启动系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（5）启动系统测试与调试：能够根据用户需求完成启动系统的测试与调试；（6）电气制动方式选择：能够根据系统要求合理选择直流电动机的电气制动方式；（7）制动系统设计：能够根据制动方式的要求完成电路部分的设计；（8）制动系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（9）制动系统测试与调试：能够根据用户需求完成制动系统的测试与调试；（10）调速方式选择：能够根据系统要求合理选择直流电动机的电气调速方式；（11）调速系统设计：能够根据调速方式的要求完成电路部分的设计；（12）调速系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（13）调速系统测试与调试：能够根据用户需求完成调速系统的测试与调试；（14）正、反转系统设计：能够根据正、反转系统的要求完成电路部分的设计；（15）正、反转系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（16）正、反转系统测试与调试：能够根据用户需求完成正、反转系统的测试与调试。

2.“东北风”面粉厂“80米”皮带运输机电机拖动系统的设计与实现：（1）三相异步电动机的选择：能够根据系统要求合理选择三相异步电动机；（2）启动方式选择：能够根据系统要求合理选择三相异步电动机的启动方式；（3）启动系统设计：能够根据启动方式的要求完成电路部分的设计；（4）启动系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（5）启动系统测试与调试：能够根据用户需求完成启动系统的测试与调试；（6）电气制动方式选择：能够根据系统要求合理选择三相异步电动机的电气制动方式；（7）制动系统设计：能够根据制动方式的要求完成电路部分的设计；（8）制动系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（9）制动系统测试与调试：能够根据用户需求完成制动系统的测试与调试；（10）调速方式选择：能够根据系统要求合理选择三相异步电动机的电气调速方式；（11）调速系统设计：能够根据调速方式的要求完成电路部分的设计；（12）调速系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（13）调速系统测试与调试：能够根据用户需求完成调速系统的测试与调试；（14）正、反转系统设计：能够根据正、反转系统的要求完成电路部分的设计；（15）正、反转系统安装：能够根据电路部分的设计完成电路部分的安装；（16）正、反转系统测试与调试：能够根据用户需求完成正、反转系统的测试与调试。

3.吉林电子职业技术学院变电所变压器的选择、安装与测试：（1）容量选择和分配：能够根据学院用电总量及各主要用电子单位的用电量对变压器容量进行分配；（2）变压器型号选择：能够根据变压器容量及变电等级选择合理型号变压器；（3）变压器安装：能够根据变压器结构完成变压器组装与安装；（4）控制柜安装：能够根据控制要求完成控制柜组装与安装；（5）设备测试与调试：能够根据用户需求完成设备测试与调试。

该课程整体设计方案已经应用于我校电气自动化专业《电机及拖动基础》课程的项目化教学之中，根据学生反馈，取得了预期的教学效果。

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GDX2包装机是包装设备中的主力机型，车间现有12台GD包装机，使用时间在5年以上的有8台。其烟库下烟器驱动装置采用永磁直流伺服控制模式，由直流伺服电动机作为动力源。由于我厂采用早晚班工作制，直流电机及控制板经常损坏，且为进口件，供货周期长、价格高。针对这种情况，决定对下烟器驱动电机进行改进。

1 工作原理

1.1 下烟器的工作原理

烟支由烟支输送系统进入烟库后，在回转轮及左右烟支分离器作用下，均匀地向烟库下方三个并列的下烟道分流。烟库后面的有机玻璃拍烟板由于摆杆的带动而缓慢向后往复摆动，对下落烟支轻微拍打，帮烟支理齐和下落。下烟料斗是由23块上宽下窄的导烟板分三组而组成。每块导烟板上各有一左、右往返转动的六角形搅动辊，由于搅动作用，烟支顺利进入下烟槽，靠重力落到推烟板前方，完成烟支下落过程。

回转轮、拍烟板和搅动辊是由抖动电机驱动的，为了保证产品质量和机车正常运转，要求抖动电机的速度与机车速度相配匹，如电机速度过快，易造成烟支空虚，如电机速度过慢，烟支供不上将造成停机。原机车抖动电机采用直流电机控制，很好地实现速度调节。

