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1 電機
1.1 電機設計依據(jù)
電機一般依據(jù)下列技術要求進行設計：
1）電機的類型或用途（電動機、發(fā)電機、特殊用途電機）。
2）與之連接的電系統(tǒng)對電機的要求（電流、電壓、頻率、相數(shù)等）。
3）與之連接的電械系統(tǒng)及工作環(huán)境對電機的要求（幾何尺寸、質(zhì)量、結構及安裝型式、防護類型、冷卻方式、飛逸轉速或超速轉速、轉動慣量等）。
4）額定數(shù)據(jù)， 運行方式和不同用途所要求的各種性能指標（功率、轉速、工作制、效率、功率因數(shù)、起動性能、換向性能、勵磁性能、電壓變化率、電壓波形畸變率、振動與噪聲限值以及電機對無線電干擾的限值等）。
5）電機及各組成部分承受電氣、機械、熱負載的能力（如繞組絕緣等級及各部分溫升限值、繞組絕緣的介電強度、轉子的機械強 度等）。
6）有關國家標準、專業(yè)標準、設計任務書以及用戶提出的其他要求。此外，還應考慮生產(chǎn)的可能性和經(jīng)濟的合理性。
電機常用的國家標準列于下表。
1.2電機設計基本內(nèi)容
電機設計一般包括電磁設計和結構設計兩部分。電磁設計是根據(jù)設計技術要求確定電機的電磁負荷、與電磁性能有關的有效部分的尺寸和繞組數(shù)據(jù)，選定材料，并核算電磁性能及有關參數(shù)。 電機設計一般需要進行多種方案的分析、比較，或采用優(yōu)化設計方法，考慮電機性能、運行費用、制造成本、運行可靠性等因素，決定最優(yōu)的設計。對于生產(chǎn)量大，使用面廣的電機，一般都成系列設計及制造，設計時應充分考慮標準化、通用化、系列化的要求，對于多品種小批量生產(chǎn)的電機產(chǎn)品，應重視模塊化設計。
1.3 電機設計標準值
為了便于計算和對不同設計方案或運行狀態(tài)進行比較，電機設計時通常用標準值表示電機參量。電機 各參量的標幺值為其以物理量單位表示的實際值與所選定的基準值之比?；鶞手档倪x定是任意的，通常選用的各參量的基準值見表5－2。
1.4電機輸出功率的限制
隨著電機單機容量的增長，單位功率的有效材料消耗降低，電機效率提高。提高發(fā)電機的單機容量有很大經(jīng)濟意義，大型設備的電力傳動，也要求電動機單機容量愈來愈大。
大型同步發(fā)電機轉動部件在運行中承受很大的離心力作用，轉子圓周速度受現(xiàn)有材料的強度限制；單機容量受最大轉子直徑的限制；而單位體積容量的增加受到冷卻條件或鐵磁材料飽和的限制。隨著冷卻技術的發(fā)展，單機容量不斷增長。采用超導體作勵磁繞組能大大提高電機的磁負荷，是增加單位體積容量的一個重要途徑。
直流電機單機容量的增加受到允許的電樞圓周速度及換向條件的限制。 異步電動機運行時要從電網(wǎng)吸取無功功率，大容量的電力驅(qū)動采用同步電動機更合理，因而目前生產(chǎn)的異步電動機最大功率約為幾兆瓦。
1.5常用水泵類三相異步電動機
水處理系統(tǒng)中常用的電動機是拖動水泵的三相異步電動機，以某一品牌Y系列的扇冷鼠籠式三相異步電動機為例
Y系列電機是一般用途小型封閉自扇冷鼠籠式三相異步電動機（以下簡稱電機），外殼防護等級為IP44（或1P54、IP55），冷卻方式為IC411
電機的使用條件：環(huán)境空氣溫度隨著季節(jié)而變化，但最高溫度不超過40度。
海拔：不超過1000m；
頻率：50HZ;
電壓：380V（1+/-5%）；
接法：3KW以下，Y型接法；4KW以上，△型接法；
定子繞組溫升（電阻法）：不超過80K，對于F級絕緣電機不超過105K。
2 變頻器
2.1 概述
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。
本資料所述通用變頻器是指適用于工業(yè)通用電機和一般變頻電機、并由一般電網(wǎng)供電(單相220V、三相380V 50Hz)、作調(diào)速控制的變頻器。此類變頻器由于工業(yè)領域的廣泛使用已成為變頻器的主流。調(diào)速的基本原理基于以下公式:
式(1)中: n1—同步轉速(r/min);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
P—磁極對數(shù)。
一般異步電機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系
式(2)中: n—異步電機轉速(r/min);
S—異步電機轉差率。
由(2)式可知，調(diào)速的方法可改變f1、P、S其中任意一種達到，對異步電機最好的方法是改變頻率f1，實現(xiàn)調(diào)速控制。
由電機理論，三相異步電機每相電勢的有效值與下式有關。
式(3)中: E1—定子每相電勢有效值(V);
f1—定子供電電源頻率(Hz);
N1—定子繞組有效匝數(shù);
Фm—定子磁通(Wb)。
由(3)式可分成兩種情況分析:
(1) 在頻率低于供電的額定電源頻率時屬于恒轉矩調(diào)速。
變頻器設計時為維持電機輸出轉矩不變，必須維持每極氣隙磁通Фm不變，從(3)式可知，也就是要使E1/f1=常數(shù)。如忽略定子漏阻抗壓降，可以認為供給電機的電壓U1與頻率f1按相同比例變化，即U1/f1=常數(shù)。
但是在頻率較低時，定子漏阻抗壓降已不能忽略，因此要人為地提高定子電壓，以作漏抗壓降的補償，維持E1/f1≈常數(shù)，此時變頻器輸出U1/f1關系如圖1中的曲線2，而不再是曲線1。
多數(shù)變頻器在頻率低于電機額定頻率時, 輸出的電壓U1和頻率f1類似圖1中曲線2, 并且隨著設置不同, 可改變補償曲線的形狀，使用者要根據(jù)實際電機運行情況調(diào)整。
(2) 在頻率高于定子供電的額定電源頻率時屬于恒功率調(diào)速。
此時變頻器的輸出頻率f1提高，但變頻器的電源電壓由電網(wǎng)電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據(jù)公式(3)，E1不能變，f1提高必然使Фm下降，由于Фm與電流或轉矩成正比，因此也就使轉矩下降，轉矩雖然下降了，但因轉速升高了，所以它們兩的乘積并未變，轉矩與轉速的乘積表征著功率。因此這時候電機處在恒功率輸出的狀態(tài)下運行。
異步電機變頻調(diào)速恒轉矩和恒功率區(qū)域狀態(tài)的特性如圖2所示。
由以上分析可知通用變頻器對異步電機調(diào)速時，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。
而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。
