4KW异步电动机变频调速系统的设计安装和调试.doc

毕业设计（论文）题 目: 4KW异步电动机变频调速系统的设计、安装及调试五、设计应完成的图纸1、4kW鼠笼电动机变频系统的示意图，原理结构框图。2、该系统的电路原理图。3、与电路原理图相对应的安装位置图、布线图。4、各项实验原理图以及相应的测试曲线图。六、主要参考资料1、电机与拖动（电力版）2、电力拖动与控制（机工版）3、电机调速的原理及系统（电力版）4、电力电子变流技术（机工版）5、电气变频调速设计技术（电力版）6、电力拖动控制线路与技能训练（劳动社会保障版）7、电力拖动自动控制系统（机工版）8、计算机控制技术（电力版）9、自动控制原理（电力版）10、电机与拖动实验指导书七、进度要求周次工作内容地点1熟悉任务书，收集资料自定24工程设计（确定方案、选择变频设备），设备购置；熟悉实验设备，并选择实验用仪器、备件。自定；实验楼一层56先去工厂参观，再出草图并进行设备安装。实验楼一层1011按图进行一、二次接线。实验楼一层1214设备调试、通电实验实验楼一层、二层1516撰写论文初稿，定稿自定17教师审稿，论文装订，答辩，评定成绩教室八、其它要求1、设计期间，周六、日连续进行，每周一上午8：00检查进度情况。2、做实验时注意人身、设备安全及公共财物完好。3、按统一要求规范论文格式，并用A4纸打印论文。4、论文正文字数一般应不少于10000汉字，译文字数不少于3000汉字。 4KW异步电动机变频调速系统的设计、安装及调试【摘要】异步电动机变频调速是交流变频调速的一种。通过毕业设计实践，掌握异步电动机变频调速原理及其配套设备的性能，针对异步电动机的工作原理，运行特性及主要优缺点，结合实验室的主要设备构成原理图。根据设计任务书中所提供的原始资料；以及各种辅助设备等资料，通过相关的试验完成了本次设计。通过本次设计使我加强了异步电动机变频调速的认识，使我在课堂上所学的知识得到巩固、补充和发展，提高独立分析解决问题的能力。关键词：异步电动机 变频器 变频调速 4KW inverter induction motor speed control system design, installation, debuggingABSTRACTVVVF induction motor is an AC variable frequency speed control. Design practice, through graduation and master the principle of induction motor VVVF and equipment performance, work against the principle of induction motors, operating characteristics and main advantages and disadvantages, combined with laboratory equipment constitute the main schematic. According to the book design of the raw data provided; and a variety of auxiliary equipment, such as information related to the test through the completion of the design of the times. Design through the strengthening of the induction motor I VVVF awareness, I have learned in the classroom to consolidate the knowledge to complement and development of an independent analysis to improve problem-solving abilities.Keywords: asynchronous motor ；VVVF inverter ；eddy current dynamometer目录【摘要】5ABSTRACT6前言9第1章 概述101.1交流调速简介101.2交流调速实验台简介12第2章 三相式鼠笼电机的变频调速原理152.1 三相异步电动机的工作原理和运行状态152.2三相异步电动机的调速16第3章 4KW异步电动机的变频调速系统的设计203.1电气控制线路绘制原则203.2电气原理图的设计203.3 电气元件安装布置图24第4章 变频调速系统元器件的选择25.