第二章 三相交流异步电机及其控制

第二章三相交流异步电机及其控制本章主要介绍：三相异步电机的转动原理三相异步电机的电磁转矩和机械特性三相异步电机的启动、正反转、制动三相异步电机的技术参数三相异步电机的调速控制第一节三相异步电机的转动原理一、转子转动原理二、旋转磁场的产生三相电流表达式三相电源波形图旋转磁场分析改变三相电源的相序旋转磁场方向改变三、异步电动机的转动原理感应电动势方向：右手定则电磁力方向：左手定则第二节、三相异步电机的基本知识一、三相异步电机的极对数P=时的旋转磁场二、三相异步电机的转速n=fp对一台固定的三相异步电机f和p通常固定则n固定。转差率s：s=（nn）n一般s=～启动瞬间n=s具有最大值=。三、三相异步电机的构造转子在结构上分为两种：笼形、绕线形。鼠笼式转子是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的短路环连接而成的。转子绕组就像一个鼠笼形状故称其为鼠笼式转子。铸铝转子：中小型电机一般采用铸铝绕组。这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内并连同两端的短路环和风扇浇注在一起。如某三相异步电动机铭牌如下现对铭牌的各项数据作些简要介绍。YLM－YL产品代号Y及YL系列为小型笼型异步电动机其中Y系列定子绕组为铜线YL系列定子绕组为铝线功率大约在~kW之间。机座中心高mmM表示中机座（S表示短机座L表示长机座）磁极数。三相异步电动机的接法：多数电机有六个接线柱有的也有三个接线柱有三个接线柱为星形接法。有六个的需要按电机铭牌上的接法接线。三角形接法：如UVWWUVU和W相连、V和U相连、W和V相连星形接法：如UVWUVW把电机的首端或末端相连如把UVW相连以上几种接法都为V的三相异步电动机的接法。如果三相异步电动机用变频控制需用星形接法。三相异步电动机铭牌上标明：“额定电压V接法丫”。当电网电压为V时这台三相异步电动机应采用那种接法？A:接法B:丫接法C:、丫都可以D:、丫都不可以问题：第三节、定子和转子电路分析三相异步电机的电磁关系与变压器相似定子绕组相当于变压器的一次绕组转子绕组相当于变压器的二次绕组有兴趣的自学一、定子电路分析电压加于定子绕组产生合成旋转磁场该磁场在空气隙中呈正弦分布以转速为n旋转。该磁场切割定子和转子导体在定子绕组某相中产生的感应电势为：此电势也按正弦规律变化相位滞后：Φ＝oE的大小为：式中N为定子绕组每相串联的匝数。由于定子中同一相绕组是嵌放在不同分布的槽中考虑到绕组分布的情况上式中应乘一个小于的绕组系数k即：同样对于绕线转子电动势中也有绕组系数k（一般取）对笼形k取。定子绕组漏磁通φσ转子绕组漏磁通φσ定子绕组漏磁通φσ产生的感应电势为：Xσ=πfLσ再考虑每相绕组的电阻R可写出定子回路的电势平衡方程式为：由于定子绕组电阻R和定子绕组漏抗Xσ一般都很小其压降和E相比可忽略：二、转子电路分析旋转磁场在转子每相绕组中的感应电势为：其有效值为：f为转子每相绕组所感应的电动势和转子电流的频率k为转子绕组系数N为转子绕组匝数。转子绕组导体切割旋转磁场的速率为n′=nn故有：当转子在＜n＜n转动时：式中E表示当转子不动时旋转磁场在转子绕组中产生的感应电势。转子绕组中的漏磁通φσ也引起感抗压降Eσ即：Xσ表示转子不动时每相转子绕组的漏感抗。上式中：当转子转动时转子绕组每相电流有效值为：转子电路的功率因素为：异步电机正常运行时由于转子短路其电压平衡方程式为：将E=sE和Xσ=sXσ带入可得：I和cosφ随s变化的关系曲线如图所示：三相异步电机定子和转子某一相可用下图来模拟。第四节、三相异步电机的电磁转矩和机械特性一、电磁转矩电磁力对转轴构成了转矩电磁转矩。在电磁转矩的作用下电动机带动负载而输出功率。设电机旋转的角速度为Ω。转子的电磁转矩为T则转子输出的机械功率为：异步电动机的电磁转矩是由具有电流I的所有转子绕组导体在磁场中受力而产生的。电磁转矩的大小与转子电流I和磁场每极磁通Φ成正比。转子电路有感抗转子感应电动势与转子电流间有相位差ψ。电磁转矩：T=KTφIcosψ式中KT：异步电动机的转矩常数Φ：磁场每极磁通I：转子电流cosψ：转子电路功率因数cosψ<。电磁转矩的另一表达式电磁转矩：T=KT′sRU(R(sXσ))式中：KT′：转子的另一转矩系数s：转速差R：转子电路中的等效电阻定值U：电源电压Xσ：转子电路中的电抗定值。上式表明三相异步电机的电磁转矩T与每相电压有效值U的平方成正比。当U变化时对电磁转矩影响很大。U下降转矩下降速度快电流增大有烧坏绕组线圈的可能。当电压U一定时转子参数R和Xσ一定时电磁转矩与转差率s有关T=f（s）关系就称为异步电机的机械特性。二、机械特性以s为自变量T为因变量可做出T=f（s）曲线：由T=f（s）曲线可得出n=f（T）曲线：（一）、额定转矩TN额定转矩是电机在额定负载时输出的转矩。额定转矩TN可从电机铭牌数据（额定功率PN和额定转速）求得：式中：T：转矩单位NmPN：额定功率单位KwnN:额定转速单位rmin。（二）、最大转矩Tmax最大转矩可通过下面求得：：为转子电路中电抗由最大转矩公式得：Tmax与U平方成正比与Xσ成反比与R无关Sm与R成正比与Xσ成反比。