實際上多數(shù)變頻調(diào)速場合是用于額定頻率以下，低頻時采用的補償都是為了解決低頻轉矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術，直接轉矩控制技術以及擬超導技術(森蘭變頻特有專利技術)等等。其作用不外乎動態(tài)地改變低頻時的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，也就是利用電路和電腦技術，實時地而不是固定地改變圖2中曲線1的形狀達到低速時力矩提升，并且穩(wěn)定運行，又不至于電流太大而造成故障。
2.2 主要組成部分
通用變頻器的基本電路如圖3所示，它由4個主要部分組成，分別是:
1—整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?
2—濾波部分，把脈動較大的交流電進行濾波變成比較平滑的直流電;
3—逆變部分，把直流電又轉換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關元件按照控制電路的驅(qū)動、輸出脈沖寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當這種波形的電壓加到負載上時，由于負載電感作用，使電流連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形;
4—控制電路是用來產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅(qū)動信號，這些信號是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護和反饋信號的綜合控制等。
特別要指出的，通用變頻器對負載的輸出波形都是雙極性SPWM波，這種波形可以大幅度提高變頻器的效率，但同時這種波形使變頻器的輸出區(qū)別于正常正弦波, 產(chǎn)生了變頻器很多特殊之處，需要使用者予以重視。雙極性SPWM波如圖4所示, 其中圖4(a)是三角形的載波與正弦形信號進行比較的情形，圖4(b)是比較后獲的SPWM波形。
2.3 變頻器選型：
變頻器選型時要確定以下幾點：
1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。
2) 變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。
3) 變頻器與負載的匹配問題；
I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。
II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。
由于變頻的過載能力沒有電機過載能力強，一旦電機有過載，損壞的首先是變頻器(如果變頻器的保護功能不完善的話);又如果設備上已選用的電機功率大于實際機械負載功率，但是有可能用戶會將把機械功率調(diào)節(jié)到達到電機輸出功率，此時，變頻器一定要可以勝任，也就是說變頻器的功率選用一定要等于或大于電機功率。
個別電機額定電流值較特殊，不在常用標準規(guī)格附近，又有的電機額定電壓低，額定電流偏大，此時要求變頻器的額定電流必須等于或大于電機額定電流。
III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。
4) 在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。
5) 變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。
6) 對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。
2.4 變頻變頻器控制原理圖設計：
1) 首先確認變頻器的安裝環(huán)境；
I.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產(chǎn)品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。
II. 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個問題會比較突出。
III.腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。
IV. 振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問題。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關之類產(chǎn)生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。
V. 電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導致控制單元失靈或損壞。
2) 變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法；
I.變頻器和電機的距離應該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發(fā)射源。
II. 控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。
III.電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為５００ｍｍ。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按９０度角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。
IV. 與變頻器有關的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。
3) 變頻器控制原理圖；
I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當變頻器到電機的距離較遠時，應該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能，但缺相保護卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按照變頻器的容量進行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護代替熱繼電器。
II. 控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時可以手動切工頻運行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。
4) 變頻器的接地；
變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導線的截面不小于4mm，長度不超過5m。變頻器的接地應和動力設備的接地點分開，不能共地。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。
