电气控制(三章)

第3章 电机调速基本控制线路
负载不变，人为调节转速的过程称为调速。通过改变传动 机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而 改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。 调速的意义主要体现在以下三个方面： (1)提高产品质量。 (2)提高工作效率。 (3)节约能源。 根据原动机的不同，调速分交流调速和直流调速两种。 交流电动机应用广泛的主要是三相异步电动机，根据三相 异步电动机的转速公式： n=(1-s)60f / p 可知，三相异步电动机的调速方法有：改变电动机定子绕 组的磁极对数P；改变电源频率f；改变转差率S三种。其中改变 转差率的方法可通过调定子电压、转子电阻以及采用串级调速、 电磁转差离合器调速等来实现。
图3.1.11 电 磁调速异步 电动机的控 制线路
3.2 三相异步电动机的变频调速技术 异步电动机变频调速所要求的变频电源有两种取得方法。 方法之一是变频机组，变频机组由直流电动机和交流发电机组 成，调节直流电动机转速就能改变交流发电机的频率；方法之 二是变频器，即静止变频装置。 3.2.1变频器的结构及分类 变频器结构如图3.2.1所示。
图3.2.3 台达M系列变频器在车床主轴上的外部接线图
3.3 直流电动机的控制电路 直流电动机按励磁方式可分为他励、并励、串励和复励。其 中他励为电枢电源与励磁电源分别独立的直流电机；并励、串励 和复励为电枢电源与励磁电源由一个电源供电时的直流电机。 3.3.1 直流电动机的基本控制线路 1.他励直流电动机的启动控制线路 直流电动机启动特点之一是启动冲击电流大，故在直流电动 机的启动时，必须限制启动电流。通常规定：直流电动机的电枢 瞬时电流，不得大于其额定电流的1.5～2.5倍。另一特点是他励和 并励直流电动机在弱磁或零磁时会产生飞车现象，因而在施加电 枢电源前，应先接入或至少同时施加额定励磁电压，此外，励磁 回路中应有欠磁保护。 限制启动电流的方法有减小电枢电压和电枢回路串电阻两种。 图3.3.1所示为他励直流电动机电枢回路串两级电阻按时间原则启 动控制电路。图中KI1为过电流继电器，KM1为启动接触器，KM2、 KM3为短接启动电阻接触器，KT1、KT2为断电延时时间继电器， KI2为欠电流继电器，R3为放电电阻。
图3.2.1变频器的基本组成
1.变频器结构 通常三相变频整流电路由三相全波整流桥组成，主要作 用是对工频交流电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提 供所需要的直流电源。直流中间电路是对整流电路的输出进 行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直 流电源。 逆变电路是变频器最主要部分之一。它的主要作用是在 控制电路的控制下将中间电路输出的直流电源转换为频率和 电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的 输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门 极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几部分，也是变 频器的核心部分。控制电路的主要作用是将检测电路得到的 各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器 主电路提供必要的门极(基极)驱动信号，并对变频器以及异 步电动机提供必要的保护。
2.变频器类型 1）变频器按其结构型式可划分为交—直—交变频器和 交—交变频器两类。 2）变频器按电源性质又可划分为电压型变频器和电流型 变频器两类。电压型变频器又称电压源变频器，具有电压源 特性，如图3.2.2(a)所示。而电流型变频器，又称电流源变频 器，具有电流源特性，如图3.2.2(b)所示。