变频器的选择254.2 调速系统的构成及其主要设备26第5章 变频调速实验台的安装315.1 实验台的安装步骤及工艺要求315.2 接线检查32第6章 系统的调试336.1 电动机工频条件下的空载实验336.2 电动机工频条件下的负载实验346.3变频调速系统通电调试36附录41小 结49参考文献：50英文原文51译文59前言随着电力电子技术的快速发展，特别是近几年来，异步电动机变压变频调速技术的迅速发展和推广应用，使得异步电动机在工矿企业中应用越来越广泛。但在这种技术还没完全掌握时，要求从事异步电动机运行人员要不断提高专业技术水平。为此，本论文针对异步电动机的运行特性，对异步电动机变频调速系统作了简要分析，并做了大量试验。本设计共分六章，第一章 概述，叙述了本论文的大致内容；第二章 三相鼠笼电机的变频调速原理，讲述了异步电动机的运行原理及变频调速原理；第三章 4KW三相异步电动机的变频调速系统的设计，分三节：主电路原理图的设计、主控制原理图和电气安装图；第四章 电器设备的选择；第五章 系统的安装；第六章 系统的调试。本论文由王广惠老师审稿，在编写过程中编者做了许多努力，同组的其他同学也提出了许多宝贵意见和建议。由于本人水平有限，加上时间仓促，论文中难免存在不少的问题和不足之处，欢迎各位老师及时批评指正。第1章 概述1.1交流调速简介交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。1.1.1变频调速系统变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：（1）交-交变频调速系统如图11所示。它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管。因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。 图11交-交变频器（2）交-直-交变频调速系统，如图12所示。交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。此次设计的实验台所用变频器就是交-直-交变压变频器。图1-2交-直-交变压变频器（3）其他。例如同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闹管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。1.1.2 SPWM控制技术正弦波脉宽调制（SPWM）技术在变频器中得到广泛的应用。SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。此外，由于输出波形由方波改进为PWM波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。PWM技术的应用是变频器的发展主流。SPWM的调制原理是使变频器的输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，改变调制波的频率和幅值即可调节逆变器输出电压的频率和幅值。SPWM变频器的输出电压虽然接近于正弦波，但感应电动机本身因为气隙磁通、转速与转子电流是强耦合的，所以调速性能不如直流电动机，采用矢量控制技术可提高其调速性能。矢量控制的原理是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组，两相交流绕组和直流绕组三者之间的等效关系，从而求出与交流电机等效的直流电机模型，即实现交流电动机的解耦，以便按照对直流电动机的控制方法对交流电动机进行控制，矢量控制要求由磁通观测器测出实际转子磁链幅值及相位，因此如何利用先进理论和技术实现转子磁链位置的精确观测是矢量控制技术的重要课题。1.1.3变频调速控制技术的发展趋势随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。控制策略的应用：由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制。近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制（如专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等）和无速度传感的高动态性能控制都是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。