机床电气控制技术第六章

《机床电气控制技术第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机床电气控制技术第六章（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第六章 交流电动机 调速控制系统 提纲 变频器原理 富士变频器简介 变频器典型电路设计及应用 简易交流调速控制线路 概述 第一节 概述 交流电机具有很多明显的优点 1. 交流电机不存在换向器的转动速度的限制，也不存在电枢元件的电抗电势的限 制，其转速可以设计得比相同功率的直流机转速更高。 2. 直流电机的电枢电流电压的值受换向器的限制，交流机则无此限制，它的单机 功率可以比直流机更大。 3. 直流机换向器制作工艺复杂，成本较高，相比之，交流机则成本低廉。 4. 直流机高速范围运行时，由于受电抗电势的限制，一般最高速时,输出功率仅能 达到额定功率的80%，交流机则不受限制，它可以在高速时以额定

2、功率运行。 5. 交流机无换向器之类经常需要保养维护的部分。维护方便，经久耐用。在某些 恶劣的环境下，例如，易燃易爆场合，也能可靠地工作。 6. 直流拖动系统的控制设备复杂，机构庞大，造价高。而某些简单的交流调速系 统（特别是现在大量使用的变频器的调速系统）则具有设备简单、造价低、维 护方便的优点。 7. 变频器调速系统在节能方面有明显的优点。 异步电动机公式如下： 1)转差率： 一.交流调速的基本原理 1.交流电动机的机械特性 式中： 同步转速电机转速 2)电动机角速度： 3)同步角速度与速度： 式中： 定子频率 定子极对数 （6-1） （6-2） （6-3） 4)传给转子的功率（又称电磁功

3、率）与机械功率、转子铜耗之间有如下关系式 ： 式中： 传给转子的功率（又称电磁功率） 机械功率 转子铜耗 5)电机的平均转矩为： （6-4） （6-5） 6)电磁功率与转差率 的关系式 式中： 定子相数 输入电压 定子电阻 折算后的转子电阻 系数 定子漏感抗 折算后的转子漏感抗 （6-6） 7)异步电机的每相等值电路图 定子绕组电阻 定子绕组阻抗 定子漏感抗 激磁电阻 激磁电抗 激磁电流 折合后的转子漏抗 折合后的转子电流 定子绕组每相端电压 主磁通在定子绕组产生的电势 折合后的转子绕组电阻 模拟在转差率为S时，电动机实际机械负载的模拟电阻 折合到定子侧的转子每相电势 图6-1 异步电机的每相

4、等值电路 由以上各式，可得出异步电动机的MS（转矩转差率）关系式 如下： 图 6-2 异步电动机的MS曲线 （ 机械特性曲线） 点对应同步转速 一段称电动状态曲线， 曲线峰值称最大转矩， 对应的点 称为临界转差率 一段曲线称制动状态曲线 一段曲线称发电状态曲线 由图可得： （6-7） 由于 因此，图上曲线只要 将S轴的刻度改变即获得异步电动机的机 械特性曲线。 由 ，解出 因 ，近似得： （6-8） （6-9） 2. 生产机械的转矩特性 图6-3 生产机械的负载特性 生产机械 恒转矩负载： 恒功率负载： 风机泵类负载： 它的负载转矩是一 个恒值，不随转速 而改变。 摩擦类负载： 特性曲线见图

5、（a），位于1 、3象限。 位能恒转矩负载： 特性曲线见图 （b），位于1 、4象限。 这类负载的转矩M与转 速n成反比。特性曲线 见图（c）所示。 这类负载的转矩随转速的增大而 改变。特性曲线见图（d）所示。 3.常用的交流调速方式及性能比较 由（6-1）式得： ，由（6-3）式有 由上面的两式解出异步电动机转速的表达式： （6-10） 供电电源频率， 定子绕组极对数， 转差率 式中： 从上式看来，对异步电动机的调速有三个途径。即： 改变定子绕组极对数； 改变转差率； 改变电源频率。 实际应用的交流调速方式有多种，仅介绍如下几种常用的方式。 1)变极调速 这种调速方式只使用于专门生产的变极多