电机负载达到Tmax称为过载。当负载转矩超过Tmax时电机将发生“堵转”现象此时电机电流升高几倍如果时间较长电机会过热损坏。用过载系数λ来标定电机的过载能力。一般λ=~。（三）、启动转矩TSt启动时n=、s=可得：TSt与U平方成正比与R有关当R=Xσ时TSt=Tmaxsm=但当R继续增大TSt将会减小。对比最大转矩公式第五节、三相异步电机的技术参数一、输入功率p对三相异步电机m=。二、输出功率p三、异步电机的损耗定子绕组的铜损Pcu定子铁心铁损PFe转子绕组的铜损Pcu、铁损PFe转子铁心铁损PFe很小忽略不计四、异步电机的效率η空载或轻载时η很低η=~满载时η=~电机容量越大效率越高。五、异步电机的工作特性和额定值（一）、异步电机的工作特性忽略电机的机械损耗则输出功率：输出转矩：（二）、异步电机的额定值额定功率PN额定电压UN额定频率f额定电流IN额定转速nN额定功率因数cosψN额定效率ηN工作方式绝缘等级第六节起动、正反转、制动一、起动及其控制异步电机起动性能起动时n=s=此时E最大设nN时的转差率SN=则由EN=SNE可知E是EN的倍。起动时转子漏抗Xσ也较大故起动时转子电流为Ist=E（RXσ）约为额定转子电流的~倍Ist约为额定定子电流IN的~倍。起动电流倍数：笼形异步电机的起动控制直接起动要求：电动机起动时电源变压器的母线压降不应超过容许值（经常起动的母线最大容许压降为％不经常起动为％）容许直接起动的电动机容量应小于变压器容量的～％。直接起动的开关设备：三刀闸开关、铁壳开关、油开关及交流接触器等。降压起动绕线异步电机的起动控制前述笼型异步电动机降压起动的各种控制方案均能达到降低起动电流的目的但由于起动转矩正比于电压的平方相应的起动转矩也降低故降压起动方法一般只用于大型三相异步电动机的空载或轻载起动。如果既要减小起动电流又要求较大的起动转矩绕线转子异步电动机。在转子回路中串入电阻后：将式中R加大起动时s=转子电流为：从上式可看出起动电流比不串电阻时小。同时：由于R加大cosψ相应提高结果使起动转矩增大。可见：转子电路串接适当的电阻可达到既减小起动电流又增大起动转矩的效果。在图中KA、KA、KA为电流继电器其吸和电流相同而释放电流不同KA的释放电流最大KA最小。二、正、反转控制正、停、反控制线路正、反、停控制线路自动反复行程控制三、制动控制能耗制动：在电动机脱开电源后立即在定子绕组中通入直流电流该直流电流在电机中产生一个方向恒定的磁场。制动转矩的大小决定于直流磁场的强弱和转子电流的大小。对笼形：控制直流磁场的强弱对饶线形：两者均可。反接制动发电反馈制动（发电机制动）当电动机的转子转速大于电机的旋转磁场的转速n时此时转差率s<。此时电机已转入发电机运行将位能转换为电能反馈到电网中同时电磁转矩方向也与旋转磁场方向相反从而产生了制动力矩限制物体的运动速度。另外对多速电机从高速调到低速的过程中也属发电反馈制动。第七节、三相异步电机的调速控制用人工的方法改变电动机的转速调速。机械调速机械电气调速电气调速：一般属无级调速一、调速系统的主要技术指标　静态指标　静差度：电机运行于某一条机械特性上时在额定负载下的转速降与理想空载转速之比即：不同的设备对静差度有不同的要求。调速范围：式中：nMAX：额定负载时最高转速nMIN：额定负载时最低转速调速的平滑性K越接近表明平滑性越好动态指标最大超调量σ表明系统相对稳定性好即动态响应平稳。过度过程时间：系统从阶跃作用开始到达系统的新的稳定转速的所需的时间称为过度过程时间ts。振荡次数：在过度过程时间内被调量在其稳定值上下波动的次数。二、三相异步电机的开环调速方法　改变磁极对数p的调速改变转差率s调速在绕线转子异步电动机中改变转子电路的电阻则在到达最大转矩时的转差率也相应改变。因而在同一负载下转差率s随之改变。当电阻增加时转差率s上升转速下降。该调节方法设备简单、耗能。改变电机端电压调速在一定转速下电动机的电磁转矩与电压U的平方成正比。改变电机定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系从而改变电动机在一定负载转矩下的转速n。三、闭环调速系统闭环控制的交流变压调速转差功率消耗型调速系统：ASR：转速调节器AT：触发装置VT：晶闸管TG：测速发电机特点：尽管电机开环机械特性很软而由系统放大倍数决定的闭环系统静特性却很硬。改变给定的输入信号Un*则静特性可以近乎平行上下移动。当负载变化达到并超过系统静特性的极限机械特性时闭环系统便失去控制能力回到开环机械特性上工作。闭环调速系统有调速范围。异步电机的变压变频调速控制转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统简称变频调速系统。调速时转差率不改变因而与其它各种异步电机调速系统相比较效率最高、性能也最好。调速时保持每极磁通Φm为额定不变值。磁通太弱铁心利用不充分。磁通太高导致铁心饱和励磁电流过大。由三相异步电机定子每相电动势有效值公式：控制好f和E即可达到控制Φm的目的。当从工频（Hz）额定频率fN即向下调节时同步降低E使：上式称为恒定电动势频率比。