微机数字控制：微机控制或称数字控制，其优点是：使硬件简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，易实现复杂的控制规律，便于故障诊断和监视。控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。1.1.4变频调速技术在工业上的应用随着工业实用化的高性能、高可靠性变频调速器的不断出现，交流电动机的变频调速传动愈来愈得到广泛应用。应用面最广的是风机、泵类交流电动机的变频调速运行。通过调整电动机的供电频率和电压，该恒速运行为调速运行，达到对风量、风压、流量和扬程的控制，能够显著的降低能耗，大大减少电动机起动时对电网和所拖动机械设备的冲击，在运行中减少机械设备的磨损和噪声。例如：变频调速在风机中的应用。以往当需要对风机的风量进行控制时，多采用调节风机入口、出口挡板的方法，利用增加风阻开改变风量。这种控制方式存在节流损耗而浪费电能的缺点。由于风机的轴功率与转速的三次方成正比，所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压实施控制是最合理经济的。本次设计的实验台，电动机同轴连接一个涡流测功机。涡流测功机相当于是电动机所带的负载。通过改变与电动机同轴的涡流测功机电流的大小可以改变加在电动机上的负载转矩。1.2交流调速实验台简介1.2.1交流调速实验台的设计本次设计的在电机实验室原有的4KW鼠笼电机涡流测功机设备的基础上，选择合理的电气元件、变频器等设备。构成异步电动机的变频调速开环系统。根据设计的要求在三相交流电源和电动机定子之间加装一台变频器，通过调节变频器的输出使电动机定子电压的频率能连续改变，实现电动机的无级调速。同时，利用实验室闲置的自耦调压器与变频器配合使用，可以实现变频和工频之间的相互转换。实验台用到的主要电气元件及设备包括：三相鼠笼异步电动机、涡流测功机、变频器、自耦调压器、开关、接触器、热继电器、熔断器、交流电压表、交流电流表、功率表、滑线变阻器。设计框图如图13所示。图13 设计框图1.2.2交流调速实验台的基本控制功能异步电动机的转速n=（60f1/p）(1s),当其转差率s变化不大时，电动机转速n基本上与电源频率f1成正比。因此，连续的改变供电电源频率，就可以平滑的调节异步电动机的运行速度。具体表现在实验台上就是，通过调节变频器的运行频率实现对异步电动机的无级调速。当电动机不需要变频运行可以通过转换按钮使电动机在工频下运行。由于所选变频器自身的特点以及容量有限在变频运行只能拖动一台电动机运行，所以采用了两个按钮分别对两台电动机进行控制。系统框图如图14所示。图14系统框图第2章 三相式鼠笼电机的变频调速原理2.1 三相异步电动机的工作原理和运行状态异步电动机是电力拖动系统中应用最广泛的一种电机。许多金属切削机床、船舰、鼓风机、水泵、冶炼设备、卷扬机和农用机械，都采用异步电动机来拖动。人们日常生活中的电扇、洗衣机等家用电器和医疗器械中也大量采用单相异步电动机。2.1.1三相异步电动机的工作原理异步电动机的定子铁心上安放三相对称绕组，转子分为笼型转子和绕线转子两种，笼型转子外圆的槽内嵌放导体，导体两端用铜环短路，形成闭合回路。当三相定子绕组接于三相对称电源，流过三相对称电流时，三相合成磁动势在气隙中产生旋转磁场，如只考虑其基波，则此磁动势在气隙中以同步转速n1旋转。同步转速n1与电源频率f1及电机极对数p有如下关系， （21）设定子旋转磁场沿顺时针方向旋转并切割转子导体，根据电磁感应定律，转子导体中将有感应电动势产生， 感应电动势的方向按右手定则确定。N极下转子导体电动势由图面向外指，S极下的转子导体电动势指向图面。在感应电动势作用下，闭合的转子绕组中便有电流流过。如不考虑导体中的电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据电磁力定律，转子电流与气隙合成磁场作用产生电磁力，转子导体的受力方向用左手定则确定，所有转子导体受到的电磁力形成电磁转矩使转子按旋转磁场的方向旋转。电动机对轴上的机械负载作功，将电能转换成机械能。异步电动机不可能依靠自身的电磁转矩达到旋转磁场的同步转速，因为如果两者相等，转子导体与旋转磁场之间便没有相对运动，转子导体中便没有感应电动势和感应电流，电动机便没有电磁转矩。