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1、异步电动机与调速,第四章,4.0 概述,交流电动机一般可以如下分类： 异步电动机 笼形电动机 绕线转子电动机（双馈电机） 同步电动机 直流励磁同步电动机 永磁同步电动机 正旋波永磁同步电机 梯形波永磁同步电机 变磁阻电动机 开关磁阻电动机 步进电动机,式中，气隙磁通m由定子电流和转子电流共同产生；转子电流Ir与m相互耦合，且很难测量；转子回路功率因数cosr与负载有关，这是一个多变量的非线性系统，动态中很难施加控制。,1直流电动机与交流电动机的比较 （1）调速性能,它励直流电动机的转矩公式,可以看出，如果m恒定（只要激磁电流If恒定），转矩与电枢电流成正比，这是一个线性的单输入单输出系统，容易
2、控制。既适用于稳态，也适用于动态。,异步电动机的转矩公式,以上简短分析表明，就调速动态性能而论，直流电动机优于交流电动机。,表4-1 直流电动机的缺点 比较内容 直流电动机 交流电动机 结构与制造 有电刷，制造复杂 无电刷，结构简单 重量/功率 2 1 体积/功率 2 1 最大容量 1214MW（双电枢） 几十MW 最大转速 10000r/min 数万r/min 最高电枢电压 1kV 610kV 使用环境 非易燃易爆 要求低 维护 较多 较少 制造成本 高 低,（2）其它性能 调速性能之外则是交流异步电动机全面优于直流电动机,基于动态数学模型的矢量控制技术。,2交流电动机调速的技术突破 交流电
3、机调速技术上的突破从上一世纪70年代开始,主要表现在以下几个方面：,全控型电力电子器件问世及其技术日趋成熟；,大规模集成电路的应用;,脉冲调宽（PWM）技术应用到交流调速;,3交流电动机调速的方法 （1）异步电动机的调速方法 异步电机的转速表达式 （r/min） （r/min）,（r/min）,调转差率s 效率最差的调速方法，但是技术简单。,可见，异步电机有三种调速方法：,调定子频率f1 可以在宽广的范围内连续、平滑、高效率地调速，是最有效的调速方法。,调极对数np 可以在二种或三种速度之间切换,调速不平滑，但高效率。,绕线转子异步电机双馈调速,属于调s。,围绕这三种调速方法，开发出了各种各样
4、的调速技术,它们是：,变压恒频（VVCF）调速，属于调s；,绕线转子异步电机转子串电阻调速,属于调s；,转差离合器调速,属于调s；,变极对数调速,属于调np；,变压变频（VVVF）调速,属于调f1；,绕线转子异步电机串级调速,属于调s；,（2）同步电动机的调速方法 同步电动机的转速公式 （r/min）,同步电动机有二种调速方法： 调频率f1主要的调速方法 调极对数np很少采用,围绕变频调速开发出了各种各样同步电动机调速技术，主要有： 直流励磁同步电动机变频调速； 正旋波永磁同步电动机变频调速； 梯形波永磁同步电动机（无刷直流 电动机）变频调速； 磁阻电动机变频调速。,4.1 异步电动机与调速
5、4.1.1 旋转磁场 图4-1示出了简化的绕线式三相二极异步电动机及其定子、转子的连接方式,图右边标出了约定的定子和转子的相电压、相电流、相电势的正方向,如箭头所示.磁动势、磁通的正方向与电流的正方向符合右手螺旋关系.,图4-1 简化绕线式三相二极异步电动机及定子转子连接方式,（4-1） （4-2） 定子每相绕组独立地产生正旋分布的磁动势，它们以各自绕组的轴线为方向脉动。在图4-1中，t=0时，iA=Im，iB=-Im/2，iC=-Im/2。 以A轴为参考，在空间角处三相定子绕组产生的磁动势,如式（4-2）所示。,当三相转子绕组开路，定子绕组接到对称的三相电源上时，便有对称的三相交流电流流过定
