作者：张燕宾
出版社：机械工业出版社
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变频器应用教程(第3版)试读：
前言
当编辑要我撰写《变频器应用教程》第3版时，我的头脑里一片空白。因为再版是需要有相当数量的新内容的，我还能补充些什么呢？
无意间，计算机里“跳”出了一封读者的邮件。这给了我启发，我干脆将近年来读者的问题和意见全部翻了出来，认认真真地阅读起来。读着读着，脑海里竟浮现出了一个词：纲举目张。于是脑海里就翻腾起来了：在每一章每一节，能否都找出“纲”呢？
当我努力为各章找到“纲”时，感觉对许多问题的理解理顺了。再反过来审视原来的书稿时，就觉得有点散，于是决定对全书彻底改写。改写的目的是努力在每一章里找出“纲”来，以帮助读者抓住要点，理出头绪。当然，这种努力只能顺势而为，避免牵强。
我一遍又一遍地梳理着读者的意见，决定在下面两个方面努力改进：
一是修枝强干。“修枝”是删去在实际工作中很少用到的功能，以及作为使用者不必过于深入了解的内容。“强干”就是将每章的核心内容梳理得更加清楚。
二是语言力求更加通俗。有位读者建议在说明一些问题时，希望“多说几句”。我在1965年曾主讲过“样板课”，一位老教师评论说：“整堂课没有半句废话”。我一直以此为荣，写起文章来力求简练。细细想来，如果站在初学者的角度去思考，对于太过简练的语言，的确也很难有所体会。所以决定接受读者的意见，尽量用通俗的语言“多说几句”。但积习难改，能否满足读者的要求，还不敢说。
最后，还要对两篇附录说几句。第2版后面的附录A是应一些中专老师的要求，提供一些实验项目的参考资料。在读者来信中未有反馈意见，这次就保留了下来。附录B原来是介绍几种自制小产品，现在看来似已过时，代之以我的一个小“发明”。
几年前，在为某厂进行龙门刨床的变频改造。在已经调试完毕快要收工时，厂里突然停电，由于刨台的惯性很大，竟滑出了床身。厂里调来了起重机，才把它重新归位。厂领导问，能否在停电时把刨台停住？人们议论纷纷，都停电了，哪里能产生使刨台停住的力量？除非安装电磁制动器。但安装电磁制动器不仅费钱，而且工程十分繁杂。
我经过几天的苦苦思索，终于设计出了一个无触点快速制动电路，十分圆满地解决了问题，后来就制作成了无触点快速制动器。上海的智达公司（美资企业）在万能铣床上试验取得了成功，后又用来控制桥式起重机的精准定位，也取得了成功。曾打算生产，遗憾的是该公司老板不幸因病去世，生产之事未能实现。后来有一位读者用到炼胶机上，也取得了满意的结果。
我深信，这个项目具有十分广泛的用途，值得推广。但我已年迈，无力也无意靠此获利。今公之于众，贡献给有兴趣的读者，希望它能发挥一点作用。
我是一头八旬的老黄牛，能够在有生之年对普及变频调速技术再做一点事情，是我的荣耀，如能及格，则心满意足矣。作者于2019年
第1章 异步电动机的能量传递
1.1 后来居上的异步电动机
在电动机家族里，异步电动机是小弟弟，它的出生比直流电动机晚了几十年。但在电力拖动领域，由于它应用很广，后来居上，将直流电动机远远地抛在了后面。
1.1.1 无与伦比的转子结构
1.三相交流异步电动机的构造
三相交流异步电动机是所有电动机中构造最简单的一种，其基本结构如下：
1）定子 定子铁心由硅钢片叠成，铁心槽中安置三相绕组。所谓三相绕组，就是三组在空间位置上互差2π∕3（120°）电角度的绕组，如图1⁃1a所示。这样的定子结构和同步电动机完全相同，并无优势。图1⁃1 异步电动机的构造a）外形 b）定子 c）笼型转子
2）转子 转子铁心也由硅钢片叠成，铁心槽中安置短路绕组，用得最多的是笼型转子。转子绕组由铜条或铝条构成，两端由铜环或铝环将所有导体短路，如图1⁃1c所示，转子绕组不必和外电路相连。这样的结构，非但简单，并且十分坚固。这是异步电动机在电力拖动领域应用得最多的根本原因。
