异步电动机调速控制电路

根据异步电动机的基本原理可知，交流电动机转速公式如下:

n=(60f /p)(1－s) (2-3)

式中，p——电动机极对数;

f——供电电源频率;

s——转差率。

由式2-3分析，通过改变定子电压频率f、极对数p以及转差率s都可以实现交流异步电动机的速度调节，具体可以归纳为变极调速、变转差率调速和变频调速三大类。下面主要介绍变极调速和变频调速两种。

2.6.1 电动机磁极对数的产生与变化

当电网频率固定以后，三相异步电动机的同步转速与它的磁极对数成反比。因此，只要改变电动机定子绕组磁极对数，就能改变它的同步转速，从而改变转子转速。在改变定子极数时，转子极数也必须同时改变。为了避免在转子方面进行变极改接，变极电动机常用鼠笼式转子，因为鼠笼式转子本身没有固定的极数，它的极数由定子磁场极数确定，不用改接。

磁极对数的改变可用两种方法:一种是在定子上装置两个独立的绕组，各自具有不同的极数;另一种方法是在一个绕组上，通过改变绕组的连接来改变极数，或者说改变定子绕组每相的电流方向，由于构造的复杂，通常速度改变的比值为2∶1。如果希望获得更多的速度等级，例如四速电动机，可同时采用上述两种方法，即在定子上装置两个绕组，每一个都能改变极数。

图2-33为4/2极的双速电动机定子绕组接线示意图。电动机定子绕组有6个接线端子，分别为U1、V1、W1、U2、V2、W2。图2-33(a)是将电动机定子绕组的U1、V1、W13个接线端子接三相交流电源，而将电动机定子绕组的U2、V2、W23个接线端子悬空，三相定子绕组按三角形接线，此时每个绕组中的①、②线圈相互串联，电流方向如图2-33(a)中的箭头所示，电动机的极数为4极;如果将电动机定子绕组的U2、V2、W23个接线端子接到三相电源上，而将U1、V1、W13个接线端子短接，则原来三相定子绕组的三角形连接变成双星形连接，此时每相绕组中的①、②线圈相互并联，电流方向如图2-33(b)中箭头所示，于是电动机的极数变为2极。注意观察两种情况下各绕组的电流方向。

图2-33 4/2级双速电动机定子绕组接线示意图

(a)三角形接法—低速;(b)双星形接法—高速

必须注意，绕组改极后，其相序方向和原来相序相反。所以，在变极时，必须把电动机任意两个出线端对调，以保持高速和低速时的转向相同。例如，在图2-33中，当电动机绕组为三角形连接时，将U1、V1、W1分别接到三相电源L1、L2、L3上;当电动机的定子绕组为双星形连接，即由4极变到2极时，为了保持电动机转向不变，应将W2、V2、U2分别接到三相电源L1、L2、L3上。当然，也可以将其他任意两相对调。

2.6.2 双速电动机控制电路

图2-34为4/2极双速异步电动机的控制电路。图中用了3个接触器控制电动机定子绕组的连接方式。当接触器KM1的主触点闭合，KM2、KM3的主触点断开时，电动机定子绕组为三角形接法，对应“低速”挡;当接触器KM1主触点断开，KM2、KM3主触点闭合时，电动机定子绕组为双星形接法，对应“高速”挡。为了避免“高速”挡启动电流对电网的冲击，本电路在“高速”挡时，先以“低速”启动，待启动电流过去后，再自动切换到“高速”运行。

SA是一个具有3个挡位的转换开关。当扳到中间位置时，为“停止”位，电动机不工作;当扳到“低速”位时，接触器KM1线圈得电动作，其主触点闭合，电动机定子绕组的三个出线端U1、V1、W1与电源相接，定子绕组接成三角形，低速运转;当扳到“高速”位时，时间继电器KT线圈首先得电动作，其瞬动常开触点闭合，接触器KM1线圈得电动作，电动机定子绕组接成三角形低速启动。经过延时，KT延时断开的常闭触点断开，KM1线圈断电释放，KT延时闭合的常开触点闭合，接触器KM2线圈得电动作。紧接着，KM3线圈也得电动作，电动机定子绕组被KM2、KM3的主触点换接成双星形，以高速运行。

