电机与拖动基础PPT课件

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1、第十章三相交流电动机的调速交流电机的调速日趋完善 并有取代直流调速的趋势 交流电动机包括同步电动机和异步电动机两种 异步电动机又有鼠笼式和绕线式之分 下面分别讨论之 10 1鼠笼式异步电动机调速10 1 1降压调速 三相异步电动机降压人为机械特性 其同步速不变 电磁转矩 对恒转矩负载 其固有特性上的运行点为图10 1中的A点 降压后的运行点为B点 两点的转速 三相异步电动机降压调速1 恒转矩负载 2 风机负载 1 差极小 实用价值不大 对风机类负载 其负载特性如图10 1中的曲线2 降压运行时 其工作点为C D E 虽然对应各点转速差较大 但低速运行时存在过电流和功率因数低的问题 一般鼠笼异步

2、电动机不采用降压调速 10 1 2变极对数调速改变定子绕组的接线方式 即可改变其磁极对数 从而实现变极调速 图10 2 a 为A相绕组的接线方式 与头尾相连 形成了四个磁极 见图10 2 b 2 如果改变连接方式 将与反向串联如图10 3 a 示 或头尾串联后再反向并联 如图10 3 b 则形成了两个磁极 可见改变每相绕组中一半线圈的电流方向 电动机的极对数便成倍变化 其同步速也成倍变化 对恒转矩负载而言 其运行转 3 速也接近成倍地变化 鼠笼式异步电动机转子的磁极数取决于定子的磁极数 而线绕式异步电动机转子的极对数不能随定子磁极数自行改动 故线绕式异步电动机不采用变极调速 4 10 1 3变

3、频调速三相异步电动机的同步速为 改变异步电动机的电源频率 就能旋转磁场的同步速 达到调速的目的 10 1 3 1从基频向下变频调速三相异步电动机的每相电压 在频率下调的同时必须降低电源电压 否则将引起磁路饱和 励磁电流急剧增加 这是不允许的 降低电源电压调速有两种方法 1 降低频率 保持常数 则常数 是恒磁通控自式 5 调速过程中 电机的电磁转矩为 10 1 10 1 为每极气隙磁通为常数时的变频调速机械特性方式 据此方程可推出最大转矩和对应的转差率 令 即推得 10 2 6 再将式 10 2 代入式 10 1 得 10 3 式中为转子静止时 转子一相绕组漏电感折合值 漏电抗折合值为 上式表明

4、 调速过程中最大转矩保持不变 最大转矩点的转速降落为 10 4 在保持常数的变频调速过程中 由于转速降落为常数 最大转矩又保持不变 故其各条机械特性是平行的 硬度相同 其 7 机械特性见图10 4 这种调速方法与直流电动机降压调速类似 机械特性较硬 范围宽 稳定性好 属无级调速 平滑性好 且正常负载运行时 s较小 则值较小 效率也较高 下面分析恒磁通调速的性质 先分析电磁转矩为常数时 转差率s与电源频率的关系 当常数 若常数时 据式 10 2 有 8 由于C为常数 又有展开后解得其中根据的结论 在常数 且T不变时 转子电流 则有 9 由于调速过程中 故为恒转矩调速方式 2 保持常数降低频频率时

5、 保持常数 则气隙每极磁通 常数 此时电磁转矩为 10 5 其最大转矩为 10 10 6 上式表明 保持常数 降低频率时 最大转矩随之降 当频率接近额定值时 随的下降 最大电磁转矩下降不多 当值较小时 较小 随的下降 最大电磁转矩将明显下降 其机械特性如 图10 5所示 与保持常数的机械特性相比 该特性的低速部分变坏 保持常数的机械特性也属恒转矩调速 证明从略 11 10 1 3 2从基频向上的变频调速 弱磁升速 保持不变升高频率时 电动机的电磁转矩为 由于频率较高 都小得多 故及分别为 10 8 12 因此 频率升高时 减小 也减小 最大转矩对应的转速降落为 常数 10 9 根据电磁转矩方程

6、式画出的升高电源频率的机械特性如图10 6所示 升高频率 保持不变 近似为恒功率调速方式 证明如下 13 由于正常运行时 s很小 比 都大得多 则后两者可忽略 则 运行时 若保持不变 s就变化很小 则 常数 综上所述 变频调速有如下特点 1 从基频向下调速为恒转矩调速方式 从基频向上调速近似为恒功率调速方式 2 调速范围大 3 转速稳定性好 4 运行时s小 效率高 14 5 频率可连续调节 属无级调速 10 1 3 3变频电源变频电源都采用大功率可关断半导体器件 目前流行的是绝缘门极双极晶体管IGPT 本节仅介绍用于风机 泵类负载的通用变频器 图10 7为低压变频器的主电路 它由整流桥 滤波电

