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《电气自动化新技术丛书》序言1

第4届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话1

第3版前言1

第2版前言1

第1版前言1

常用物理量符号1

缩写符号1

绪论1

第1章 预备知识4

1.1 电力拖动系统的工作要点4

1.1.1 电力拖动系统的构成4

1.1.2 电力拖动系统的稳定运行状态4

1.1.3 电动机和负载的机械特性5

1.1.4 电力拖动系统的瞬态过程7

1.1.5 电力拖动系统的功率计算和传递8

1.1.6 电力拖动系统的折算10

1.2 调速问题综述11

1.2.1 调速的概念11

1.2.2 调速的意义12

1.2.3 调速的主要指标12

1.3 他励直流电动机概述13

1.3.1 基本结构和电路14

1.3.2 他励直流电动机的机械特性15

1.3.3 他励直流电动机的调速17

1.4 笼型异步电动机概述20

1.4.1 基本结构20

1.4.2 异步电动机的旋转原理21

1.4.3 异步电动机的调速问题22

1.5 异步电动机的转子电动势、电流和电磁转矩23

1.5.1 转子电动势的波形和频率23

1.5.2 转子电动势的空间分布25

1.5.3 转子的电流、磁场和电磁转矩26

1.6 异步电动机的等效变换29

1.6.1 动/静变换29

1.6.2 磁/电变换31

1.6.3 电动机的平衡方程和能量传递过程的关系36

1.7 异步电动机的机械特性38

1.7.1 电磁转矩公式38

1.7.2 自然机械特性38

1.7.3 能量图及其与机械特性的对应关系40

1.8 异步电动机工作状况的基本分析方法42

1.8.1 概述42

1.8.2 电压变化时电动机工作状态的变化（以电压升高为例）43

1.8.3 负载变化时电动机工作状态的变化（以负载增加为例）45

1.9 异步电动机的制动46

1.9.1 再生制动46

1.9.2 直流制动（能耗制动）48

1.9.3 反接制动49

1.10 异步电动机的基本关系小结51

1.10.1 功率关系51

1.10.2 电压关系52

1.10.3 电流关系53

第2章 变频调速的基础知识55

2.1 概述55

2.1.1 变频调速原理55

2.1.2 变频器的类别56

2.1.3 变频器的额定值和频率指标57

2.2 交-直-交变频器的主电路59

2.2.1 交-直部分59

2.2.2 直-交部分60

2.2.3 制动电阻和制动单元62

2.3 逆变桥的工作原理62

2.3.1 单相逆变桥62

2.3.2 三相逆变桥63

2.4 变频与变压（VVVF）65

2.4.1 变频调速时出现的新问题65

2.4.2 变频也变压67

2.5 VVVF的实施68

2.5.1 两种基本的调制方法68

2.5.2 正弦波脉宽调制（SPWM）70

2.5.3 SPWM的电流波形72

2.6 变频后的机械特性73

2.6.1 变频后的转矩公式73

2.6.2 ku＝kf<1时的机械特性75

2.6.3 kf>1时的机械特性77

2.7 V/F控制79

2.7.1 V/F控制的概念79

2.7.2 V/F控制功能80

2.7.3 V/F控制时的电流曲线81

2.8 矢量控制概述85

2.8.1 由直流电动机引发的思考85

2.8.2 产生旋转磁场的几种方法85

2.8.3 磁场的等效变换88

2.8.4 矢量控制的基本构思89

2.9 拟超导技术概述91

2.9.1 电阻压降对机械特性影响的回顾91

2.9.2 拟超导技术的指导思想91

2.9.3 拟超导技术的实施93

2.10 逆变器件简介94

2.10.1 SCR和GTO晶闸管94

2.10.2 电力晶体管（GTR）96

2.10.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）99

2.10.4 智能模块（IPM）101

2.11 变频器各部分的功率和电流102

2.11.1 各部分的功率102

2.11.2 变频器的输出电流103

2.11.3 变频器的直流电流104

2.11.4 变频器的输入电流105

2.11.5 归纳105

第3章 变频器的运行功能106

3.1 工作频率的给定106

3.1.1 频率的给定方法106

3.1.2 变频器的外接给定配置106

3.1.3 外接电位器的选择107

3.2 外接给定时的频率给定线108

3.2.1 频率给定线108

3.2.2 频率给定线的预置109

3.2.3 几个实例109

3.3 与工作频率有关的功能111