当电动势值较高时定子绕组的漏磁压降可忽略不计并认为UE上式可写为：上式称为恒定压频比注意：当低频调速控制时因“Uf常值”。U很小时E也很小定子阻抗压降所占分量不能忽略这时需要将定子电压人为提高一些以改善电动机的机械特性定子压降补偿的恒压频比控制方式。对Hz以上的变频调速时频率可以从f=fN=Hz向上增加定子电压上限值为UN这时不可能维持Φm不变只能迫使磁通Φm与U成反比地减低电机弱磁升速控制方式。变压变频装置VVVF关于恒转矩T=KTΦIcosφKT为决定于电机结构的转矩常数在电机长期运行时其转子绕组的允许电流I=IN。电机的允许输出转矩为：Tal=TN=KTΦNINcosφ在调速过程中允许输出转矩在磁通不变时保持固定恒转矩调速。Pal=Tal*Ω=Tal*πnPal：允许输出功率。Tal：允许输出转矩。n：转速。可以看出在恒转矩调速过程中允许输出转矩不变允许输出功率与转速成反比。关于恒功率在弱磁调速时Pal=Tal*Ω=Tal*πn可得出在弱磁调速时允许的输出功率不变而允许的输出转矩与转速成反比。变频器基础知识简要工作原理～整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置其输入电压为正弦波输入电流非正弦带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置其输出电压为非正弦波输出电流近似正弦变频器基础知识简要工作原理单相逆变电路工作原理S,S导通S,S导通S,S导通S,S导通S,S导通S,S导通ffEdU逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序变频器基础知识简要工作原理SSSSSSUVEdWUUVUVWUVW三相逆变电路Ed缺点：输出电压的谐波分量太大电机谐波损耗增加发热严重甚至烧坏电机转矩脉动较大低速运行时影响转速的平稳直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题电机变频器基础知识简要工作原理调制解调器调制解调器的英文是MODEM其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。电子信号分两种一种是“模拟信号”一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。连入Internet后当PC机向Internet发送信息时由于电话线传输的是模拟信号所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号才能传送到Internet上这个过程叫做“调制”。当PC机从Internet获取信息时由于通过电话线从Internet传来的信息都是模拟信号所以PC机想要看懂它们还必须借助调制解调器这个“翻译”,这个过程叫作“解调”。合起来就是“调制解调”。变频器基础知识简要工作原理SPWM调制PWM（PulseWidthModuration）调制PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GTR变频器由于开关频率太低电机噪声较大IGBT有效的解决了这个问题变频器基础知识控制算法交流调速的控制核心是：只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力才能获得理想的调速效果VF控制－－－－简单实用性能一般使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定例:对于VHz电机当运行频率为HZ时要保持VF恒定则HZ时电机的供电电压:（)＝V低频时定子阻抗压降会导致磁通下降需将输出电压适当提高矢量控制－－－性能优良可以与直流调速媲美技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制保持电机磁通的恒定进而达到良好的转矩控制性能实现高性能控制。性能优良控制相同复杂直到代计算机技术迅速发展才真正大范围使用变频器基础知识控制算法变频器基础知识变频器关键技术指标输入侧额定工作电压：给变频器供电的额定工作电压各国家不完全一样。中国是V单相HZ或V相HZ电压允许波动：限制变频器的最高和最低工作电压避免损坏变频器当电压超过最高值时变频器并没有保护能力频率波动范围：Hz％输出侧额定输出电压：变频器的最大输出电压由额定工作电压决定额定电流：变频器能够长期输出的最大电流过载能力：变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间由逆变模块决定最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率频率精度：输出频率的准确度（相对于设定频率）频率分辩率：指给定运行频率的最小改变量防护等级IP(不防水）变频器的构成实用原理框图适用于小功率（<KW)适用于中大功率(KW以上）变频器的构成实用原理框图类别作用主要构成器件主回路整流部分将工频交流变成直流输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率电压均可变的交流电输