7、容和逆变桥组成 整流桥将三相工频380V电压整流成直流电压 再由逆变桥进行脉宽调制控制 输出三相频率和电压可控的正弦交流电压 对异步电动机进行调速 15 在图10 7的电路中 上 下各有一个桥臂导通时输出高电平 而这两个管子关断时输出为低电平 可见 这是一输出电压为两电平的变频器 受IGPT单管耐压的限制 当电源电压较高 如3kv 时 宜 16 采用图10 8所示的二极管嵌位式三电平变频器 所谓三电平是指输出波形多了一个台阶 更接近正弦波 17 对于更高的供电电压 如 6kv或10kv 宜采用多个低压变频器彼此串联的方案 图10 9为串联H桥多电平高压变频器主电路 图10 9中 移相变压器的一

8、次侧为三相高压绕组 采用 连接 二次侧为多个彼此独立的三相低压绕组 分别采用延边三角形连接 实现输出电压间的移相功能 用以减小网侧谐波 18 网侧谐波 图10 9二次侧的变频器由许多功率单元串联组成 每个单元的主电路如图10 10所示 每个功率单元都有整流桥 滤波电容和逆变桥组成 其输出电压大小都相同 将各功率单元按图10 9彼此串联 则提升了每相电压 再将每相接成Y形 使其线电压增加了倍 串联H桥变频器的输出电压为多电平 谐波小 输出电压更接近正旋波 19 10 1 4电磁转差离合器电磁转差离合器由电枢和磁极两个旋转部分组成 电枢部分与异步电动机连接 是主动部分 磁极部分与机械负载连接 是从

9、动部分 如图10 11所示 图中电磁转差离合器的磁极部分装有励磁绕组 电枢部分可以是鼠笼绕组 也可是整块磁钢 20 异步电动机运行时 设其电枢部分随电动机顺时针旋转 转速为n 如图10 12所示 当磁极部分电流为零时 磁极与电枢间无磁的联系 磁极及所连的负载不动 相当于 离 当磁 极部分电流不为零时 两者间就有磁的联系 两者间的相对运动使电枢的鼠笼条中感应电流 对着N极的电流流出纸面 对着S极的电流流入纸面 鼠笼条受力为f 形成逆时针方向的力矩 按照相对运动 磁极部分受到顺时针方向的力矩 带动机械负载以转速旋转 相当于 合 21 此时机械负载的转速必定小于电动机转速n 否则 这就是 转差 的含

10、义 电磁离合器的机械特性与异步电动机相似 但空载理想转速为n而不是 转速相同时 越大 电磁转矩T也越大 若转矩 相同 越大 转速越高 电磁转差离合器的机械特性如图10 13所示 改变励磁电流就可改变机械负载的转速 电磁转差离合器的优点是设备简单 控制方便 可平滑调节 但其机械特性较软 稳速 22 性能较差 调节范围较小 且低速时效率也较低 电磁离合器与异步电动机装成一体 称为滑差电机或电磁调速异步电动机 10 2绕线式异步电动机调速10 2 1绕线式异步电动机转子串入电阻调速设转子绕组电阻为 分别串入电阻时 其机械特性如图10 14所示 若拖动恒转矩负载 且为额定转矩时 电动机的转差率由分别变

11、为 显然 所串电阻越大 转速越低 已知电磁转矩 当电压一定时 基本是定值 而转子电流维持额定值不变 23 推导如下 转子电流当转子电流保持不变时 必有 10 1 转子功率因数为可见 转子串电阻调速属恒转矩调速 24 当福载转矩时 根据 10 10 有其中分别是转子串入不同电阻的转差率 此调速方法调速范围不大 负载小时调速范围更小 从异步电动机的功率有上式表明欲扩大调速范围 必须增大转差率 这将使转子回路总铜秏增大 电机效率降低 转速越低 情况月严重 这种调速方式多用于低速运行时间不长 调速性能不高的场合 25 10 2 2双馈电机调速绕线式异步电动机转子串电阻调速可提高启动力矩 但调速范围小