1.2直流电机控制原理

直流电机的起停由GD主程序控制。脉冲串表示来自上位机，直接用于电机速度控制信号。测速电机将速度信号反馈给伺服控制板，通过比较实现闭环控制。伺服控制板将电机工作状态直接反馈给主控柜。

2 问题分析

2.1 车间卷烟包装设备现状

随着生产规模的扩大，一些较早使用的机车，烟库下烟器驱动控制系统故障率高，到了需要更换的时间，而直流电机控制系统备件费用较高，工厂决定寻找一种价格低、性能相同的驱动控制系统来代替原控制系统。

2.2 直流电机驱动的不足

2.2.1 永磁直流伺服电动机易烧毁。该电动机是水平方向安装，当油密封圈老化时，下烟器减箱速内的液体油会沿电动机轴渗透密封圈进入电动绝缘漆机内部，逐渐溶解电动机定子绕组上的绝缘漆，达到一定程度时，绝缘漆被击穿，定子绕组间发生短路而使电动机烧毁。

2.2.2 （A456）易损坏。作为伺服电动机的核心器件，工作原理复杂，元器件多，故障率高，4层板结构，故障很难排除。另外，伺服控制实时性较差，当电动机因绕组间绝缘强度降低或其他原因而发生过流时，该伺服系统不能及时做出反应，导致电动机被烧坏，伺服板也同时损坏。

2.2.3 直流电动机要定期清洁换向器，而且需要更换碳刷。这既增加了维护工作，又降低了生产效率。

2.2.4 原装电动机及伺服板价格贵，供货周期长，不利于设备的维护保养。

针对原系统存在的以上问题，考虑采用交流变频系统来取代，以克服原系统的不足。

3 改进方案

直流电机调速性能良好，但随着变频技术的日益发展，交流电机电机调速性能不断完善，其调速性能可与直流调速性能相媲美，现变频调速应用各领域。交流电动机的价格远低于直流电动机，故障率低，维修简单，使用场合没有限制，单机容量远大于直流电动机，为此决定选用交流电机代替直流电机。

3.1 交流电机控制原理

3.3.1 交流电动机的起停由GD主程序控制。

3.3.2 脉冲串表示来自上位机，经过频压转换模块，将频率信号转换成电压信号送到变频器，从而实现对交流电动机的控制。

上位机将模拟转换板N2―4点输出的速度控制脉冲信号，通过光藕隔离，转换成幅度为15 V的矩形波，经频压转换模块专用电路缓冲、整形、放大、转换后，输出-10～10 V的直流电压信号。该信号送到变频器，从而控制交流电动机按上位机给定速度同步运动。该电压在0～10 V之间变化时，电动机会在0～1 500 r/min内作线性同步运动。如果电动机速度不能与上位机匹配，可通过变频器的速度参数和GD包装机OPC控制平台进行小范围调整， 直到电动机速度与上位机匹配为止。

3.1.3 变频器自身具有诊断功能，将自诊断信号返回给上位机。

3.2 三相交流电机、变频器的选用

选用三相异步交流电机：型号为YSJ7124，功率为370W。变频器选用西门子的MICROMASTER 440， 功率为0.75KW。

3.3 设计加工交流电机法兰盘

根据选型的三相交流电机固定底座和原直流电机的安装位置进行测绘，设计并加工固定件法兰盘。

4 具体实施

4.1 安装过程

4.1.1 拆下原直流电机及安装盘，并卸下直流电机联轴器装在交流电机上，将加工好的法兰盘固定在箱体上，再将电机与法兰盘固定。

4.1.2 在电控柜内适当位置打孔攻丝， 固定变频器支架，然后把变频器装在该支架上。

4.1.3 安装频压转换模块、起停继电器和空气开关，安装在变频器的安装支架上。

4.1.4 连接线缆。

连接电动机和变频器。将电动机动力电缆（UVW）铺设到电控柜里，与变频器的相应接口相连。

连接变频器的控制端线路。将上位机模拟板的脉冲信号接到频压模块的输入端，再将其输出端连接到变频器控制端子的模拟输入端。将上位机输出板控制电动机的起停信号线连接到起停继电器的线圈端，选取继电器的一组常开点连接到变频器控制端的起停端子上。将变频器的自诊断信号端连接到上位机输入板。

