6ES7351-1AH01-0AE0详细说明

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电机相数指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、五相。2相步进电机表示使用2组线圈组数。3相步进电机使用3组线圈。2相步进电机，3相步进电机一般一组为四个线圈。2*4为8个线圈相应3*4为12个线圈。5相步进电机2个线圈为一组。（n较，s较两对较）。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的 为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动机时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动机，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动机上改变细分数，就可以改变步距角。

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如兴丰元fy86ef282a型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动机有关。

保持转矩（holding torque）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机较重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机较重要的参数之一。比如，当人们说2n.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2n.m的步进电机。

detent torque：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。detent torque 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有detent torque。

静力矩的选择:

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

力矩与功率换算:

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

p= ω·m ω=2π·n/60 p=2πnm/60

其p为功率单位为瓦，ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，m为力矩单位为牛顿·米

p=2πfm/400(半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称pps)

1 概述

在工业企业中，电机是应用面较广和数量较多的电气设备之一。目前，大量交流电机均工作在固定的转速运行，这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。同时，其运行在低功率因数和低效率的工况下，对电能是较大浪费。

由于石化行业的日益激烈的市场竞争,对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求, 在原驱动电机上，增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量,满足了生产工艺的要求，又达到了节能的效果。

在我厂常*、常二中采用的变频器系统，既是动力源又是改变工艺参数的执行机构，它取代了原有的执行机构--调节阀，使得介质传输工艺过程控制发生了变革。

2 变频器调速运行时的节能原理

在实际的生产过程中，各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量，而在实际运行中，所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量会明显减小。图1为典型的泵类负载在不同转速时的特性曲线。

图中H(n1),H(n2)表示调速时的Q=f(H)曲线，R1、 R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。阀门控制时，由于要减少流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，Q2 →Q1， A→B，HA→HB阀门控制时功率消耗P1由0HBBQ1表示。当调速控制时，Q2→Q1，A→C，HA→HC调速控制时功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2则表示调速时功率消耗小于阀门节流时的功率消耗。

P=rQH 泵的轴功率
Q 流量 H 扬程 r 液体重度
在B点和C点运行时 PB-PC=Q1(HB-HC)r 这部分就是所节约的电能。
对于泵负载，有如下表达式:
Q1/Q2 = n1/n2
H1/H2 = (n1/n2)2
P1/p2 = (n1/n2)3

由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降1/4，功率下降1/8， 即功率与转速成3 次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而了原来消耗在泵出口阀上的管压差。

3 变频器系统的控制方案
我厂的常*泵B109和常二中泵B114的电动机功率分别为75kW和55kW，转速2982转/分，额定电压380V，额定电流分别为132A和103A，额定出口流量分别为28.520M3/h和20M3/h。如图2所示。
由图可以看出，在正常工作负荷情况下，电机工作在额定转速2982rpm，转速不可调。为保持流量稳定，采用控制出口阀门的方法进行控制，即差压变送器检测流量信号送至PID调节器, 再由PID调节器输出4-20mA控制信号，控制出口调节阀的开度，从而控制出口流量，保持流量稳定。原系统实际运行中，存在以下问题:

(1) 节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量的电能。
(2) 控制精度低，出口流量波动较大(约3％)。
(3) 电机工作在额定转速，出力不变消耗电能。
(4) 电机噪音较大，泵和管线阀门压力较大，易造成泄漏。

根据系统的上述工艺要求，我们对变频器系统进行设计时，遵循了以下原则:
a、 保持出口流量稳定;b、 出口流量的控制精度0.5% ;c、电动机的转速范围应在 0～2982转/分;d、根据泵的工作特性，系统设计应按恒转距原则进行;e、节能降耗;f、系统设计采用工频和变频双切换，保证的生产的连续性和可靠性，可以互为备用; g、采用两路DCS输出接点，一路控制原调节阀，一路控制变频器，在变频器故障状态时，DCS能自动识别变频故障信号，然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时，调节阀处于全开位置;

遵照上述原则，经过调研、比较，我们选择了日本A5P变频器。该变频器具有技术先进、功能齐全、结构紧凑、可靠性高等特点，专为泵和风机类负载设计。其结构图如图3所示。

FRH:频率设定;ACC/DEC:加/减速控制电路;A/D:模数变换;V/F:压频变换;BD:基较驱动电路;CPU:微处理器;LED:显示电路。

变频器的主电路为典型的“交—直—交”SPWM电压型主电路。

变频器的控制电路:频率给定FRH(即速度给定)经过ACC和DED加减速控制电路，变成频率和电压基准信号，分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路，再进入CPU内，形成SPWM脉冲，成为IGBT的控制信号，驱动IGBT，从而使电压恒定、频率恒定的交流电，经过变频器后，变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器结构图如图3所示。整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。
4 变频器系统的运行情况