2.4 控制柜設計：
變頻器應該安裝在控制柜內(nèi)部，控制柜在設計時要注意以下問題
1) 散熱問題：變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正?？煽窟\行，必須對變頻器進行散熱我們通常采用風扇散熱；變頻器的內(nèi)裝風扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行；大功率的變頻器還需要在控制柜上加風扇，控制柜的風道要設計合理，所有進風口要設置防塵網(wǎng)，排風通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積；根據(jù)變頻器說明書的通風量來選擇匹配的風扇，風扇安裝要注意防震問題。
2) 電磁干擾問題：
I.變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網(wǎng)絡，從而影響其他儀表。如果變頻器的功率很大占整個系統(tǒng)25%以上，需要考慮控制電源的抗干擾措施。
II.當系統(tǒng)中有高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾而出現(xiàn)保護，則考慮整個系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。
3) 防護問題需要注意以下幾點：
I.防水防結露：如果變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不的有管道法蘭或其他漏點，在變頻器附近不能有噴濺水流，總之現(xiàn)場柜體防護等級要在IP43以上。
II. 防塵：所有進風口要設置防塵網(wǎng)阻隔絮狀雜物進入，防塵網(wǎng)應該設計為可拆卸式，以方便清理，維護。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，防塵網(wǎng)四周與控制柜的結合處要處理嚴密。
III.防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)這種情況比較多見，此時可以將變頻柜放在控制室中。2.5變頻器接線規(guī)范：
信號線與動力線必須分開走線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其它設備的干擾，請將控制變頻器的信號線與強電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線最長不得超過50m。
信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設備的干擾；同時由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產(chǎn)生極強的干擾，因此放置信號線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動力線的徹底分開。
1) 模擬量控制信號線應使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5-7mm左右），同時對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設備接觸引入干擾。
2) 為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。
變頻器的運行和相關參數(shù)的設置：
變頻器的設定參數(shù)多，每個參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數(shù)設置不當，導致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。
控制方式：即速度控制、轉距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進行靜態(tài)或動態(tài)辨識。
最低運行頻率：即電機運行的最小轉速，電機在低轉速下運行時，其散熱性能很差，電機長時間運行在低轉速下，會導致電機燒毀。而且低速時，其電纜中的電流也會增大，也會導致電纜發(fā)熱。
最高運行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高頻率將使電機高速運轉，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉速運行，電機的轉子是否能承受這樣的離心力。
載波頻率：載波頻率設置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關的。
電機參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設定電機的功率、電流、電壓、轉速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機銘牌中直接得到。
跳頻：在某個頻率點上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個裝置比較高時；在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。
2.6 控常見故障分析：
1) 過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加減速時間太短、負載發(fā)生突變、負荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時一般可通過延長加減速時間、減少負荷的突變、外加能耗制動元件、進行負荷分配設計、對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。
2) 過載故障：過載故障包括變頻過載和電機過載。其可能是加速時間太短，電網(wǎng)電壓太低、負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網(wǎng)電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載，也可能是由于機械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器；如后者則要對生產(chǎn)機械進行檢修。
3) 欠壓：說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查后才可以運行。
2.7 控小結：
1) 總之，在設計、安裝、使用變頻器時一定要遵從變頻器使用說明書的指導。
2) 各電氣設計人員，現(xiàn)場電氣調(diào)試人員可以在此基礎上完善此變頻器參考。