由于转子转速与定子旋转磁场的转速必须有差异才能产生电磁转矩，所以称其为异步电动机。又由于转子导体中的电动势和电流是由电磁感应产生的，所以异步电动机又称为感应电动机。定子旋转磁场的同步转速n1与转子的转速n之差，称为转差n=n1-n。转差与同步转速之比称为转差率s，即 （22）正常运行的电动机，其s很小，一般s=0.010.052.1.2三相异步电动机的三种运行状态转差率是表征异步电动机运行性能的一个重要参数，根据转差率的大小和符号，便可以判断异步电动机运行在电动状态、发电状态还是电磁制动状态。(1)电动运行状态如果转子顺着旋转磁场的方向旋转，且0nn1，也就是说0sn1,s0,异步电机便运行于发电状态,如图2-1(c)所示。转子导体切割磁力线的方向与电动状态相反，转子电动势和电流都改变了方向，所以电磁转矩也变为顺时针方向，与原动机拖动转子的方向相反，对原动机起制动作用，电机从原动机吸收机械功率，送出电功率，因而是发电状态。 (a) (b) (c)图2-1 异步电动机的三种运行状态 (a)电磁制动状态 (b)电动状态 (c)发电状态(3)电磁制动状态假设在某种外因（这外因可能是电的，也可能是机械的）作用下，使转子反着旋转磁场方向旋转，即n1时，电机就运行于电磁制动状态，如图2-1(a)所示。由于这时转子导体切割旋转磁场的方向与电动运行状态时相同，所以转子感应电动势、电流有功分量及电磁转矩的方向都与电动运行状态相同。这时的电磁转矩方向与旋转磁场的转向相同，与转子转向相反，因此起制动作用。2.2三相异步电动机的调速异步电动机的转速表达式为 （23）由以上表达式可以看出，决定转速n大小的参数有电机极对数p、电源频率f1和转差率s。所以，三相异步电动机的调速方法有：变极调速、变频调速和改变转差率调速三种。2.2.1变极调速改变异步电动机的极对数，从而改变异步电动机的同步转速,就可以达到调速的目的。改变定子的极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。这个方法只适用于鼠笼式异步电动机，因它的转子极对数随定子而定。由交流绕组的理论可知，分布绕组可以根据基波磁动势幅值相等的原理等效为集中绕组。因此按照单相集中绕组就可说明改变电动机磁极对数的问题。电流反向法变极的基本原理是通过改变定子每相绕组中一半线匝的电流分布，来改变电枢磁场的分布，从而改变电机的磁极数。2.2.2变频调速如果改变异步电动机电源的频率f1,从而改变异步电动机的同步转速n1，异步电动机转子转速n=(1-s)n1就随之得到调节,这种调速方法称为变频调速。变频调速的主要问题是要有符合调速性能要求的变频电源。(1) 变频电源早先用变频机组作为变频电源，是由异步电动机拖动直流发电机，作为直流电动机的电源，再由直流电动机拖动交流发电机，通过调节直流电动机的转速，调节交流发电机所发交流电的频率，显然机组庞大，价格昂贵，噪声大，维护麻烦。随着现代电力电子技术的发展，尤其是电力电子器件技术的成熟，研制生产了多种电子变频调速装置主要有“交交”变频器和“交直交”变频器，能把电网供给的恒频恒压的交流电变换为频率和电压可调的交流电，供给三相异步电动机。从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1) 交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变频器变换成可控频率和电压的交流，如图22所示。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。图22交-直-交变压变频器框图图 23 PWM变压变频器示意图具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广泛的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（PMOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如图23所示。2) 交交变压变频交交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能也称作周波变换器。这类交交变频器的缺点是输入功率因数较低、谐波电流含量大、频谱复杂，因此须配置滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量低转速的调速系统，供电给低速电动机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。