2.电能转换成磁场能
把时间上互差2π∕3（120°）电角度的三相交变电流通入到空间上也互差2π∕3（120°）电角度的三相绕组中去，所产生的合成磁场的中心线总是和电流达到振幅值的绕组轴线相重合。
当U相电流达到振幅值时，磁场的中心线和U相绕组的轴线重合，如图1⁃2a所示。图1⁃2 三相电动机的旋转磁场a）U相电流达到振幅值 b）V相电流达到振幅值 c）W相电流达到振幅值
当V相电流达到振幅值时，磁场的中心线和V相绕组的轴线重合，如图1⁃2b所示。
当W相电流达到振幅值时，磁场的中心线和W相绕组的轴线重合，如图1⁃2c所示。
三相电流不断地交变着，磁场的中心线就不断地旋转着，形成旋转磁场。旋转的转速称为同步转速。
旋转磁场是由电源提供的三相电流产生的，这说明三相电流在定子铁心里转换成了磁场能。磁场的磁通要穿过空气隙和转子绕组相耦合，又将磁场能传递到了转子。
3.磁场能转换成机械能
旋转磁场被静止的转子绕组切割，转子绕组中将产生感应电动势和感应电流，其方向由右手定则来判定，如图1⁃3a所示。
转子绕组中的电流又和定子的旋转磁场相互作用，产生电磁力和电磁转矩，方向由左手定则决定，如图1⁃3b所示。由图1⁃3可知，电磁转矩的方向和磁场的旋转方向相同。在电磁转矩的作用下，转子将旋转起来。转子就这样地将磁场能转换成了能够旋转的机械能。图1⁃3 异步电动机的旋转原理a）转子绕组切割磁力线 b）产生电磁转矩
因为转子产生感应电动势和感应电流的前提条件是转子绕组必须切割旋转磁场，所以，转子的转速总要低于旋转磁场的转速，故称为异步电动机。
1.1.2 诞生就知变频好
几个基本公式：
1.同步转速
即旋转磁场的转速，计算公式如下：
式中 n——同步转速（r/min）；0
f——电流的频率（Hz）；
p——磁极对数。
式（1⁃1）表明，当电动机的磁极对数一定时，同步转速与电流的频率成正比；而在额定频率下，同步转速与磁极对数的关系见表1⁃1。表1⁃1 同步转速与磁极对数的关系
2.转差
即转子转速与同步转速之差。
Δn=n-n （1⁃2）0M
式中 Δn——转差（r/min）；
n——转子转速（r/min）。M
3.转差率
转差与同步转速之比，称为转差率
式中 s——转差率。
4.转子转速nM
由式（1⁃1）和式（1⁃3）推导如下：
式（1⁃4）告诉我们，改变电流的频率f，就改变了旋转磁场的转速（同步转速），也就改变了电动机输出轴的转速：
f↓→n↓→n↓0M
所以，调节频率可以调速的特点是和异步电动机与生俱来的，如图1⁃4所示。图1⁃4 变频可以调速
1.2 能量传递的平衡关系
自然界做功的过程，永远是施加能源的一方，克服接受能源一方反作用的过程。或者说，施加能源的一方总是在克服反作用的过程中做功。因此，所有做功的过程必存在着施加能源的一方和接受能源的一方之间的平衡关系。
异步电动机的能量传递有3个环节：
定子绕组接受电源功率的环节，是电源在做功，由定子电路完成；定子将能量传递给转子的环节，是磁场在做功，由将定、转子耦合到一起的磁路完成；转子带动负载旋转的环节，是转子的电磁力在做功，并由转子的电磁转矩完成。
电动机的根本任务是让它的转子带动生产机械旋转，从而输出机械能。而转子带动生产机械旋转的能力，来之于转子得到的磁场能。所以磁场能在异步电动机里起着至关重要的作用。
1.2.1 定子建立磁场的平衡关系
1.能量的载体
定子的三相绕组从电源接受电能，是能量的载体。
2.平衡要点
1）作用的一方 是电源电压，它要在定子绕组里产生交变电流，建立交变磁场，如图1⁃5所示。图1⁃5 吸收电功率
