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1、第11章 交流电动机调速控制,1、交流电动机的基本结构及工作原理2、交流电动机的机械特性3、交流电动机的调速特性4、交流电动机的各种调速控制系统,第一节 交流电动机的工作原理和机械特性,一、三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成,定子由定子铁心、绕组以及机座组成。,定子铁心是磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。,定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用A
2、X、BY、CZ表示，其中，A、B、C称为首端，而X、Y、Z称为末端。,机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁 机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。,三相绕组接入三相交流电源，定子铁心中产生旋转磁场。,转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。,转子由铁心与绕组组成,线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。,鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成。,线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并
3、分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。,二、三相异步电动机的工作原理,1、定子旋转磁场,假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为ABC）的波形如图，按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图箭头所示。合成磁场从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 。,如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调，例如将B、C 两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位对调，如图所示。,由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向
4、，只要把定子绕组接到电源的三根导线中 的任意两根对调即可。,2、工作原理,三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。,假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。,在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。 旋转磁场是三相异步电动机赖以工作的基础，其转速（同步转速）为n0 ,转子的旋转速度称为电动
5、机的转速，用n表示。,3、转差率 S,由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。,转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。,转差率：用表示S，即转速差与同步转速n0的比值。,1、三相异步电动机的定子电路,三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕 组，转子绕组相当于副绕组。,定子绕组接上三相电源电压（相电压为u1）时，则有三相电流通过（
6、相电流为i1），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e1。,三、 三相异步电动机的定子电路与转子电路,如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。,加在定子每相绕组上的电压分成三个分量，即,如用复数表示，则为,式中： 和 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。,由于R1和X1较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是,当外加电源电压不变时，定子绕组中的磁通基本不变。,旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为,其有效值为,式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率
7、.,因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n,在 n=0 ，即S=1时，转子电动势为,为转子最大电动势,可见转子电动势E2与转差率S有关。,2、三相异步电动机的转子电路,对于转子每相电路，有,如用复数表示，则为,式中，R2和X2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗,在 n=0 ，即 S=1 时，转子感抗为,为转子最大感抗,可见转子感抗E2与转差率S有关。,转子每相电路的电流为,可见转子电流I2也与转差率S有关。当S增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。,转子电路功率因数为(I2滞后E2),对一台异步电动机而言， R2和X20
8、基本上不变，所以I2、cos2均随S的变化而变化。,1、转矩特性,电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。 机械特性是它的主要特性。,所以,因为,转矩特性,式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数； U1 、U定子绕组电压，电源电压； R2转子每相绕组的电阻； X20 电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。,四、三相异步电动机的转矩特性和机械特性,2、机械特性,在异步电动机中，转速 n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。,（1）固有机械特性,异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子
9、和转子 电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。,根据,三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。,从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：,电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。,电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为,式中:,PN电动机的额定功率； nN电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。,电动机的启动工作点。,当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；,当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；,而若增大转子电抗则会使启动转矩
10、大为减小。,通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩TN之比 st=Tst/TN 作为衡 量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般,电动机的临界工作点。,临界转差率,最大转矩,电动机的过载能力系数：固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比,它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运 行参数。,鼠笼式异步电动机,线绕式异步电动机,（2）人为机械特性,异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。,定子电压U定子电源频率f定子电路串入电阻或电抗转子电路串入电阻或电抗,人为机