4.1.5 给变频器接动力电源。从电控柜中引三相电源经三相空气开关接到变频器的电源输人端。

4.1.6 把变频器的地线接到电控柜中的地线排上。

4.2 设备启动运行

GD机加电，开机启动，即可正常工作。工作过程如下：下烟库抖动电动机随主机做同步运动，当上位机起动信号发出后，同时输出对此电动机的起动信号，经起停继电器电路送给变频器的起动控制端。该电动机要与主机速度跟随，以供应主机烟支，由主机输出速度脉冲信号，经频压转换电路将频率信号转换成电压信号，送给变频器的模拟输入信号，通过变频处理输出，从而控制该交流电动机。当变频器或电动机运行出现故障时，将故障信号送给上位机处理。

5 改进后系统优点

5.1高可靠性。系统采用交流电动机，没有以前直流电动机的机械式换向器和碳刷结构， 工作可靠性更高。

5.2改进成本低。永磁直流伺服系统成本53816元，改进后的交流变频拖动系统成本11300元。

5.3可维护性好。电动机是无刷结构，不需要像直流电动机那样定期维护换向器和更换碳刷。

5.4电动机寿命延长。

5.5完善的保护功能。具有自诊断、过流、过压、过载、堵转、超速、连线错误、设置错误等完善的系统实时保护功能。

6 改进后的效果

在车间12台设备上对烟库下烟器驱动系统作了改进之后， 使用了近三年， 系统运行稳定、可靠。在近三年内系统几乎没有做过任何维护保养，而且没有发生过电动机损坏的事故， 有效地提高了设备作业率， 降低了维修工作量。

参考文献

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前言

由于很多生产机械都希望在停车时有适当的制动作用,使运动部件迅速停车。而停车制动常用的有机械制动和电气制动等多种方法。其中能耗制动是一种应用很广泛的电气制动方法,其制动准确可靠、制动转矩较平滑、对电网无冲击作用,不但应用于异步电动机,而且应用于同步电动机和直流电动机的制动系统。

那么能耗制动的理论依据又是什么呢?

1、能耗制动的理论依据

能耗制动是在电动机定子绕组与三相交流电源断开之后,立即使其两相定子绕组接上直流电源,于是定子绕组中产生一个静止磁场,转子由于惯性继续在这个磁场中旋转,因此在转子导体里产生感应电动势和感应电流,转子电流又受到静止磁场对它的电场力的作用,从而产生一个转矩,这个转矩阻碍了转子的继续转动,因而产生制动作用,使电动机迅速减速而停止。

2、半波能耗制动电路分析

(1)电路组成

图1是国家试题库维修电工初级工考证技能考核的单相半波能耗制动电路图,其电路主要分为两部分:主电路和控制电路。所用的主要元器件有:转换开关、熔断器、交流接触器、热继电器、按钮、时间继电器、整流二极管。

(2)控制原理

①合上组合开关QF接通三相交流电源。

②按下启动按钮SB1,接触器KM1线圈通电并自锁,主触头闭合,电动机接入三相电源而启动运行。

③当需要停止时,按下停止按钮SB2,KM1线圈断电,其主触头全部释放,电动机脱离电源。

④此时,接触器KM2和时间继电器KT线圈通电并自锁,KT开始计时,KM2主触点闭合将直流电源接入电动机定子绕组,电动机在能耗制动下迅速停车。

另外,当时间继电器KT的整定时间到其延时动断触点断开,接触器KM2线圈断电,KM2主触点断开,使定子绕组脱离直流电源,能耗制动及时结束,保证了停止准确。

⑤该电路的过载保护由热继电器完成。

⑥互锁环节:

()KM2动断触点互锁KM1线圈,KM1动断触点互锁KM2线圈。保证了两个接触器不可能同时得电,避免了电源短路事故发生。

()停止按纽SB2采用复合式按钮,实现了KM1线圈首先断电KM2线圈才得电的联锁控制。保证了在电动机没有脱离三相交流电源时,直流电源不可能接入定子绕组。

⑦直流电源采用二极管单相半波整流电路,电阻R用来调节制动电流大小,改变制动力的大小。

注:KT瞬动常开触点的作用:为防止KT线圈断线或机械卡住故障时KT不动作造成无法切除直流电源的事故。

(3)电路存在的问题

半波能耗制动的直流电流较小,在气隙中的磁通量也较小,产生的制动转矩较小,制动时间就会较长,制动效果不好。尤其是对于功率较小的电动机,根本无法刹车。另外该电路中的FR采用两极型的热继电器,只对于Y形联接的电动机适用;但接法的电动机一旦缺相还能继续运行,两极型的热继电器将不能起到缺相保护作用,势必会烧毁电机。为此针对该电路存在的问题,我们对电路进行改进并通过实验取得了一定尝试。

3、电路改进

为了提高制动效果,必须加大磁场,而磁场的加大又是依靠增大电流来实现,为此,首先把半波整流换成桥式全波整流,使输出的直流电流增大,这样交流电动机的定子绕组中产生的磁场较强,从而产生较大的制动转矩,制动的效果明显。其次,全波整流的直流成分相对较大,在交流电动机呈感性的定子绕组中,定子电路的励磁电流比较稳定,交流电动机的磁场相对也很稳定,能耗制动的精确度较好。第三,在全波整流的过程中,由于定子绕组的电流比较稳定,整个电路的工作稳定性相对较好,安全系数大。但采用变压器比较笨重,成本比较高。图2是改进后的电路图。

图2

结束语

能耗制动所需的时间长短和是负载转矩、稳定的转速以及接入的直流电流等有关,这也正体现了它制动准确的特点。但如果采用半波整流,其直流电流较小,而且含有的交流成分较多,能耗制动的特点体现不出来。而利用全波整流则可以克服这一点。

参考文献

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1 变频器发展简况

对于人们熟悉的直流和交流电动机拖动来说，诞生于19世纪，仅有百年多的历史，发展成为了动力机械的主要驱动装置。在这发展的很长一段时期中，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统，采用的则是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），在一些特殊需要的调速控制的拖动系统才采用直流电动机。

由于结构上的原因，直流电动机存在诸多缺点：①需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；②由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；③结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。与之相比，交流电动机具有以下优点：①结构坚固，工作可靠，易于维修保养；②不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；③容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。

人们都希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机取代直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发。直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发也未能取得令人满意的成果，这就限制了交流调速系统的推广应用。正是如此，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中，不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量，使得控制系统的复杂性和能源浪费也有所增加。

随后人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。伴随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。而各种复杂控制技术在变频器技术中的应用及其性能也不断提高，且应用范围也越来越广。现在传统的电力拖动系统中已基本全面推广应用，并扩展到工业生产的其他领域，比如空调、洗衣机、电冰箱等家电产品也应用了变频技术。

2 变频器调速控制的特点和优势

变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制；可以实现大范围的高效连续调速控制及正反转切换；可以进行高频度的起停运转和电气制动；可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小；可以组成高性能的控制系统等等。

使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制，可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，节能效果显著。

由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可利用变频器实现调速控制，无须对电动机和系统本身设备改造。

采用变频器的交流拖动系统，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此在进行调速控制时，通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围。电动机的调速范围较宽，可以达到提高运行效率的目的。通用型变频器的调速范围可达1：10以上，高性能的矢量控制方式可达1：1000。矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可直接控制电动机的输出转矩。其与变频器专用电动机组合，可达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。

利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的目的，很容易实现电动机的正反转切换，而不需要专门设置正反转切换装置。正反转切换时，如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作。采用变频器的交流调速系统中，可通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。

利用普通电网电源运行的交流拖动系统，由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频度的起停运转。对于采用变频器的交流调速系统，由于电动机的起停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可进行较高频度的起停运转。