图2-34 4/2极双速异步电动机的控制电路

电路的工作过程如下。

(1)转换开关SA位于“低速”位时电路的工作过程如图2-35所示。

图2-35 转换开关SA位于“低速”位

(2)转换开关SA位于“高速”位时电路的工作过程如图2-36所示。

(3)转换开关SA位于“停止”位时，KM1、KM2、KM3、KT线圈全部失电，电动机断电，停止运转。

2.6.3 变频调速控制电路

由式(2-3)可见，改变异步电动机的供电频率，即可平滑地调节同步转速，实现调速运行。变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对鼠笼式异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以逐步得到推广应用。通用变频器的特点是其通用性，它是可以应用于普通的异步电动机调速控制的变频器。

图2-36 转换开关SA位于“高速”位

图2-37 变频器的基本结构原理

1.变频器的基本结构原理

变频器的基本结构由主电路、内部控制电路板、外部接口及显示操作面板组成，软件丰富，各种功能主要靠软件来完成。变频器主电路分为“交－交”和“交－直－交”两种形式。交－交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交－直－交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。目前常用的通用变频器即属于交－直－交变频器，以下简称变频器。变频器的基本结构原理如图2-37所示。

由图2-37可见，变频器主要由主回路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成，介绍如下。

1)整流器

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。

2)中间直流环节

中间直流环节的作用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。当整流电路是电压源时，直流中间电路的主要元器件是大容量的电解电容;而当整流电路是电流源时，平滑电路则主要由大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。

3)逆变器

逆变器是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑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。

4)控制电路

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极(基极)驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。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，并为变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D、D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。

2.变频器的外部接口电路

随着变频器的发展，其外部接口电路的功能也越来越丰富。外部接口电路的主要作用就是为了使用户能够根据系统的不同需要对变频器进行各种操作，并和其他电路一起构成高性能的自动控制系统。变频器的外部接口电路通常包括以下的硬件电路:逻辑控制指令输入电路、频率指令输入输出电路、过程参数监测信号输入输出电路和数字信号输入输出电路等。而变频器和外部信号的连接则需要通过相应的接口进行，如图2-38所示。

图2-38 通用变频器的外部接口示意图

由图2-38可见，外部信号接口主要有以下内容。

1)多功能输入端子和输出接点

在变频器中设置了一些输入端子和输出接点，用户可以根据需要设定并改变这些端子和接点的功能，以满足使用需要。如逻辑控制指令输入端子、频率控制信号输入输出端子等。

2)多功能模拟输入输出信号端子

变频器的模拟输入信号主要包括过程参数，如温度压力等指令及其参数的设置、直流制动的电流指令、过电流检测值;模拟输出信号主要包括输出电流检测、输出频率检测。多功能模拟输入输出信号端子的作用就是使操作者可以将上述模拟输入信号输入变频器，并利用模拟输出信号检测变频器的工作状态。

3)数字输入输出接口

变频器的数字输入输出接口主要用于和数控设备以及PLC配合使用。其中，数字输入接口的作用是使变频器可以根据数控设备或PLC输出的数字信号指令运行，而数字输出接口的作用则主要是通过脉冲计数器给出变频器的输出频率。

4)通信接口

变频器还具有RS－232或RS－485的通信接口。这些接口的主要作用是和计算机或PLC进行通信，并按照计算机或PLC的指令完成所需的动作。

3.应用举例

如图2-39所示为使用变频器举例。此电路实现电动机正反向运行并调速和点动功能。根据功能要求，首先要对变频器编程并修改参数来选择控制端子的功能，将变频器DIN1、DIN2、DIN3和DIN4端子分别设置为正转运行、反转运行、正向点动和反向点动功能。图中KA1为变频器的输出继电器，定义为正常工作时KA1触点闭合，当变频器出现故障时或者电动机过载时触点打开。

图2-39 使用变频器的异步电动机可逆调速控制电路

按启动按钮SB2，接触器触点KM通电并自锁，若变频器有故障则不能自锁。变频器通过接触器触点KM接通电源上电。SB3、SB4为正、反向运行控制按钮，运行频率由电位器Rp给定。SB5、SB6为正、反向点动运行控制按钮，点动运行频率可由变频器内部设置。按钮SB1为总停止控制。