(a) 4极接线 (b) 2极接线 图3.1.3 4/2极双速电动机Y/YY接线图
2. △/YY连接双速电动机控制线路 1）接触器控制双速电动机控制线路 用按钮和接触器控制双速电动机的控制 线路如图3.1.4所示。图(a)为主电路，KM1为 低速接触器，KM2、KM3为高速接触器。 KM1动作，绕组接成三角形为低速；KM2、 KM3动作，绕组接成双星形为高速。 2）时间继电器自动控制双速电动机的控 制线路 时间继电器自动控制双速电动机的控制 线路如图3.1.5所示。图中SA是具有三个接点 的旋钮开关。
3.1.10 爪极式转差离合器结构示意图
电磁转差离合器的磁极转速与励磁电流的大小有关。励磁 电流越大，建立的磁场越强，在一定转差率下产生的转矩越大。 当负载一定时，励磁电流不同，转速就不同，只要改变电磁转 差离合器的励磁电流，即可调节转速。
2.电磁调速异步电动机的控制线路 图3.1.11为电磁调速异步电动机的控制线路。
(a) 4极接线 (b) 2极接线 图3.1.2 4／2极双速电动机△／YY接线图
2）Y/YY连接 图3.1.3(a)将绕组的U1、V1、W1三个端钮接三相电源，将U3、 V3、W3三个端钮悬空，三相定子绕组接成星形。这时，每相 两个半绕组串联，电动机以4极运行为低速。 图3.1.3(b)将U3、V3、W3三个端钮接三相电源，U1、V1、 W1连成一点，三相定子绕组接成双星形。这时，每相两个半 绕组并联，电动机以2极运行为高速。 由于△/YY连接，虽转速提高一倍，但功率提高不多，属 恒功率调速(调速时，电动机输出功率不变)，适用于金属切削 机床；Y/YY连接，属恒转矩调速(调速时，电动机输出转矩不 变)，适用于起重机、电梯、皮带运输机等。 应当注意，变极调速有“反转向方案”和“同转向方案” 两种方法。若变极后电源相序不变，则电动机反转高速运行； 若要保持电动机变极后转向不变，则必须在变极同时改变电源 相序。
图3.1.8 采用KT14-25J／1型凸轮控制器控制电动机正反转和调速控制线路
3.1.3 电磁调速异步电动机的控制线路 1.电磁调速系统的组成和工作原理 图3.1.9为电磁调速异步电动机调速系统，它由异步电 动机、电磁转差离合器、晶闸管励磁电源及其控制部分 组成。 晶闸管直流励磁电源给电磁转差离合器提供励磁电流， 通过改变电磁转差离合器的励磁电流即可实现调速之目 的。
3.1.1三相笼型异步电动机的变极调速控制线 路 变极调速有两种方法：第一种，改变定子绕组 的连接方法；第二种，在定子上设置具有不同极对 数的两套互相独立的绕组。 改变定子绕组连接来达到改变电动机极对数的 原理，可以利用电流产生磁场的现象来清楚地说明。 如图3.1.1分别表示定子一相绕组两个线圈相互串联 和并联时的两种不同的磁场，线圈中电流的方向如 图所示。根据右手螺旋定则，可判断磁场的方向， 并且得出磁极的对数。从图中看出，定子一相绕组 的两线圈串联时，磁场具有四个极：S、N，S、N 即两对磁极，而定子一相绕组的两个线圈相互并联 时，磁场具有两个极S、N即一对磁极。
（a）两线圈串联
（b）两线圈并联
图3.1.1一相绕组两线圈串联、并联后产生的磁场
1. 双速电动机的接线方式 1）△/YY连接 图3.1.2(a)将绕组的U1、V1、W1三个端钮接三相电源，将U3、 V3、W3三个端钮悬空，三相定子绕组接成三角形。这时每相两 个半绕组串联，电动机以四极运行为低速。 图3.1.2(b)将U3、V3、W3三个端钮接三相电源，U1、V1、W1 连成一点，三相定子绕组接成双星形。这时，每相两个半绕组 并联，电动机以两极运行为高速。