变频器驱动系统中电动机的调速控制，是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈给供电电网，并形成电气制动。一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可通过变频器给电动机加上一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。

高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点。直流电动机由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。异步电动机不存在此制约因素，异步电动机的转速可以达到相当高的速度。异步电动机的转速为：n=120f(1-s)/p,其中：n―电机转速，r/min；f―电源频率，Hz；p―电动机磁极个数；s―转差。当用工频电源（50 Hz）对异步电动机进行驱动时，二极电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高的转速，则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。

目前高频变频器的输出频率已达到3000KHz，利用此高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可得到高达180000r/min的高速。随着变频器技术的发展，高频电源的输出频率也在不断提高，更高速度的驱动也将成为可能。

一台变频器同时驱动多台电动机时，若驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同样的速度（同步转速）运转，而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。变频器是通过交流―直流的电源变换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。

3 变频器技术的发展动向

作为变频器技术基础的电力电子技术和微电子技术，都经历了飞跃性的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，许多厂家仍在不断地进行小型化的研究和努力。随着变频器市场的进一步扩大，变频器技术将会随着与变频器有关的技术的发展得到发展：①大容量和小体积化；②高性能和多功能化；③易操作性的提高；④无公害化；⑤寿命和可靠性增加。

采用电压驱动的IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor,隔离门极双极晶体管）电力半导体器件发展很快，并迅速进入传统上使用BJT（双极功率晶体管）和功率MOSFET（场效应管）的各种领域。以IGBT为开关器件的IPM（Intelligent Power Module,智能功率模块）和单片功率IC 芯片将功率开关器件与驱动电路、保护电路等集成在一起，并具有高性能和可靠性好的优点。

性能越来越高的要求，用于变频器的CPU和半导体器件及各种传感器方面的越来越多。交流调速理论的日益成熟，现代控制理论也在不断得到新的应用，这为提高变频器的性能提供了条件。随着变频器的广泛应用，用户也在不断提出各种新的要求，促使变频器的性能和功能再提高。

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前言：

20世纪60年代以前的调速系统以直流机组为主，70年代中期全世界范围内出现的能源危机迫使各国投入了大量的人力财力来研究交流调速系统，交流调速技术得到了快速的发展。20世纪80年代交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。

一、交流电动机常用调速方法分析

1.1调压调速

调压调速是通过改变电动机定子电压改变电动机转差率，从而实现调速。这种调速方法比较适用于带动风机、水泵的异步电动机。其原因是：

由于风机负载转矩特性，当转速n降低时，负载显著减小，它可以稳定运行于电动机机械特性的非线性段，因而得到较低的转速，扩大了调速范围。

在降压运行时，电动机的磁化电流可以忽略不计，则电机的电磁转矩T正比于转子电流的平方。当增加转差率S，为使电流保持额定值不变，电机的转矩也相应减小，显然这既不适应于恒转矩负载，更不适应于恒功率负载，而较适应风机、水泵负载。

1.2变频调速

变频调速是交流电动机一种最好调速方法。它是通过改变电源频率来改变旋转磁场同步转速，从而达到调速目的。

变频调速不仅能实现无级调速，而且根据不同的负载特性，通过适当调节电压U与频率f之间的关系，使电动机始终运行在高效区。

交流电动机采用变频调速能显著改善电动机起动性能，大幅度降低电动机起动电流，增加起动转矩。变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬，调整范围广，同时可以适应不同负载特性的要求，尤为异步电动机调速的发展方向。

1.3变极调速

变极调速是通过改变磁场的极对数，来改变同步转速，以达到调节电动机转速。它也属高效调速方法之列。变极调速简单可靠，成本低，机械特性硬，但它是一种有极调速，而只适用于几种运行工况场合。例如纺织厂的空调风机，夏天一种速度，冬天另一种速度。应用交流电机调速实现对风机、水泵风量或流量的调节，是节约电能最佳途径，其社会效益和经济效益都是相当可观的。