近年来，又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交交变压变频器，类似于PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波很小，输入功率因数可调，输出频率不受限制，能量可双向流动，以获得四象限运行。但当输出电压必须接近正弦波时，最大输出输入电压比一般只有0.866，现在已有电压比更高的研究成果。目前这类变压变频器在国内外都已有研制产品出现。(2)恒磁变频器调速恒磁变频器调速分析如忽略定子阻抗降压，异步电动机定子绕组的感应电动势近似等于定子外加电压，即UE1=4.44f1w1kw1m=c1f1m （24）C1=4.44w1kW1式中C1常数。因此，若U1不变，则m随f1而变。一般设计电机时，为充分利用铁心材料，都把磁通量数值选为接近磁路饱和值。如频率从额定值（50Hz）往下调，磁通量增加使磁路饱和，励磁电流明显增加，则使电动机带负载的能力降低，功率因数变坏，铁耗增加，电机过热。反之，如果频率从额定值往上调，磁通量减少，导致电动机允许输出转矩下降，使电机使用率降低，在一定负载下还有过电流的危险。因此，在改变频率时 ，如电压不变，则对电机的运行是不利的。通常要求磁通m在保持恒定的情况下进行调速。为此，在调速过程中，在电压不超过额定值的情况下，调压调频应同时进行，并保持两种比值不变，称为恒压频比调速控制。即常数。详细分析可知，由额定频率往下调时，是能使频率和电压按比例配合调节的；但从额定频率往上调时，必须保持电压不变，此时,f1越高， m越弱，这相当于直流电动机的弱磁调速。异步电动机在额定频率以上调速的，普遍采用这种弱磁调速方法。(3)改变转差率调速转子电路串电阻调速，改变定子电压调速和串级调速等都属于改变转差率调速，其实质就是改变电动机的机械特性调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都把转差功率（sPm）消耗在转子电路里，使电动机的效率降低；而串级调速则能将转差功率大部分反馈给电网，提高经济性能。 第3章 4KW异步电动机的变频调速系统的设计3.1电气控制线路绘制原则电气控制线路图有两种表示方法，一种是电气原理图，一种是电气安装接线图。3.1.1电气原理图电气原理图是根据电路工作原理，用规定的图形符号和文字符号绘制出来的表示各个电器连接关系的线路图。为了简单清楚地表明电路功能，将原理图采用电器元件的形式绘制。 电气原理图根据通过电流的大小可分为主电路和控制电路。主电路即电气一次回路，它用来描述包括电动机、发电机等设备在内的主系统构成及其电气主接线的原理。其特点是相连的电器元件通过的电流较大。控制电路即电气二次回路，包括联锁电路、保护电路、信号电路等，它用来描述主系统各元器件的逻辑控制关系。主要由电器开关、熔断器、接触器、继电器、主令电器等构成。其特点是相连的电器元件通过的电流较小。3.1.2电气安装接线图电气安装接线图是电气原理图的具体实现形式，它是用规定的图形符号按电器元件的实际位置和实际接线来绘制的，用于指导电气设备和电器元件的安装、配线或检修电气故障等。实际工作中，电器安装接线图常与电气原理图结合起来使用。总之，电气安装接线图应画的明确、清楚和容易检查接线有无错误。另外，在实际工作中，往往还要画出电器元件布置图，以利于电器元件之间的接线安排和电器元件的维修与更换。3.2电气原理图的设计3.2.1变频调速系统主回路的设计根据控制要求，在三相交流电源和电动机定子之间加装一台变频器，调节变频器的输出，使电动机定子电压的频率能连续改变，实现电动机的无级调速。本系统采用普通的继电接触控制，因此采用一般设计方法进行设计。(1)接触器的选用。本系统共采用四个交流接触器。用两个接触器KM1、KM2分别对变频调节、工频运行进行控制。接触器KM3、KM4分别对1#、2#电动机的起动进行控制。只有当接触器KM1（或接触器KM2）的线圈通电后，接触器KM3的主触点才能闭合，使得1#电动机可以起动。同理，当接触器KM4的主触点闭合时2#电动机可以起动。(2)自耦调压器的选用。由于在工频额定电压直接起动电动机时，起动电流高达额定电流的4-7倍（约32-56A），会对并在同一电源母线上的其他用电设备有影响。为了防止两台电动机在工频起动时的电流过大，供电线路电压降大，致使电动机所接母线的电压降低，影响其他用电设备的正常运行。