2）反作用的一方 定子电流产生的旋转磁场，也要被定子绕组自身所“切割”，并产生感应电动势。因为是定子绕组“切割”了自身产生的磁场，所以是自感电动势，根据楞次定律，自感电动势具有阻碍电流变化的性质。就是说，它的作用是和外加电压相反的，构成了对外加电压的反作用，通常称为反电动势。
3）定子电路做功的标志 定子绕组里通入了定子电流，并建立了旋转磁场。
4）结论 电源电压是在克服定子绕组的反电动势的过程中产生了三相电流的。
3.定子的等效电路
1）等效电路的含义 电动机的结构如图1⁃1所示，要想对其运行过程做定量分析显然是十分困难的。于是，人们找到了一种工具，能够把电动机中能量的动态转换过程用静态电路表达出来，称为等效电路。等效电路是定量分析异步电动机运行状况的重要工具。
2）定子等效电路 因为电动机三相绕组的结构是完全相同的，其三相电流是平衡的。
平衡三相电流在任何瞬间的合成电流都等于0，如图1⁃6a所示。如果将三相绕组联结成星形的话，其中性线里是没有电流的。所以电动机是没有必要接中性线的，如图1⁃6b所示。图1⁃6 电动机的等效电路a）三相合成电流 b）三相电路 c）单相电路
由于电动机的三相电流是平衡的，所以为了简便起见，常用如图1⁃6c所示的一相等效电路来代替。这一相等效电路，是指相线和中性线之间的电路。
3）反电动势 是定子绕组的自感电动势在异步电动机中的称谓。因为和电源电压的作用相反而得名，是磁场得到能量的主要标志。
根据物理学知识，感应电动势的瞬时值和磁通的变化率成正比：
式中 e——感应电动势的瞬时值（V）；——磁通的变化率。
经过推导，得到反电动势有效值的计算公式：
E=KfΦ （1⁃6）Em
式中 E——反电动势的有效值（V）；
K——电动势比例常数；E
f——电流的频率（Hz）；
Φ——磁通的振幅值（Wb）。m
式（1⁃6）表明，反电动势的有效值与频率和磁通振幅值的乘积成正比。
式（1⁃6）还表明，电动机的主磁通与反电动势和频率之间，存在着如下的关系：
式中 Φ——主磁通的有效值（Wb）；1
K——比例常数。Φ
式（1⁃7）表明，在频率相同的前提下，磁通的大小直接由反电动势来反映。
4.电动势平衡方程
1）主磁通和漏磁通根据所起作用的不同，定子磁通分成两个部分：
①主磁通 能够穿过空气隙与转子绕组相连，从而将能量传递给转子的部分，称为主磁通，如图1⁃7a中之Φ所示。对于异步电动机1的定子绕组来说，反电动势仅指由主磁通引起的自感电动势。
②漏磁通 不能穿过空气隙与转子绕组相连，从而不起能量传递作用的部分，称为漏磁通，如图1⁃7a中之Φ所示。漏磁通因为不传0递能量，故在电路中以漏磁电抗的形式出现，如图1⁃7b中之X所1示。
2）电动势平衡方程 图1⁃7b所示，就是定子绕组的等效电路。它表明：当外加电压做功时，一方面要克服反电动势以建立磁场；另一方面还必须克服绕组的电阻和漏磁电抗。所以在稳定状态（电流的有效值不变）下，电动势的平衡方程如下：图1⁃7 定子侧的电动势平衡a）主磁通和漏磁通 b）磁通在电路中的反映
式中——相电压的复数值（V）；——反电动势的复数值（V）；——电流的复数值（A）；
r——定子一相绕组的电阻（Ω）；1
X——定子一相绕组的漏磁电抗（Ω）；1
j——复数算符；——定子一相绕组的阻抗压降（V）。
将式（1⁃8）代入式（1⁃7），得
5.重要结论
式（1⁃9）说明了电动机的磁通和下列因素有关：
1）磁通与电源电压密切相关 电源是电动机能量的根本来源。所以电源电压的波动或变化，将直接影响磁通的变化。
2）磁通和电源频率成反比 频率降低时，反电动势减小，磁通将增加。
3）磁通和阻抗压降有关 当负载转矩不变时，定子绕组的阻抗压降是基本不变的。电源电压较高时，阻抗压降因所占比例较小，常被忽略；但在电源电压较低时，其作用不可小视。