12、效率低 若采用双馈调速法 则效果较好 所谓双馈 是指绕线式异步电动机定子绕组接一固定频率的工业电源 而转子绕组接一电压幅值 频率 相位可按需要调整的电源 来调速 1 双馈电机的原理双馈调速系统不仅能调节电机转速 还能改变电动机定子边的功率因数 当普通电动机带负载运行时 转子有功电流有效值为 26 为了简化分析 忽略转子漏电抗 当电压及负载转矩不变时 转子电流为常数 即 绕线式异步电动机转子回路接外电源时 各物理量的正方向如图10 15所示 为了便于分析 用不带撇的符号表示折合过的物 理量 下面分三种情况对其进行讨论 27 1 转子外接电压与转子电动势反向见图10 16 a 刚加时 合成电势减小

13、 减小 电磁转矩减小 转子减速 转差率增大 当转差率增至时 使等于原来的时 就 能保持转子电流不变 电磁转矩与负载转矩达到新的平衡 即低速运行 28 此情况下 转子电流为电机实际运行的转差率为由于空载运行时 s值很小 由上式可得空载转差为 可见 空载运行时也能调速 2 转子外接电压与转子电动势同相 a 的情况 如图10 16 b 刚加入时 转子回路合成电势增大 增大 电磁转矩增加 转速增加 转子感应电势又减小 直至等于原来的 电磁转矩与负载转矩达到新平衡 此时 电机转速升高 29 b 的情况 见图10 16 c 此时 的作用就能产生 使转子达到同步速 故为零 c 的情况 如图10 16 d 这

14、种情况下 转子电流为电机实际转差率为 空载运行时 s很小 则有 同样能把电机转速调到高于同步速 3 转子外接电压与转子电动势相位差此时产生与转子合成电动势同相的电流 包括有功电流和无功电流 无功电流起到励磁的作用 如图10 17 30 已知定子电流为忽略定子边漏阻抗 将定子端电压 电流都画在图10 17 a 中 可见 调节可使定子边的功率因数得到改善 如果与的相位差为某一角度 如图10 17 b 可将分解成和两个分量 按上述方法分析 图10 17 b 为电机运行于次同步速的情况 既能调速 又提高了定子功率因数 31 异步电动机双馈调速系统的组成异步电动机双馈调速系统如图10 18所示 其中图

15、a 是交直交变频器供电 图 b 是交交变频器供电 因转子感应电动势的频率是随转速而变化的 因此要求任何转速下 变频器的输出电压与转子感应电动势同频率 32 在绕线式异步电动机转轴上装上转子频率检测器 利用此信号去自动控制变频器输出电压的频率 可达到转子频率自控的目的 避免了电机的失步现象 这种控制方式具有过载能力大 抗干扰能力强 定子功率因数可调 可拖动冲击性负载 如用于轧钢机中 双馈调速系统还能根据转轴上机械功率的流向 实现电动机运行或发电机运行 用于风力发电机中实现恒频发电 10 2 3晶闸管异步电动机串级调速图10 19是异步电动机内反馈串级调速主电路 转子绕组接到整流桥的输入侧 整流后

16、接到晶闸管逆变器的输入端 逆变器的输出接到异步电动机定子的反馈绕组 定子有两套绕组 33 运行时 整流桥把异步机转子的转差电动势变成直流 再经逆变器将转差功率经定子反馈绕组 送回交流电源 异步电动机转子的相电动势为 34 经三相整流后的直流电势为式中为整流系数 逆变器直流侧的电动势为式中为逆变系数 为逆变器二次侧相电压 为逆变系数 直流回路电流为 此式可写成忽略R值 上式变为当整流器 逆变器都为三相桥式电路时 得转差率为由上式可知 改变逆变角的大小 就能改变转差率 进行调速 电网的输入功率为P 异步电机输入的有功功率为 电磁功率为 电磁功率中一部分为转差功率 另一部分为机械功率 转差功率中 一部分作转子铜耗 另一部 35 分减去整流器 逆变器 电抗器的损耗就是回馈给电网的功率 即 电网送给异步电动机的功率为 总效率为 图10 18是串级调速功率流程图 低速运行时 转差功率较大 大部分动率回馈给电源 总效率较高 36 10 3同步电动机调速由同步电动机 变频器 磁极位置检测器和控制器组成的调速系统称为自控式同步电动机调速系统 如图10 21所示 图中MS 是同步电动机 PS是位置检测器