在主电路中的工频起动部分接入自耦调压器，利用自耦调压器来调节加在电动机定子绕组上的端电压，限制起动电流。自耦降压起动的优点是不受电动机绕组连接方式的影响，且可按允许的起动电流和负载所需的转矩来选择合适的自耦变压器的抽头，比较灵活。缺点是电动机的转矩与电压的平方成正比，降压起动时虽然起动电流减小，起动转矩也大大减小，带负载能力下降，很难带额定负载起动。所以降压起动时，为了顺利起动并尽量缩短起动时间，电动机一般空载或轻载起动。(3)熔断器和热继电器的选用。主电路中采用一组熔断器，电动机过负载运行或线路发生短路时，通过熔断器的电流升高到一定程度，熔断器自身熔断起到保护电气设备的作用。热继电器是利用电流的热效应而工作的电器。它主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行的保护。主电路如图3-1所示。图3-1 主电路图3.2.2控制电路基本环节的设计本系统控制电路主要包括自锁、互锁、联锁等基本控制环节。如图3-3所示为电动机变频和工频控制线路。(1) 电气联锁控制功能。由于主电路采用了四个接触器，其中通过接触器KM1来接通变频器，接触器KM2接通工频电源（经调压器），接触器KM3和KM4在变频器或调压器接通的情况下来起动电动机。控制电路的工作原理为：需要电动机变频起动时，先按下变频起动按钮SB1，接触器KM1线圈带电，KM1常开主触点闭合，同时其常开辅助触点闭合实现自锁，变频器输入端R、S、T带电；再按下按钮SB3，接触器KM3线圈带电，其常开主触点闭合，同时其常开辅助触点闭合实现自锁,此时1#电动机可以进行变频起动。同理，按下按钮SB4，2#电动机也可以变频起动。(2) 电气互锁控制功能。利用两个接触器的辅助常闭触点互相控制的方式，称为电气互锁。根据控制要求，接触器KM1与KM2互锁；接触器KM3与KM4互锁。1)接触器KM1、KM2在任何情况下都不能同时通电，否则会造成电路短路，为此在工频和变频切换控制部分采取了互锁电路。互锁的具体方式是在变频和工频起动控制线路中，将接触器KM2的常闭触点串入了接触器KM1的线圈电路中，将接触器KM1的常闭触点串入了接触器KM2的线圈电路中，这样任何一个接触器通电后，其自身常闭触点断开。因此，在接触器KM1带电的情况下，即使按下按钮SB2接触器KM1和接触器KM2也不同时接通。2)当变频器故障或不需要对电动机的转速进行控制时，可以按下按钮SB2使接触器KM2线圈带电，工频起动回路接通。此时可以通过自耦调压器来起动电动机。注意，由于所选用的变频器的容量是一台电动机的额定容量，并且西门子M440变频器的工作方式为“一拖一” ，只能对一台电动机进行控制，不能同时对两台电动机进行变频控制。所以1#和2#电动机控制单元增加了电气互锁部分。(3)控制线路的优化根据基本控制要求，先做出电动机变频和工频控制线路的初步设计如图3-2所示。图3-2控制电路图在图3-2中存在一个问题：当电动机需要从变频转换为工频时，必须先按下停止按钮SB0，方可切换到工频状态，是很不方便的。为此，采用复合按钮来实现变频到工频的直接转换，构成既有接触器互锁又有复合按钮互锁的双重互锁可逆控制线路。控制线路的工作过程利用了复合按钮先断后通的特点，如要求电动机由变频工作状态转变为工频时，直接按工频起动按钮SB2，这时SB2的常闭触点先断开，接触器KM1线圈断电，然后其常开触点闭合，接触器KM2线圈通电，其常开主触点及自锁触点闭合，电动机进入工频运行状态。这样的控制线路比较完善，既能实现直接变频状态到工频状态的转换，同样也能实现工频状态到变频状态的转换，又能保证安全可靠的工作。因此，实验台最后所采用的接线为接触器、复合按钮双重互锁。如图3-3所示。图3-3控制电路图(4)控制电路的工作原理简介1)变频控制功能: 按下按钮SB1接触器KM1线圈带电KM1常开触点闭合KM1辅助触点对电路自锁按下按钮SB3接触器KM3线圈带电KM3常开触点闭合KM3辅助触点对电路自锁按下变频器上的启动按钮对变频器的频率进行调节1#电动机的转速随频率改变。2)变频-工频转换功能：变频状态按下按钮SB2复合按钮SB2常闭触点断开接触器KM1线圈失电接触器常闭触点闭合接触器KM2线圈带电自耦调压器带电电动机转为工频运行。3)电动机停止：按下停止按钮SB0控制回路失电各带电接触器线圈失电1#电动机（或2#电动机）停止 。3.3 电气元件安装布置图电气安装布置图是一种采用简化的外形符号(框形符号),表示的屏面设备布置位置简图，它是屏的一种正面视图。