二、变频技术在交流调速系统中的应用

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业用户的青睐。

2.1、交流变频调速的优异特性

（1）调速时平滑性好、效率高。低速时，特性静差率高、相对稳定性好；

（2）调速范围较大、精度高；

（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；

（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；

（5）易于实现过程自动化；

（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高；

（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

2.2、与其它调速方法的比较

（1）改变转差率的调速方法

包含改变定子电压调速、绕线转子回路串电阻调速、电磁转差离合器调速、串级调速等方法

（2）改变极对数的调速方法

通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。这种方法效率高、操作简单、机械特性强。缺点是有级调速，一般变极调速用于小容量、非平滑调速的场合。

（3）改变频率的调速方法

变频调速系统可分为两大类：

①交—直—交变频调速

先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM交—直—交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。它是异步电动机交—直—交变频调速的主流。

②交—交变频调速

把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高，主要适用于低速大容量的交流调速设备中。

三、变频调速的发展方向

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，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分为功率和控制两大部分。目前主要发展动向有以下三个方面：

3.1新的控制策略

异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。

3.2新型变流装置和变流技术

随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向发展，中高电压、大容量的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的体积越来越小，为提高开关频率、降低开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。

3.3全数字化控制

随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和数字信号处理器在调速系统中得到了较为普遍的应用。

四、结语

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的交流异步电动机。

交流电动机变频调速在能源利用方面有很多的优势。众所周知，能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切，变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求，未来一定会得到更好的发展。（作者单位：华北电力大学机械工程系）

参考文献：

［1］李良钰.交流调速技术概述与发展方向.电气技术与自动化,2008.6

［2］高翔,姚大博.交流调速节能技术的应用.内蒙古石油化工,2009.7

［3］刘玲.交流变频调速技术的优势与应用.电气开关,2010(1)

篇11

中图分类号：TM343 文献标识码：A

收录日期：2014年5月14日

电能是国民经济中应用最广泛的能源，而电能的生产、传输、分配和使用等各个环节都依赖于各种各样的电机；电力拖动是国民经济各部门中采用最多最普遍的拖动方式，是生产过程电气化、自动化的重要前提。由此可见，电机及电力拖动在国民经济中起着极其重要的作用。

一、电机的分类

（一）按工作电源分类。根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

（二）按结构及工作原理分类。电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

（三）按起动与运行方式分类。电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。

（四）按用途分类。电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

（五）按转子的结构分类。电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

（六）按运转速度分类。电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

二、电动机技术发展现状

电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单、调节性能好、耗损小，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。

按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。

虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。所以，在20世纪六十年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是七十年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。此外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。

三、异步电机的发展

异步电机是一种交流电机，也叫感应电机，主要作电动机使用。它有如下优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，而且有较高的效率和相当好的工作特性。异步电机主要的缺点是：目前尚不能经济的在较大范围内平滑调速以及它必须从电网吸收滞后的无功功率，虽然异步电机的交流调速已有长足进展，但成本较高，尚不能广泛使用；在电网负载中，异步电机所占比重较大，这个滞后的无功功率对电网是一个相当重的负担，它增加了线路损耗、妨碍了有功功率的输出。当负载要求电动机容量较大而电网功率因数又较低的情况下，最好采用同步电动机来拖动。

异步发电机的发展对发电机产业产生了较大的冲击力。主电容器是用来使发电机建立空载电压的电容器，一般是将它们联结成一组，并接于发电机出线端。附加电容器要根据实际负荷的大小进行投，所以它们必须分成若干组分别接入电路。附加电容器是用来使发电机由空载至满载，维持发电机额定电压不变的电容器。

2010年我国异步发电机行业面对新的发展形势，因为新进入企业不断增多，上游原材料价格持续上涨，发电机租赁行业发展的也相当不错。导致行业利润降低，因此我国异步发电机行业市场竞争也日趋激烈。必需并联恰当数值的励磁电容。固然受金融危机影响使得异步发电机行业近两年发展速度略有减缓，但跟着我国国民经济的快速发展以及国际金融危机的逐渐消退，我国异步发电机行业重新迎来良好的发展机遇。异步发电机在水轮机的驱动下，当其转速达到额定值时，利用其剩磁建立微小的剩磁电压。