6、速异步电动机。通过绕组的不同的组合 连接方式，可获得二、三、四极三种速度，这种调速方式速度变化是有级的，只适用 于一些特殊应用的场合，只能达到大范围粗调的目的。 2)转子串电阻调速 这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机，它是通过改变串联于转子电路中 的电阻的阻值的方式，来改变电机的转差率，进而达到调速的目的。由于外部串联电 阻的阻值可以多级改变，故可实现多种速度的调速(原理上,也可实现无级调速)。但由 于串联电阻消耗功率，效率较低。同时这种调速方式机械特性较软，只适合于调速性 能要求不高的场合。 3).串级调速 这种调速方式也只适用于绕线式异步电机，它是通过一定的电子设备将转差功率 反馈到

7、电网中加以利用的方法。在风机泵类等传动系统上广泛采用。这种调速方法常 用以下几种结构方案： 图6-4 电气、电机串级调速 (a) (b) （1）电气串级方式： 结构见图6-4(a)。MA的转子电流经UR整流后供给直流电动机M，由M传动的交流发电 机G将转差功率反馈给交流电源。调节直流电机M的励磁电源即可改变MA的转速。这 种方式具有恒转矩特性。 （2）电机串级方式： 结构如图6-4(b)所示。它是由MA的转子电流经UR整流，供给与MA同轴连接的直流电 机M，经M变为机械能施加到主异步电机轴上的一种调速方式。调节M的励磁电流即 可进行调速。这种方式具有恒功率特性。 图6-5 低同步、超同步串级调

8、速 (a) (b) （3）低同步串级调速方式： 如图6-5(a)所示。它是在图6-4(a)中接入逆变器和变压器，代替原来的直流电动机M和 交流发电机G，将转子电源变为与电源同频率的交流电，使转子侧的转差功率反馈给 电源的一种调速方式。调节有源逆变器晶闸管的控制角即可进行调速。 （4）超同步串级调速： 如图6-5(b)所示。它是在图6-4(b)中接入一个交交变频器，代替原来的不控整流器和 逆变器。通过控制交交变频器的工作状态,可以使电动机在同步速度上下进行调速。 与低同步串级调速相比，其变流装置小，调速范围大，能够产生制动转矩。 图6-6 调压调速 4)调压调速 如图6-6所示。这是将晶闸管反并

9、联连接，构成交流 调速电路，通过调整晶闸管的触发角，改变异步电动机 的端电压进行调速。这种方式也改变转差率S，转差功率 消耗在转子回路中，效率较低，仅适用于特殊转子电机或 线绕转子电机中。 5)电磁调速异步电动机 这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合来传递机械功率，调节电磁 耦合器的励磁可调整转差率的大小，从而达到调速的目的。该调速系统结构简单， 价格便宜，适用于简单的调速系统中。 6)变频调速 改变供电频率，可使异步电动机获得不同的同步转速。采用变频机对异步机供电 的调速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半导体器件构成的静止变频器电源。 目前这类调速方式已成为交流调速发展的主流。

10、4.交流电动机的起动 图6-7 机械特性曲线 从图6-7的交流机的机械特性曲线可知，电动机的起动 力矩必须大于电机静止时的负载转矩，即 否则电机无法进入正常运转工作区。 交流机的起动电流一般为额定电流的46倍 ,起动时一般 要考虑以下几个问题： 1. 应有足够大的起动力矩和适当的机械特性曲线。 2. 尽可能小的起动电流。 3起动的操作应尽可能简单、经济。 4起动过程中的功率损耗应尽可能小。 普通交流电机在起动过程中为了限制起动电流，常用的起动方法有三种。即： 串联电抗器起动， 自耦变压器降压起动， 星形三角形换接起动。 采用电子器件构成的“交流电动机软起动系统”迅速发展 采用矢量控制的系统性能