6、子绕组，如式（4-1）所示,电机的构造保证磁动势在气隙按正旋规律分布。在空间角处，三相磁势合成的结果 （4-3） 将式（4-1）和（4-2）代入（4-3）得到 （4-4） 化简后得到 （4-5）,（4-4）,可以看出,时间t增加时,如果也同步的增加,磁势F不变,表明磁势是旋转的。对于一对极的电机,旋转的角速度就是1(rad/s)；对于极对数等于np的电机,旋转速度是 n1=60f1/np (r/min) （4-6） 这里n1是同步速度, f1=1/2是定子频率(Hz)。,图4-2示出了定子三相绕组的磁动势FA、FB、FC的分布,它们是脉动的但不旋转；但是，它们的合成磁势Fs(,t)则是以同步速
7、度n1旋转,却不脉动.由于电流的相序为ABC,所以合成磁势的转向也为ABC.,R,图4-2 定子三相绕组中的磁动势分布,显然，对于一相绕组通直流所形成的正旋分布磁场可用固定相位角和固定幅值的空间矢量表示；对于一相绕组流过交流而产生的脉动磁场，则用相位角不变、幅值大小和方向随时间交变的空间矢量表示；而对于三相对称绕组通过三相平衡正旋电流产生的磁场，则用幅值不变的同步转速旋转矢量表示。,4.1.2 正旋波磁场的矢量表示及时-空矢量图 1.电流-磁势时空矢量图 如何利用空间矢量表示空间正旋量？,取A相绕组的轴线为空间矢量的基准轴,记为+A轴;取磁势空间矢量指向磁势最大值的方向,记为Fs。Fs与+A轴
8、的夹角即为磁势空间矢量的相位角,Fs的长度为正旋分布磁势的幅值。采用这个约定之后,正旋波磁场的空间分布与空间磁势矢量便有了一一对应的关系,于是,可用一个空间矢量来表示磁场的空间分布。,图4-3 旋转磁动势-电流时空矢量图,考虑到与图4-3(a)对应的A相电流瞬时值为其最大值,所以图4-3(b)中的电流矢量与时间基准轴+j重合。与图4-3(d)对应的A相电流瞬时值为零,所以在图4-3(e)中电流矢量与时间基准轴垂直。该时刻的电流相量相当于图4-3(b)中的电流相量沿逆时针方向旋转了90。,对于图4-3(a)所示的磁场分布图,因其对称轴与+A重合,所以对应的磁势空间矢量的相位角为=0;对于图4-3
9、(d)所示的磁场分布，是图(a)磁场旋转90得到的,因其磁场对称轴处于水平向左的方向，磁势的相位角=90,即超前+A轴90,这相当于磁势矢量沿逆时针方向旋转了90。显然,可以用一个同步旋转的矢量代表以同步速旋转的正旋波分布磁场。,设A相电流相量为 ,该电流可以认为是以角速度逆时针旋转且幅值为Im的相量在时间基准轴+j上的投影。,在图4-3(c)中,人为地将空间坐标轴+A与时间基准坐标轴+j标示在同一图中并重合,进而将旋转磁势空间矢量和A相电流时间相量画在同一图中，即得到表示A相电流相位与三相合成磁场空间位置对应关系的时-空矢量图，称为电流-磁势时空矢量图。为了突出电流的时间相量与磁势的空间矢量
10、在性质上的区别,亦称为电流-磁势时空相-矢量图。该图说明A相电流相量在时空矢量图中总是与三相合成磁势（基波）矢量重合的,所以可以由磁势矢量定义电流矢量。,由图4-2可以看出，在图示瞬间,磁势矢量正好与+A轴线重合，与A相绕组耦合的磁通最大而切割A相导体的磁密却正好等于零，于是该时刻的感应电势等于零。当磁极沿逆时针方向转过90时，A相绕组耦合的磁通变为零而切割A相导体的磁密正好为最大,感应电势则达到最大值。由此可以画出电势-磁势时-空矢量图,如图4-4所示,即A相绕组感应电势EA相量落后于磁势Fs矢量90。,2.电势（相量）-磁势（矢量）时空矢量图 借助图4-2可以进一步分析A相绕组的感应电势与