3.3.1 基本频率和最高频率111

3.3.2 上限频率和下限频率111

3.3.3 回避频率111

3.3.4 点动频率113

3.3.5 载波频率设定113

3.4 变频调速的升速和起动114

3.4.1 升速时间114

3.4.2 升速方式115

3.4.3 与起动有关的其他功能117

3.5 变频调速的降速和制动119

3.5.1 变频调速系统的降速特点119

3.5.2 降速时间和降速方式120

3.5.3 直流制动121

3.5.4 电源再生单元122

3.5.5 停机方式的选择功能122

3.6 V/F控制的设定功能123

3.6.1 基本U/f设定123

3.6.2 转矩补偿的U/f设定124

3.7 转差补偿、矢量控制、自动电压调整等功能的设定126

3.7.1 转差补偿功能126

3.7.2 矢量控制的设定127

3.7.3 自动电压调整（AVR）功能129

3.8 轻载时的节能运行129

3.8.1 “大马拉小车”现象129

3.8.2 变频引起的“大马拉小车”130

3.8.3 节能运行功能要点131

3.8.4 节能运行的设定132

3.9 摆频功能和闭环控制功能133

3.9.1 摆频功能133

3.9.2 闭环控制功能134

3.10 转矩控制功能135

3.10.1 转矩控制功能的含义135

3.10.2 转矩控制功能的应用136

3.10.3 转矩控制功能的预置136

3.11 变频器的外接控制功能137

3.11.1 外接控制的电路结构137

3.11.2 外接控制端的配置和工作特点138

3.11.3 多档转速控制139

3.11.4 程序控制141

3.11.5 其他功能控制端142

3.12 外接输出信号端143

3.12.1 外接输出信号的项目143

3.12.2 外接输出信号端的配置144

第4章 变频器的保护、显示和预置146

4.1 过电流保护功能146

4.1.1 过电流的原因146

4.1.2 变频器对过电流的处理147

4.2 过载保护功能148

4.2.1 电动机的允许持续电流和工作频率的关系148

4.2.2 电子热保护器的反时限特性149

4.2.3 电子热保护功能和热继电器的比较151

4.3 电压保护功能152

4.3.1 过电压保护152

4.3.2 欠电压保护153

4.4 瞬时停电的处理154

4.4.1 突然停电对变频器的影响和对策154

4.4.2 对变频器瞬时停电的处理155

4.5 其他保护功能157

4.5.1 过热和接地保护157

4.5.2 变频器内部的工作错误保护157

4.5.3 外接保护信号的输入158

4.6 故障的处理158

4.6.1 故障的处理过程158

4.6.2 重合闸功能159

4.7 变频器的显示功能160

4.7.1 发光二极管显示160

4.7.2 数据显示屏161

4.7.3 液晶显示屏161

4.7.4 外接仪表显示163

4.8 变频器的功能预置164

4.8.1 功能预置的概念164

4.8.2 变频器的键盘配置166

4.9 变频器的键盘配置和预置流程举例167

4.9.1 键盘配置167

4.9.2 功能预置流程167

第5章 变频调速拖动系统的设计169

5.1 概述169

5.1.1 设计任务和已知条件169

5.1.2 电动机的主要类别170

5.1.3 变频器的主要类别171

5.2 负载的机械特性172

5.2.1 恒转矩负载172

5.2.2 恒功率负载173

5.2.3 二次方律负载174

5.2.4 其他类型的负载175

5.3 负载的飞轮力矩177

5.3.1 描述惯性大小的物理量177

5.3.2 飞轮力矩的简易测定法178

5.4 负载的工作方式179

5.4.1 连续负载179

5.4.2 间断负载180

5.5 异步电动机在变频调速时的带负载能力181

5.5.1 电动机在变频时的有效转矩和有效功率181

5.5.2 fX≤fN时的带负载能力182

5.5.3 fX>fN时的带负载能力185

5.6 恒转矩负载的变频调速185

5.6.1 恒转矩负载实现变频调速的主要问题185

5.6.2 调速范围和传动比187

5.6.3 传动比的选择举例188

5.7 恒功率负载的变频调速189

5.7.1 恒功率负载实现变频调速的主要问题189

5.7.2 减小容量的对策191

5.8 二次方律负载的变频调速193

5.8.1 二次方律负载实现变频调速的主要问题193

5.8.2 二次方律负载采用变频调速的其他要点195

5.9 特殊电动机的变频调速196

5.9.1 双速电动机的变频调速196

5.9.2 齿轮减速电动机的变频调速197