11、更优越 5.交流电机的制动 交流电动机的制动方式有： 机械制动，它采用机械抱闸装置。 电磁力制动，采用电磁铁抱闸或电磁摩擦片等装置。 电力制动，它主要由电气系统的控制装置使电机本身产生制动力。这种制动无机 械磨损问题，减小维修工作量，因此获得广泛的应用。它可分为：回馈制动、反接 制动和能耗制动三类。 1)回馈制动 异步机电动状态运行时转子转速 ,这是电动工作状态的正常情况。 从图6-2的机械特性曲线知，电机的转速 ,电机处于发电机工作状态。 此时电机不消耗电能，而将能量反馈到供电系统中来。因此称为回馈制动。 由公式（6-3）可知 ，改变供电频率可获得不同的机械特性曲线。 下面以供电频率减小1/

12、2的情况说明制动过程：由公式（6-7）和（6-8）可知，当 减小为1/2时（供电电压不变）同步转速为 ，M-S曲线在M轴方向放大2倍 ， 如图6-8(a)(b)所示，当利用公式（6-1）变换为M-n曲线后，将两条曲线叠加在一起， 如图(c)所示。 图6-8 回馈制动特性曲线 如原来电机以电源频率 运行，电机处于曲线的A点（负载为 ），此时如果将 电源频率改为 ，因机械惯性原因，转速不能突变。运行状态将转至第二象限的B点， 曲线处于发电机工作状态，即回馈制动状态。电磁转矩为负值，与转动方向相反为制 动转矩。转速迅速下降，由B点运行至C点，达到同步转速 ，电机转为电动状态。 在负载转矩 的作用下继

13、续减速到D点稳定运行。于是，整个制动过程结束。 工作原理： 图6-9反接制动、能耗制动 2)反接制动 如将三相交流电机的三相交流电任意调换两个接线即换相 即可使电机反转。这是因为，换相后产生了反向旋转磁场。也 就是说，将正在旋转中的电机将其输入电源线任意调换两个接 线后，即可产生与旋转方向相反的制动力矩。这就是所谓的反 接制动。 电机正转时稳定在A点运行，当改变输入电源的相序后，电机 换为第2象限的B点运行。反向电磁力矩 与负载转矩 共同 作用于电机产生制动力，使电机迅速降速，由B降至C点，电机 转速 。此时电机的电磁转矩 大于负载转矩 ， 因此电机不会停止，沿曲线继续反向加速到D点后稳定运行

14、。 如在BC段运行期间，设法加大负载使其大于 ，那么电机会 停止在 处，不再反转（这种方法很少使用）。 如在C点及时断开电源，电机也会停止。 工作原理： 电机正转时的机械特性为1、4象限的曲线，反转 时机械特性曲线为原点对称的2、3象限曲线。 3)能耗制动 能耗制动的电路如图6-9(b)所示。当断开1KM，电动机脱离交流电源，同时关合 2KM，将直流电源通入定子绕组时，电动机内部立即建立一个静止的固定磁场，而电 机仍以原来的速度转动，转子导体切割固定磁场的磁力线。可以判断出此时产生的电 磁转矩方向是与原来电机转动方向是相反的，产生制动力矩，这即是能耗制动状态。 图6-1的等效电路，经化简后得到

15、能耗制动的等效电路如图6-10所示。 图6-10 能耗制动的等效电路 图中： 直流励磁电流的等效交流电流 折合到定子侧的转子漏抗 折合到定子侧的转子电阻 电机励磁电抗 产生气隙磁通势的励磁电流 折合的转子感应电势 此时电机能耗制动时的电磁转矩表达式为： （6-11） 由 可求出最大电磁转矩为： （6-12） 图6-11 能耗制动曲线 由于电动时 ，而能耗制动时 ，故能耗制动时的机械特性曲线如图6-11所 示。曲线的最大转矩取决于制动电流 ，图中曲线2的 电流大于曲线1的电流，对于转子绕线式电机，当增大转 子电阻时，曲线也可以改变形状。图中曲线3的转子电阻 大于曲线1的电阻。对于曲线1的能耗制动过程，按A-B- O的方向运行。 二.开环调速与闭环调速 图6-12 改变转子电阻曲线 由公式(6-7)当只改变转子电阻 时，获得曲线如图 6-12所示。其中： 。此时对某一固