篇12

交流电动机的拆装与测试是高职高专电类专业的实训课题，它强调学生们在具备了电工学、高等数学和必备的生活常识后，必须学会和掌握的理论性和实践性都很强的一个课题

本课题的教学难点是对于三相交流电如何产生旋转磁场的认识和理解，合格装配电动机并检测各项指标，以及三相绕组 “首尾”判断方法和实际操作过程。根据多年的教学经验和经历，考虑到当今学生由于缺少实践经验而造成动手能力弱的特点，采取了由浅入深，循序渐进的原则，使课程逐渐地慢加速地全面展开。通过多画黑板教学插图的直观方法，使课程更生动易懂，学生也加深、加快了对教学内容的理解，其效果胜过空洞枯燥的讲解。若教师能画一手好画和写一手好字在配有良好的口才在目前的教学条件下还是大有作为的，俗话讲百闻不如一见，说的就是实物图形和影像在学习认知中的科学效果。

课题中电机的拆卸和装配部分是学生们感兴趣的地方，要因势利导，在强调重点步骤和安全要领后，放手让他们自己去想，自己去干。总之这一课题选题客观合理，实用性强，易于操作，课后基本收到了预期效果。

一、三相交流电机的基本结构

一般来说交流电动机主要是由定子和转子这两部分构成，但还可细分展开为前、后端盖，前、后轴承和轴承盖，机座（定子绕组、接线盒、吊环），转子和风冷降温系统（由风扇叶、风扇罩和散热筋组成）这些零部件在黑板上画出示意图和总装配图，使学生们很快了解机器各部件的相对位置和空间排列顺序。

二、交流电动机的工作原理

(一)定子绕组产生旋转磁场

研究交流电动机需从电磁场谈起，这样引入谁都听得懂。

1.直流电流通过绕组线圈能够产生恒定不变的磁场，初中物理中的“右手螺旋法则”讲得就是这样一个客观现象。

2.交变电流能够产生交变磁场其磁力线的方向大小和空间分布状况随着电流的变化而交替变化，即交变电流产生交变磁场。

3.有了前两个结论，接下来就不难理解三相交流产生的旋转磁场了。首先通三相交流电的三个绕组在空间上成120°的电角度排列，按国际标准分别称其为u、v、w绕组。假设它们为星形连接如图1（a）所示。当它们接上三相交流电后，我们取三个典型时刻来看看磁场的变化情况。A时刻，u绕组中的电流为正极值其向心方向为N极，v、w两绕组中的电流为负，但两者磁场的合成为S极，大小与N极恰好相等。B时刻，V绕组中的电流为正极值，其向心方向的磁极为N极， w、u绕组中的电流为负，两者磁场的合成为S极，其大小与N极等量、共线。C时刻,电磁场的方向和大小产生的成因同上，只是按逆时针方向转过了120°电角度，在经过同样的时间段，电磁场又重新回到起点A,完成一个周期旋转并且周而复始的变化下去，如图1（b）所示。当然了电磁场在圆周中的任何角度经过计算后其结果都是相同的。

图1 旋转磁场

4.转子切割旋转磁场产生感应电流而其电流又在磁场中产生力的作用。

我们用一旋转的U型磁铁来代替旋转磁场，用一匝导线表示整个鼠笼转子，如图2所示。当磁场逆时针旋转时，线圈切割磁力线产生感应电流（右手定则），与此同时感应电流在磁场中又产生力的作用（左手定则）。