1.2.2 磁场传递能量的平衡关系
如前述，定子从电源吸取的能量建立了磁场，又通过磁的耦合，将能量传递到了转子。转子在得到能量的过程中，也必然存在着动态的平衡关系。
1.能量的载体
电动机的磁路，由定子铁心、转子铁心和空气隙构成，如图1⁃8a所示。图1⁃8 定子和转子电流的磁通a）电动机的磁路 b）转子磁动势的去磁作用
2.平衡要点
1）作用的一方 定子电流的磁动势。
2）反作用的一方 当转子绕组里产生感应电流时，根据楞次定律，它要阻碍定子磁通的变化，所以转子绕组的磁动势是反作用的一方，如图1⁃8b所示。
3）做功的标志 磁路内有磁通，使转子得到了磁场能。
3.转子绕组的等效电路
在分析整台电动机的运行状况时，必须把定、转子电路综合到一起。但笼型异步电动机的转子绕组，由n根“笼条”构成，每一根“笼条”为“一相”，故转子电路是n相电路，如图1⁃9a所示。这样的电路，是难以和定子电路进行比较和联系的。为此，必须把实际的转子电路变换成能够和定子电路进行比较和联系的等效电路。图1⁃9 转子电路的等效变换a）笼型转子 b）多相-三相变换 c）动-静变换
习惯上，凡等效电路中的参数，都缀以“′”，如E′、I′、r′等。222
为了得到和定子电路相联系的等效电路，需要进行两个变换：
1）相数变换 转子的n相电路与定子的三相电路是无法统到一起的。因此，必须用一个等效的三相绕组去代替n相绕组，如图1⁃9b所示。在这里，等效的条件是由等效三相绕组所得到的功率，必须和原来的n相绕组得到的总功率相等，如图1⁃9b所示。
2）动静变换 因为转子是旋转的，它输出的是电磁转矩T和转速Mn，输出功率是机械功率P：MM
式中 P——电动机的输出功率（kW）；M
T——电动机的电磁转矩（N·m）；M
n——电动机轴上的转速（r/min）。M
所谓“动-静变换”，就是将旋转的、输出机械能的转子等效地变换成静止的“转子电路”。具体方法：
因为机械功率P是有功功率，所以在静止的等效电路里必须也M加入一个等效的有功元件R，条件：L
在R上所消耗的有功功率应该和电动机输出的机械功率相等，L如图1⁃9c所示。
式中 I′——等效电路中，转子的相电流（A）；2
R′——与机械负载等效的电阻（Ω）。L
3）一相等效电路 和定子相仿，因为三相电路是对称的，所以在分析时可以只拿一相来进行观察。转子的一相等效电路如图1⁃10所示。
图1⁃10中，E′为转子每相等效绕组的感应电动势，也是转子绕2组得到的“电源”（V）；
r′为转子每相等效绕组的电阻（Ω）；2图1⁃10 转子的一相等效电路
X′为转子每相等效绕组的漏磁电抗（Ω）；2
R′为机械负载在转子每相等效绕组中的等效电阻（Ω）；L
I′为转子等效绕组中的相电流（A）。2
4.磁动势的平衡
因为磁通是由磁动势产生的，所以定、转子双方的磁场能量，可以用磁动势来表示：
IN为定子电流的磁动势（N是定子每相绕组的匝数）；111
I′N为转子等效电流的磁动势。21
定子电流的磁动势是克服了转子电流的反磁动势而产生磁通并传递能量，如图1⁃11a所示。定、转子磁动势之间，也有一个平衡方程：
式中——励磁磁动势，用于产生磁通。图1⁃11 磁动势的平衡a）磁动势 b）电流平衡 c）电流相量图
式（1⁃12）中的N可以约去，得到定、转子电流间的关系如图11⁃11b所示。
式（1⁃12）和式（1⁃13）称为磁动势平衡方程。式（1⁃12）又可以改写为
5.重要结论
式（1⁃14）表明，定子电流由两部分组成：
1）转矩分量是直接用于产生电磁转矩的分量。
2）励磁分量用于产生磁场能，其大小还和磁路的饱和程度有关。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]