这种图是加工制造屏、盘和安装设备的依据，该图与单元接线图相互对应，可供安装，接线，查线及维护管理过程中核对控制屏（控制台）设备的名称、位置、用途及拆装、维修等用。图34是本设计的电气元件安装布置图。图3-4元件安装布置图第4章 变频调速系统元器件的选择.变频器的选择 首先必须充分认识到使用变频器的目的是什么；变频调速系统应用在什么场合及负载特性的具体情况，并从容量、输出电压、输出频率、保护构造、电压频率模式、电网逆变器的切换、瞬停再启动等诸多方面进行综合考虑，进而选择满足要求的 机种、机型。4.1.1容量选择(1)容量的含义变频器的主要技术指标通常以适用电机功率（KW）、输出容量(KVA)额定输出电流(A)表示。其中，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值，不管用于何种用途，都不允许电流连续流过值超过此值。 输出容量：三相情况下的额定输出电压与额定输出电流决定的三相视在功率。表示在输出额定电流以内可以传动的电机功率，适用电机功率是以2、4极标准电机为对象，本系统的电动机是2极鼠笼式电机。变频调速系统能很经济地与鼠笼式异步电动机构成控制调速配合使用。通常将变频器功率选的比实际配用电动机功率大些。(2)根据电机电流选择变频器的容量使用6极以上的电机或多台电机并联运行时，如果仅按电机功率来选择变频器就不太准确，可按以下关系确定变频器的容量 I0nKIm（）式中I0变频器的额定输出电流，AIm-电动机的额定电流，AK-裕度修正系数，如果是小容量电动机时K取1，大容量电动机时K取1.1；并联运转的总台数。使用逆变器传动电机比直接用工频电源接入电机时，产生同样功率时的电机电流有所增加，故用裕度系数K。但对于小容量电机，裕度系数K取1.4.1.2变频器输出电压与输出频率的选择（1）输出电压的选择 变频器输出电压的选择可按电机额定电压选定，对于高压电机，如3KV级的高压电机配用变频器时，可选择变压器进行电压匹配。（2）输出频率变频器的最高输出频率对于不同的机种有不同的值，最高频率有50、60、120、200 H等甚至更高。变频范围在0-50HZ的变频器，一般调速范围在0-之间，大容量的通用变频器均属于此类。最高输出频率超过50HZ以上的变频器，由于输出电压不能超过额定值，因此为恒功率特性，应注意在高速区转矩的减小。进行频率的选择时，根据逆变器的使用目的来确定最高输出频率，选择机种时，可将此作为一个选择根据。（3）4KW异步电动机变频调速系统变频器的选择 1）确定变频器机型。 考虑到电动机主要用于教学实验，一般不过载运行，因此以电动机额定功率为依据，选择通用变频器的额定容量不低于4KW。 根据设计要求，采用电压频率模式。变频器的额定电压为380V，频率调节范围为050HZ基于以上两点，又考虑到本实验系统在将来教学、科研中的进一步开发和有效利用，本调速系统选用西门子M440变频器。2)M440变频器简介 型号 ：MICROMASTER 440 通用型变频器MICROMASTER 440 是适合用于三相电动机速度控制和转矩控制的变频器系列功率范围涵盖120 W 至 200 kW (恒转矩(VT)方式) 或250kW (变转矩 (VT) 方式) 的多种型 号可供用户选用本变频器由微处理器控制并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT 作为功率输出器件，因此它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性，其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER440 变频器具有缺省的工厂设置参数时，它是为简单电动机变速驱动系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后它也适合用于需要多种功能的电动机控制系。MICROMASTER 440 既可用于单机驱动系统也可集成到自动化系统中。4.2 调速系统的构成及其主要设备4.2.1系统的构成系统的构成如下图所示:2号电动机1号电动机涡流测功机涡流测功机电源变频器 图41 调速系统框图调速系统采用的主要设备有三相异步电动机、调压变压器、涡流测功机。其中涡流测功机是三相电动机的同轴负载. 实验室具备这些设备，考虑到经济性、资源的合理利用，无需再重复购买，即选用实验室现有设备。