图2 转子转动原理

通过这样图文并茂，一目了然的讲解，使学生们很容易弄懂交流电机的工作原理，省去了麻烦的理论推导和复杂的数学演算，适合高职学生的实际情况。

（二） 交流电机的转差率

异步——指电动机的转速低于旋转磁场的转速，否则转子不能切割磁力线。

转差率S=N磁场-N电机N磁场 1%

换言之，电机的转速是磁场转速的95%-99%。

一般情况下，N磁场=1500转/分N电机=1440转/分

三、电动机的名牌

每个交流电机上都有一块铭牌，它相当于人的简历，标有诸多的技术参数和指标。

（一）型号、（二）额定功率、（三）额定电压、（四）额定电流、（五）额定功率、（六）额定转速，等等。

四、交流电机的拆装和装配

（一）拆装电动机的原则

1.电动机是由很多零部件装配而成的组合体，已经使用后尽量不要改变各个零部件之间的相对位置，因为机器在磨合好后，一旦各零部件相对位置发生变化，则需要重新磨合，这样就减少了机械装置的精密度和使用寿命，拆电机之前，应在各个部位上做好记号，确保回装后电机各零部件相对位置不改变。

2.拆下的零部件，按拆下的顺序编号，以便装配时按反顺序装配。

3.在装配的过程需按对角线紧固螺丝，让零部件受力均匀。

（二）拆卸电动机的步骤

先拆风扇叶和风扇罩拆轴承盖拆端盖取出转子用三爪拉具卸下轴承（此项是拆卸的难点）

(三)维修保养过程

清洗电机内部，吹尽灰尘，擦去油污，更换新轴承或加注新黄油做保养。

（四）电机的装配

按着各个部件的编号和相对位置的记号，反顺序装配即可。

五、电动机装配后的测试

（一）检查外观

（二）用电桥测量三相绕组的阻值，其中各相的阻值不得超出平均值的5%。

（三）电机中的各项绝缘电阻的阻值应大于1.5MΩ。

（四）通电测量各相电流是否相等。

（五）电动机运行时，耳听电动机转动有无杂音，并用手摸电动机外壳的温度是否过热。

以上五项都检验合格后，电动机方可投入使用。

六、电机的三相绕组“首尾”端判断

（一）目的

三相电机的绕组只有两种接法，即“星接”和“角接”。但是无论“星接”还是“角接”必须先分清各个绕组的“首尾”端，也是电工学中线圈的同名端，它是由线圈的绕向产生的问题，若是“首尾”搞错，虽然表面上看去是“星”、“角”连接了，可非但电动机不能正常工作，甚至还将烧毁电动机。所以我们讲的“星接”的公共点应全是“首”或全是“尾”才行，而“角接”就是各个绕组的首尾相连组成一个闭合回路才行。

（二）三相绕组“首尾”端的判断方法

1.先用万用表从6个线头中分出三个绕组，假设它们为u、v、w绕组。

2.按图3接好电路，电源以9V为好，用万用表50μA档来测量绕组的感应电流方向，在闭合开关K的瞬间观测电流的方向，并用电工胶布在线头做好标记。然后用同样方法去测量w绕组中感应电流的瞬时方向，若两者相同则“首尾”端一致，若相反“首尾”反向，把线头的另一端做记号，如图3中所示。

图3 “首尾”判断电路图

3.将9V电源任意接在w绕组中，用相同的方法再测u、v两个绕组，先测量v绕组，记住电流的方向和标记，将其作为参考再测u绕组，若电流相同其“首尾”端一致。若不同则“首尾”端相反。到此为止，三相绕组的“首尾”端判断全部完成。

结论

交流电动机的结构并不复杂，但其精密度较高，它的定子和转子之间的运动缝隙仅有1mm左右，电机中的轴承属于易损件决定电机的寿命。在实际使用的过程中，需要定期的更换或者加注新黄油。这样才能保证电机长期运转安全工作，所以在工矿企业中拆装电机是电工一项必要的基本功和日常工作，尤其是一些大功率电机较多的企业里。另外电机三相绕组的判别方法来源于生产实践后经理论上的提高，作为高职实训课的内容很有必要。针对我国目前教育中，普遍存在“重”理论“轻”实践的现状是一种很好的改进与完善。综上所述，本课题从内容设计到课堂实践的效果都很成功，既巩固了所学的理论知识又在实践中提高了分析问题和解决问题的动手能力，符合高职的特点，把握住了复合型技能人才的培养方向。