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲降低上电冲击电流上电结束后接触器自动吸合而后变频器允许运行限流电阻和接触器储能部分保持直流母线电压恒定降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路交流电机控制算法生成外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）变频器的构成实用原理框图类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器将变频器内部的热量带走有直流风扇（V)和交流风扇两种变频器的构成用户接口主回路接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口变频器的构成主回路接口工频电网输入VPHVPHVPH制动电阻直流电抗器三相交流电机RSTP()PB()UVWPEPOWERSUPPLYMOTOR变频器的构成控制回路接口以上端子均可自由编程变频器保护功能由于变频器大量的使用了各种半导体器件如整流桥、IGBT、电解电容等要想保证变频器长期稳定工作则必须保证各器件工作在其允许条件下。超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作待异常条件消失后才能重新开始工作如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。EMERSON公司产品情况产品系列MDI经济型通用TDTDTDTDTD供水TD电梯TD门机TD张力TD注塑机低高EV电梯多EVEV经济实用型VF控制多功能VF控制＋电流矢量多功能矢量控制功能：少全面支持MODBUSPROFIBUS性能EMERSON公司产品情况产品系列TD少多低高EVEVTDTDTD成本功能TD供水专用TDKWKWKW门机EMERSON公司产品情况系列命名规则EMERSON公司产品情况主回路关键器件IPM（智能功率模块）PIM（功率集成模块）目前以IGBT和PIM使用较多EMERSON公司产品情况控制回路关键器件DSP－电机控制专用CPUTI公司产品实时控制快速处理数据同一机器周期同时处理多条指令CPLD－大规模可编程逻辑振列XILINX产品系统逻辑构成和保护电路简化数字逻辑MCU－单片机ATMEL公司产品显示与键盘变频器选型选型原则考虑变频器运行的经济性和安全性变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型必须要把握以下几个原则：充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器否则选用通用变频器即可了解负载特性如是通用场合则需确定变频器是G型还是P型了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。确定负载可能出现的最大电流以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流则按适配电机选择对应变频器考虑成本因素如选用的是通用变频器则可以选择P型机以下情况要考虑容量放大一档：、长期高温大负荷、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场、目标负载波动大、现场电网长期偏低而负载接近额定、绕线电机、同步电机或多极电机（极以上）变频器选型选型原则充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配必须要把握以下几个原则：以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器民用场合如：宾馆中央空调、电机功率大于KW以上电网品质恶劣或容量偏小的场合如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大变频器频繁炸机以下情况要选用交流输出电抗器变频器到电机线路超过米（一般原则）以下情况一般要选用制动单元和制动电阻提升负载频繁快速加减速大惯量（自由停车需要min以上恒速运行电流小于加速电流的设备）变频器选型选型原则中国市场竞争情况－市场需求剔除V以上高电压等级产品剔除设备成套进口剔除交直交以外型式变频器（如：交－交、电流型）高防护等级（如：IP防爆）总容量（亿元）有效容量（亿元）中国市场竞争情况－重点行业需求重点行业情况（单位：亿元）总计：亿中国市场竞争情况－竞争品牌欧美品牌　　西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB丹佛斯、ROCKWELL、VACON、AB、西威日本品牌　　富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙松下电器、松下电工、东芝、明电舍国产品牌　　安邦信、佳灵、森兰、英威腾、康沃、科姆龙、惠丰港台品牌　　台达、普传、台安、东元、美高韩国品牌　　LG、现代、三星、收获有兴趣的自学对比最大转矩公式