5.9.3 绕线转子异步电动机的变频调速198

5.9.4 电磁制动电动机的变频调速199

5.9.5 一台变频器带多台电动机200

5.10 调速系统中的基本关系201

5.10.1 功率之间的关系201

5.10.2 转矩之间的关系202

5.10.3 容易出现的误区203

5.11 变频器容量的选择206

5.11.1 电动机与变频器的额定电流206

5.11.2 必须加大变频器容量的场合208

5.11.3 轻载电动机的变频器容量209

第6章 变频器的安装和使用211

6.1 变频器的安装211

6.1.1 变频器对安装环境的要求211

6.1.2 变频器的散热问题概述211

6.1.3 变频器的发热与散热212

6.1.4 安装变频器的具体方法和要求212

6.2 变频器的接线214

6.2.1 主电路的接线214

6.2.2 控制电路的接线216

6.2.3 变频器的接地217

6.3 变频器的功率因数及其改善218

6.3.1 变频器的输入电流218

6.3.2 变频器输入电路的功率因数219

6.3.3 改善功率因数的方法220

6.4 变频器的抗干扰221

6.4.1 外界对变频器的干扰221

6.4.2 变频器的干扰和传播222

6.4.3 变频器的抗干扰措施222

6.5 变频器的外围选配件225

6.5.1 电抗器225

6.5.2 线路抗干扰滤波器226

6.6 变频器的测量227

6.6.1 常规测量的适用范围227

6.6.2 输出电压的测量229

6.6.3 绝缘电阻的测量231

6.7 变频调速系统的调试231

6.7.1 变频器的通电和预置232

6.7.2 电动机的空载试验232

6.7.3 拖动系统的起动和停机232

6.7.4 拖动系统的负载试验233

6.8 故障原因分析233

6.8.1 过电流跳闸的原因分析233

6.8.2 电压跳闸的原因分析234

6.8.3 电动机不转的原因分析234

第7章 变频调速的实用电路基础236

7.1 变频调速的主电路236

7.1.1 变频调速主电路的构成236

7.1.2 主要电器的功用和选择236

7.2 制动电阻和制动单元237

7.2.1 制动转矩的计算237

7.2.2 制动过程对泵升电压的影响238

7.2.3 制动电阻值的确定239

7.2.4 制动电阻容量的确定240

7.2.5 制动电阻的保护242

7.2.6 制动单元的构成和设计242

7.3 变频调速的基本控制电路244

7.3.1 正转运行的控制电路244

7.3.2 正、反转运行的控制电路246

7.4 升、降速端子及其常用控制电路248

7.4.1 升、降速输入端子248

7.4.2 应用举例249

7.5 变频器的故障切换控制251

7.5.1 切换控制的主电路252

7.5.2 切换控制电路举例252

7.6 变频调速的PID控制254

7.6.1 概述254

7.6.2 PID调节功能255

7.7 可编程序控制器（PLC）应用简介259

7.7.1 PLC控制电路的基本构成259

7.7.2 PLC内的常用“软继电器”和器件261

7.7.3 PLC的梯形图和编程语言263

7.8 由PLC控制的各种电路265

7.8.1 正转控制电路265

7.8.2 正、反转控制电路268

7.8.3 与工频的切换电路269

7.8.4 多档转速控制271

第8章 风机和水泵的变频调速276

8.1 风机的变频调速276

8.1.1 风机调速的开环控制276

8.1.2 风机调速用于恒温控制278

8.1.3 冷却塔风机的控制280

8.1.4 风机的切换电路282

8.2 水泵的变频调速284

8.2.1 水泵装置的基本模型及参数284

8.2.2 水泵装置的主要特性286

8.2.3 水锤效应288

8.2.4 水泵变频调速的功能预置290

8.3 水泵的取水装置290

8.3.1 取水泵站的作用与特点290

8.3.2 控制要点292

8.3.3 控制框图293

8.4 水泵的供水装置294

8.4.1 恒压供水的目的294

8.4.2 恒压供水的简单控制294

8.4.3 恒压供水的PID控制295

8.5 供水系统的专用功能298

8.5.1 暂停功能298

8.5.2 多台水泵的切换功能301

8.5.3 供水定时控制功能307

8.6 中央空调的循环水控制系统309

8.6.1 中央空调系统的构成309

8.6.2 冷却水系统的变频调速310

8.6.3 冷冻水系统的变频调速312

第9章 起重机械和电梯的变频调速314

9.1 概述314

9.1.1 起重机械的负载特点314