直流电动机的转速表达式为: n = (U-IR) / Ceφ 其中U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢回路总 电阻，Φ为励磁磁通，Ce为由电机结构决定的电动势常 数。由转速表达式可知，直流电动机调速方法有：调节 电枢电压U的调速，减弱励磁磁通Φ的调速，改变电枢 回路电阻R的调速。对于要求在一定范围内平滑调速的 系统，调节电枢电压的调速方法最好。改变电枢电阻只 能是有级调速，减弱磁通虽然可实现无级平滑调速，但 调速范围不大；通常只是配合调压调速，在基速(即电动 机额定转速)以上作小范围的升速。故直流电动机的调速 往往以变压调速为主。 3.1 三相异步电动机的基本调速控制线路 由上述可知，三相异步电动机有三种调速方法，即 变极调速、变频调速、改变转差率调速。本节分别介绍 几种常用的异步电动机调速控制线路。
图3.1.4 接触器控制双速电动机控制线路
图3.1.5 时间继电器自动控制双速电动机的控制线路
3. 三速电动机的控制 三速电动机定子有两套绕组，其中一套变极绕组通过 △／YY连接变更极数，设在三角形连接为8极，双星形连 接为4极；另一套单独绕组为6极，这样电动机就有了8、6、 4三个磁极的转速。低速和高速时与双速电动机一样，定 子绕组采用一套双速绕组，能实现△/YY两种连接方式， 获得高、低两种运行速度，中速时采用另一套星形联结绕 组，定子绕组连接如图3.1.6所示。为避免定子绕组出现内 部环流，使用双速绕组时，将U2与V1端子连接在一起，使 用中速绕组时，将双速绕组的U2与V1端子分开。 图3.1.7是三速电动机变极调速控制电路，主电路 KM1(4个主触点)构成低速的三角形联结，KM2构成中速星 形联结，KM3、KM4构成高速双星形联结。控制电路中 SB1、SB2、SB3分别为低、中、高速起动按钮，SB4为停止 按钮。电路采用接触器动断触点互锁，防止主电路出现短 路故障。
(b)低速三角形连接
(a)中速星型连接 (c)高速双星型连接动机变极调速控制电路
3.1.2 绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制 线路 绕线式异步电动机可采用转子回路串电阻的方 法来实现变差(指转差率S的改变)调速。电动机的转 差率S随着转子回路所串电阻的变化而变化，使电 动机工作在不同的人为特性上，以获得不同转速， 从而实现调速的目的。通常，采用凸轮控制器来实 现绕线式异步电动机的调速控制。目前，在起重机、 吊车等一类的生产机械上普遍采用。 图3.1.8所示为用KT14-25J／1型凸轮控制器控 制的绕线式异步电动机的正反转和调速控制线路。 在电动机M的转子回路中，串接三相不对称电阻， 用于启动和调速。转子回路的电阻和定子电路相关 部分与凸轮控制器的各触点连接，通过凸轮控制器 触点来换接电动机定子电源相序和切除电阻，实现 电动机正反转和调速的控制。
图3.1.9 电磁转差调速电动机调速系统图
图3.1.10所示为爪极式转差离合器结构示意图，电磁转差 离合器由电枢和磁极两部分组成，两者之间无机械联系，均可 自由旋转。电枢由异步电动机带动，称为主动部分；磁极用联 轴节与负载相联，称为从动部分。电枢用整块的铸钢制成，形 状像一个杯子，没有绕组。磁极则由铁心和绕组组成，绕组由 晶闸管整流电源提供励磁电流。电磁转差离合器结构形式有多 种，应用较多的是磁极为爪极的形式。 异步电动机旋转时，带动电磁转差离合器电枢旋转，此时 若励磁绕组中没有加入励磁电流，则磁极与负载不转动。若加 入励磁电流，则电枢中产生涡流，涡流与磁极的磁场作用产生 电磁力，使爪形磁极在电磁转矩作用下跟着电枢同方向旋转。 由上可知，无励磁电流时，爪极不会跟随电枢转动，相当 于电枢与爪极“离开”，当给爪极加入励磁电流时，磁极即刻 跟随电枢旋转，相当于电枢与爪极“合上”，故称为“离合 器”。又因它是根据电磁感应原理工作的，爪极与电枢之间必 须有转差才能产生涡流与电磁转矩，故又称“电磁转差离合 器”。