1997年7月，我厂在常*泵和常二中泵电机上安装A5P变频器后，运行情况与工频比较，如下所示:

(1) 电机运行参数和节能情况的比较

节电功率=((39.16×0.82×380)-(16.3×0.9×168))×1.73=16846(W)
节电率=((39.16×0.82×380)-(16.3×0.9×158))/(39.16×0.82×380)=79%
节电功率=((44.6×0.8×380)-(20×0.9×121))×1.73=19688 (W)
节电率=((44.6×0.8×380)-(20×0.9×121))/(44.6×0.8×380)=83%
从比较表可以看出,使用变频器后既可满足生产需要,又可大量节能。

(2) 控制精度的比较

在相同的工艺条件下，采用工频和变频运行时，泵的出口流量波动曲线分别如上图4所示。所以泵采用变频调速后，流量控制精度非常高，记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。

5 应用效果及经济效益分析

变频器投入运行以来，运行可靠，自动化程度高，节能效果显著，取得了良好的经济效益。

(1) 工艺控制平稳:由于变频器的高精度调节，调节信号有高速传递性，减少了以前仪表控制带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，产品质量得到了提高。
(2) 节能效果显著:按年8000小时计算，泵114/1年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝79%×21.11千瓦×8000小时＝133415千瓦时 泵109/2年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝83%×23.45千瓦×8000小时 ＝155708千瓦时泵114/1和泵109/2共节约电费:节电量×电价=289123×0.50＝144561元 变频器改造费用为15万元，所以只需1年左右，就可收回投资。

(3) 维护量减少:由于出口阀全开，电动机降速运行，使得管网压力下降，减少了工艺设备的泄漏，降低了机泵磨损，降低了电机的温升，设备维护周期延长。由于变频器代替了调节阀，解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响，使仪表的维护量减少。

(4) 系统实现了软起动:由于变频器具有软起动功能，减小了对电网的冲击。

6 变频器应用时应注意的问题

(1) 用变频器时一定要满足工艺的要求，在某种特定环境下，老装置的机泵因扬程、流量所限制，变频器不一定适用，且非变工况运行的机泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而应从工艺条件、机泵本身的参数出发而定。

(2) 变频器调速时，需要电气、仪表、工艺、设备各专业人员密切配合，以保证变频器安全运行。工程技术人员在安装投用前要对有关专业人员进行培训。

(3) 大多数生产装置的仪表控制阀大多采用风关阀。采用变频器后，风关改为风开调节，需要注意，以免造成事故

想让实现成功的连续运转，必须具备以下几点：

脉冲信号的产生：脉冲信号一般由或cpu产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

信号分配 ：我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为ab-bc-cd-da-ab,步距角为1.8度；四相八拍为ab-b-bc-c-cd-d-ab,(步距角为0.9度）。

功率放大是驱动系统较为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动。我厂生产的sh系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：

说明：

cp 接cpu脉冲信号（负信号，低电平有效）

opto 接cpu+5v

free 脱机，与cpu地线相接，驱动电源不工作

dir 方向控制，与cpu地线相接，电机反转

vcc 直流电源正端

gnd 直流电源负端

a 接电机引出线红线

接电机引出线绿线

b 接电机引出线黄线

接电机引出线蓝线 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：

4、细分驱动

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（a，b）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

具备以上这些条件后就能实现步进电机的连续运转了，如果想实现步进电机的复杂运动，那就得使用单片机、之类的控制元件，或者专门的步进电机控制器。

作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热呢？以下是一些简单的分析。

1、步进电机为什么会发热

对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜陨，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料、电流、频率、电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

2、步进电机发热的合理范围

电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下(130度以上)才会被破坏。所以只要内部不**过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不**过60度；用手只能碰一下，大约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。

3、步进电机发热随速度变化的情况

采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损(虽然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般情况。

4、发热带来的影响

电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。但是，严重的发热会带一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制

5、如何减少电机的发热

减少发热，就是减少铜损和铁损。减少铜损有两个方向，减少电阴和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高带性、平稳性和发热、噪音等指标。

固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。

保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机较重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

相数：产生不同对较n、s磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用较广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍运行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a.

固有步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数j*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

定位转矩（detent torque）：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），detent torque 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有detent torque。

较大静转矩：也叫保持转矩（holding torque），电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机较重要的参数之一。比如，当人们说2n.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2n.m的步进电机。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

较大静力矩的选择：

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

步进电机的应用

步进电机的特点主要归于三个方面:

过载性好，使用在对速度和位置都有严格要求的场合；

控制方便，步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，给带来了很大的方便。

整机结构简单，结构变得简单和紧凑