11、械特性,改变,由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。,即改变转差率S；,改变极对数p；,改变频率f。,定子电压、转子电阻、转子电压,第二节 三相异步电动机的调速特性,一、调压调速,改变电源电压时的人为机械特性如图所示，,特点：,1. 高速工作时，调速范围不大（恒转矩负载），特性变软。（改进方 法：提高转子电阻、带速度负反馈）,2. 低速工作时（泵类负载），调速范围宽，转子电路电流大，容易烧坏 电动机 。,适用鼠笼式异步电动机。,3、无级调速,二、 转子电路串电阻调速,这种调速方法只适用
12、于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用,1、调速简单可靠，是有级调速。 2、随转速降低，特性变软。,3、转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。,所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设备中 应用非常广泛。,特点：,4、空载和轻载时调速范围窄。,改进：串级调速,四、变频调速,三、 改变磁极对数调速 略,一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使 U/f =C ，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。,1、无级调速 2、调速范围大 3、特性硬度不变 4、需要专门的变频电源,变频调速用于一般鼠笼式
13、异步电动机，采用一个频率可以变化的电源向异步电动机定子绕组供电，这种变频电源多为晶闸管变频装置。,特点：,第三节 三相异步电动机的调速系统,调压调速变频调速串级调速,鼠笼式异步电动机,线绕式异步电动机,当电源电压为正半周时，触发VS1使之导通，电压过零时，VS1自行关断；,当电源电压为负半周时，触发VS2使之导通，电压过零时，VS2自行关断；,如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角 的大小，就可以改变负载上交流电压的大小。,1. 单相交流调压电路原理,一、采用晶闸管的交流调压电路,2. 三相交流调压电路原理,将三对反并联的晶闸管（即单相调压电路）分别接至三相负载就构成了
14、一个典型的三相交流调压电路。,负载可以是星形连接，也可以是三角形连接。,三相负载Y形连接,单相调压电路,三相交流电压,3、调压调速系统,轻载时，外加电压变化很大，转速变化很小。即电动机的转速变化范围不大； 重载时，降低供电电压，转速下降快，甚至停转，引起电动机过热甚至烧坏； 如果要使电动机能在低速段运行，一方面传动系统运行不稳定，另外，随着电动 机转速的降低会引起转子电流相应增大，可能引起过热而损坏电动机。,实际使用此方法时，一般可将电动机转子的鼠笼材料由铸铝改为电阻率较大的黄铜条，机械特性得到改善；另一方面采用转速负反馈构成闭环系统。,为了既能保证低速时的机械特性硬度，又能保证一定的负载能力
15、，一般 在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统。,调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械，如要用于这种机 械，电动机容量就要适当选择大一些，如电梯、卷扬机等。,电源电压,给定电压,适用于通风机、泵类机械。,二、晶闸管变频调速系统,1、变频调速的原理,若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变。频率降低，则磁通增加；频率增加，磁通降低。,前者有可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流的增加而引起铁心过热；后者会影响过载能力，严重时会使电动机堵转。,因此在变频调速系统中，变频的同时也变压，即频率与电压能协调控制，使磁通恒定。所以一般使用的变频器都兼有调频和调压两种功能，即VVVF(Va
16、riable Voltage and Variable Frequency）变频器。,基频以下的恒磁通变频调速属于恒转矩调速（常用）基频以上的弱磁通变频调速属于恒功率调速,在变频调速系统中，主要装置就是变频器。,2、交-直-交变频调速系统,交流电,幅值可调的直流电,幅值、频率均可调的交流电,可控整流电路,逆变电路,晶闸管变频器,交交变频器交直交变频器,（1）单相交直交变频原理,工作原理：,整流与逆变装置电路,特点：,* Uo 电压幅值由Ud 定* Uo 电压频率由逆变器开关频率定* Uo 电压频率不受电源频率限制,整流-逆变，按要求导通;,要求：尽可能接近正弦波,（2）三相交直交变频器原理,变
17、频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分：整流（可控或不可控）逆变部分：通过控制电路的控制，输出电压、频率可调的交流电压。中间直流环节：为滤波、直流储能和缓冲无功功率。,电容：电压型变频器电感：电流型变频器,变频器分类,调压调频可分开进行，也可同时进行。,目前一般工业领域的通用型变频器多属于电压型，采用的是正弦脉宽调制控制(SPWM），它的调压调频均由逆变电路实现。,整流电路：将工频交流电整流为脉动直流电。,滤波电路：将脉动直流电变为较平滑的直流电。,逆变电路：将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。逆变原理：IGBT（绝缘栅双极晶体管）可控开关、SPWM原理。,S
18、PWM控制的目的: 通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效，从而驱动相应的负载工作。,将一个正弦波电压分为N份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉冲的宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的脉冲列，就是SPWM波。,调制方法: 利用载波和调制波相比较的方式来 确定脉宽和间隔 调制波: 所希望生成的正弦波 载 波：等腰三角波或锯齿波,按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分 单极性控制: 任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变化 ；ur uT时，有脉冲； ur uT时，无脉冲双极性控制： 载波双方向变化，在
19、任意半个周期SPWM波双方向变化； ur uT时，正脉冲；ur uT时， 负脉冲,用等幅值的（大小为直流电压）、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，则在逆变器输出端可获得一组类似的矩形脉冲，可用正弦波信号来等效。,输出电压的大小和频率均由正弦电压来控制，当改变正弦电压幅值时，脉宽随之改变，从而可改变输出电压的大小；当改变正弦电压频率时，输出电压的频率随之改变。以此来实现调压调频的目的。,图示为三相SPWM逆变器工作在双极性控制方式时的输出电压波形，三相控制方式相同，只是相位上相差120。,实现方法：,硬件方式-模拟电子电路、数 字电子电路、专用 集成电路芯片；,软件方式
20、-用计算机通过软件 生成SPWM波形；,三、晶闸管串级调速系统,该调速方法适用于线绕式异步电动机。,1、串级调速的原理,绕线式异步电动机的串级调速，就是在转子回路中串入一个可控的转子外加电压 ，其频率与转子频率相同，其相位与转子电势反相或同相。,以串入反相的附加电势为例说明调速过程,串入同相位的附加电势时，电动机的转速向高调节；串入反相位的附加电势时，电动机的转速向低调节。,2、串级调速的机械特性,该图为应用广泛的串级调速系统。 转子绕组端接进一个不可控的整流器，这样串入的附加电势可采用可调直流电源。当Ead=0时，电动机在接近于额定转速下运转，若改变Ead的大小就可改变电动机转速。,该图为转
21、速低于同步转速时的一组机械特性。 可见串级调速时异步电动机的机械特性与直流电动机的特性相似，机械特性较硬。,3、串级调速的控制,由于机械特性较硬，在调速精度要求不高的场合，可以直接采用开环控制。但要得到更高精度的调速，还要采用带速度负反馈的闭环控制系统。,整流,逆变器,转子电压经不可控整流转换为直流电压，经电抗器，再由晶闸管逆变器将该直流电压逆变为交流，经变压器或直接反馈给电网。逆变器直流侧的电压即为加到电动机转子中的附加电势。改变逆变器中晶闸管的逆变角 ，就可改变附加电势的大小，从而实现了异步电动机的串级调速。 由于转差功率经逆变器反馈给了电网，所以串级调速效率高，便于向大容量发展。,晶闸管串级调速原理图,