各设备特性如下：(1) 三相异步电动机本次实验采用的三相异步电动机参数如下表表41 三相异步电动机的主要数据型号JO2-32-2额定功率4KW额定频率50HZ额定转速2880转分额定电压380V额定电流8.05A三角形接法E级绝缘；连续工作重量45kg电动机型号的含义 JD2-32-2J-交流异步O-封闭式2-第二次改型设计3机座号2铁芯长度序号2极数(2) 涡流测功机 这种测功机利用涡流产生制动力矩，作为电动机的机械负载，在实验室中应用较为普遍。其优点是读数较为稳定，调节较为方便，也具有较高的准确度。本次实验采用的测功机数据如下：最大转矩 3kg.m；其励磁绕组采用串联连接，最大串联电压为 200V（直流）。在其励磁回路中串联滑动变阻器，利用调节滑动变阻器的电阻值来改变励磁回路电流的大小。滑动变阻器的特性将在下面具体介绍。(3) 三相调压变压器本次实验采用的调压器变压器型号是TSGC-120.5TA。它的作用是防止电动机全压启动，产生较大的启动电流，从而将熔断器熔体熔断，断开电路。它的具体参数如下表表42三相调压器的主要数据最大容量12KVA频率50HZ相数输入输出电压端子电压最大电流端子3380V1-2-30-433V16A4-5-6(4) 滑动变阻器 采用的滑动变阻器特点如下：型号 BX7-16 额定电流IN=1.45A 最大电阻Rmax=300欧.4.2.2主要电气控制设备的选择(1) 开启式负荷开关的选择开启式负荷开关简称刀开关，它结构简单，价格便宜，手动操作，使用于交流频率50HZ额定电压单相220V或三相380V额定电流10A至100A的照明、电热设备及小容量电动机等不需要频繁接通和分断电路的控制线路，并起短路保护作用。开关的选用：刀开关系列开关用于一般的照明电路和功率小于5.5KW的电动机控制线路中，这种开关没有专门的灭弧装置，其刀式动触头和静夹座易被电弧灼伤引起接触不良，因此不易用于操作频繁的电路，具体选用方法如下：1)用于照明和电热负载时，选用额定电压220V或250V，额定电流不小于电路所有负载额定电流之和的两极开关。2）用于控制电动机的直接启动和停止时，选用额定电压380V或500V，额定电流不小于电动机额定电流3倍的三极开关。 HK系列开启式负荷开关的主要技术数据见下表。表43负荷开关的主要技术数据型号极数额定电流（A）额定电压（V）可控制电动机最大容量（KW）220V380VHK1-15215220-HK1-30230220-HK1-60260220-HK1-153153801.52.2HK1-303303803.04.0HK1-603603804.55.5理论上主回路应该选用HK1-30型的负荷开关，考虑到具体情况，所以采用了HK2-303型的负荷开关。 开启式负荷开关的型号及含义如下： HK2-303 HK开启式负荷开关 2设计序号 30额定电流为30A 3三极开关 涡流测功机的直流励磁回路，理论上应该选用两个HK1-15型的负荷开关，考虑到具体情况，实际选用HK2-302型开关一个；HK1-15型开关一个。(2)按钮的选择按钮是一种具有弹簧储能复位功能的机械式控制开关，手动操作，是一种最常用的主令电器。按钮的触头允许通过的电流较小，一般不超过5A，因此，一般情况下，它不直接控制主电路（大电流的电路）的通断，而是在控制回路中发出指令或信号，控制接触器、继电器等电器，再由它们去控制主电路的通断，功能转化和电器联锁。本次设计按如下要求选择按钮：1）按钮嵌装在操作面板上，为垂直安装，所以选择开启式。2）需要显示工作状态，确保工作安全，所以选择光标式。3）由控制电路图可知，每个按钮需要一对常开触点、一对常闭触点。所选择的按钮型号如下：LA39-1 1 D 控制回路电压220V；电流10AL主令电器A按钮39设计序号11对常开触头11对常闭触头D结构形式代号（光标按钮，内有信号灯） 按钮颜色的含义参见下表。表44选择按钮的颜色颜色含义说明应用举例红紧急危险或紧急情况时操作急停黄异常异常情况时的操作干预、制止异常情况干预、重新起动中断了的自动循环绿安全安全情况或正常情况准备时操作起动、接通蓝强制性的要求强制动作情况下的操作复位功能白 赋予特定的含义除紧急以外的一般功能的起动起动接通（优先）停止断开灰起动接通停止断开黑起动接通停止断开（优先）由于实际情况中条件的限制，在选用按钮颜色时虽然未能完全按上述规定选择，但仍能满足设计需要。例如，选用红色代表停止，绿色代表接通1号、2号电动机，黄色代表工频和变频的转换。（3）、电气设备及元器件清单在此次调速系统中用的设备及元器件有三相异步电动机两台,与电动机同轴的涡流测功机,为防止全压启动的三相调压器和控制回路用的接触器, 热继电器等设备.现将各设备及元器件列表如下:表46电气设备及元器件清单序号设备名称型号符号数