9.1.2 起重机械的调速方法和节能比较315

9.1.3 起重机械变频调速系统要点317

9.2 电动机的工作状态318

9.2.1 起升机构的主要特点318

9.2.2 起升过程中的电动机工作状态319

9.2.3 与原拖动系统的比较321

9.3 再生电能的处理322

9.3.1 能耗电路及其计算322

9.3.2 电能的反馈323

9.4 溜钩的防止324

9.4.1 产生溜钩的原因和危害324

9.4.2 变频调速系统中的防溜钩措施325

9.5 桥式起重机的变频调速327

9.5.1 桥式起重机拖动系统的构成327

9.5.2 采用变频调速的基本考虑328

9.6 电梯的变频调速329

9.6.1 电梯拖动系统的基本构成和工作过程329

9.6.2 电梯的运行特点330

第10章 金属切削机床的变频调速334

10.1 机床拖动系统的主要特点334

10.1.1 概述334

10.1.2 主运动的负载性质335

10.2 普通车床的实例和基本数据335

10.2.1 普通车床的大致构造和拖动系统335

10.2.2 实例和基本数据336

10.3 变频调速拖动系统的计算338

10.3.1 决定频率范围338

10.3.2 确定传动比338

10.3.3 电动机容量不变的可行性核算339

10.4 龙门刨床的构造和工作特点340

10.4.1 龙门刨床的基本结构340

10.4.2 龙门刨床的主运动341

10.4.3 刨台运动的机械特性342

10.5 刨台运动的变频调速344

10.5.1 变频调速的机械特性344

10.5.2 变频调速方案的设计要点345

10.5.3 采用变频调速的主要优点345

10.6 刨台往复运动的控制346

10.6.1 往复指令和电路346

10.6.2 刨台控制的梯形图347

第11章 其他机械的变频调速352

11.1 带式输送机的变频调速352

11.1.1 带式输送机的负载性质和主要类别352

11.1.2 带式输送机的变频调速要点353

11.1.3 向下输送时的拖动特点354

11.1.4 间歇输送的拖动要点355

11.2 印染机械的同步控制（以轧染机为例）356

11.2.1 轧染机对调速控制的要求356

11.2.2 变频器的同步控制方案357

11.2.3 同步控制的实施358

11.3 卷绕化纤丝的摆频控制360

11.3.1 基本工况360

11.3.2 变频器容量的确定360

11.3.3 变频器的功能设定要点361

11.4 薄膜的卷绕控制362

11.4.1 薄膜卷绕的工作特点与要求362

11.4.2 恒张力控制的方法364

11.5 家用电器的变频调速365

11.5.1 变频调速系统的特点365

11.5.2 各种家用电器采用变频调速后的主要特点367

第12章 变频调速若干问题的探讨368

12.1 变频调速的再生制动解析368

12.1.1 电动状态的基本特点368

12.1.2 频率下降时的状态369

12.1.3 泵升电压的特点371

12.2 变频调速系统的功率因数372

12.2.1 关于功率因数的概念372

12.2.2 同频率正弦电流的功率因数372

12.2.3 非正弦电流的功率因数373

12.2.4 变频器功率因数的测量误区374

12.2.5 用12脉波整流改善变频器的功率因数375

12.3 变频器的转矩控制功能及其应用377

12.3.1 转速控制与转矩控制377

12.3.2 转矩控制的工作特点378

12.3.3 转矩控制和转速控制的切换381

12.3.4 转矩控制在牵引装置中的应用382

12.3.5 转矩控制在恒张力控制中的应用384

12.4 恒压供水系统变频与工频的切换问题386

12.4.1 切断电源后的自由制动过程387

12.4.2 电动机切断电源后的电磁过渡过程389

12.4.3 相位关系对切换电流的影响392

12.4.4 “差频同相”的原理与方法393

12.5 水泵装置的节能分析396

12.5.1 节能效果的考察部位396

12.5.2 水泵装置的流体功率398

12.5.3 水泵装置流体功率的节能分析399

12.5.4 不同管路流体功率的节能特点402

12.5.5 水泵轴功率的节能分析406

12.5.6 电动机输入侧节能效果的分析408

12.6 电压与频率不符时的处理409

12.6.1 电压不符时的处理409

12.6.2 频率不符时的处理412

12.7 变频调速的经济效益412

12.7.1 减少故障率的经济效益412

12.7.2 延长设备寿命的经济效益413

12.7.3 提高产品质量的经济效益413

12.7.4 其他方面的经济效益414

参考文献415