11、其所交链磁通的相位关系。取+A轴线方向为A相绕组所交链磁通的正方向。显然，在图示位置磁通具有正的最大值,根据磁通密度正旋分布的特点,推出 进一步根据电磁感应定律e=-d/dt,推出,可见,绕组的感应电势落后于所交链的磁通90。,由此可以画出电势-磁势时-空矢量图,如图4-4所示,即A相绕组感应电势EA相量落后于磁势Fs矢量90。,注意,画时-空图只是为了方便，在概念上一定要把空间矢量和时间相量严格区别开来，不能混淆。习惯上，空间矢量用幅值表示大小，时间相量用有效值表示大小。为了简化，本书以后省略相量符号上面加的点。,图4-4 电动势-磁动势时-空 矢量图,4.1.3 转矩的产生 当转子绕组短接
12、时，以同步速1旋转的气隙磁场在转子绕组中感应出电势，从而产生电流，转子电流与气隙磁通相互作用产生转矩，电机于是旋转起来。在有载的情况下，电机的转速n达不到同步速n1，存在一个转差率s (4-7) 转子以转差角速度s1切割磁力线，在转子绕组中感应出频率为sf1的电流，转子三相电流形成转子旋转磁势，转子旋转磁势也以同步速旋转，定、转子磁势相对静止。定、转子磁势相对静止是产生平均转矩，维持电动机稳定运行的必要条件。如果两个磁极之间有相对运动，必然时而N和S相遇，相互吸引；时而N与N相遇，又互相排斥，平均转矩为零。,当转子磁势Fr出现后,气隙中存在的磁势便是定、转子磁势的合成,称为气隙合成磁势,用符号
13、Fm表示 Fm=Fs+Fr （4-8） 磁势符号用粗体,表示它们都是空间矢量。,图4-5示出气隙磁通和转子磁动势(电流)相互作用产生转矩的情况。,图4-5 Bm Fr er ir在转子展开坐标上的相对位置,它们相互作用产生转矩 （4-9） 式中np=极对数，l=绕组有效轴向长度，r=电机转子半径，Bp=气隙磁密峰值，Fp=转子磁动势峰值，r=转子回路功率因数角，=r+/2被定义为转矩角。根据电机学原理，转子回路的功率因数角r（时间相位差）可以用来表示气隙旋转磁势（空间矢量）在空间的相位关系，于是可以理解为气隙磁通空间矢量与转子磁势空间矢量之间的夹角。从图4-5可以看出：如果超过同步速运行，s变
14、负，转子回路所感应的电势变负，转子电流改变方向，与气隙磁密相互作用，产生负的转矩，于是异步电机处于发电制动状态。,4.1.4 稳态等效电路 1.等效电路,Ir,图4-6 异步电动机每相等效电路,从图4-6（b）的等效电路出发，可以写出各种电机分析中有价值的表达式 输入功率： Pin=3UsIscos （4-11) 定子铜耗： Pscu=3Is2Rs （4-12) 铁心损耗： PFe=3Um2/Rm (4-13) 通过气隙的功率：Pg=3Ir2Rr/s (4-14) 转子铜耗： Prcu=3Ir2Rr (4-15) 输出功率: Po=Pg-Prcu=3Ir2Rr(1-s)/s (4-16) 轴功
15、率： Psh=Po-PFW (4-17) 这里，cos=输入功率因数， PFW=电机的摩擦和风冷损耗。考虑到输出功率是转矩和速度的乘积，转矩可以另写为 (4-18) (4-19),R,R,- IrRr/s,-Ir,Ic,图4-7 图4-6b等效电路的相量图,忽略铁心损耗，根据图4-7可以写出 Pg=3UmIssin, Um=1m， m=LmIm， Issin=Irsin。 考虑到上面几个式子，由式（4-19）得 （4-20） 其中，m是气隙磁通链的有效值，Ir是转子电流的有效值， r是转子回路的功率因数角。如果把气隙磁通和转子电流都看作矢量，是它们在空间的夹角。式（4-20）可以改写成,mirsin,式中m为气隙磁链的峰值，ir为转子电流的峰值，为转矩角。,等效电路可以进一步简化为图4-8所示的等效电路。简化所引起的典型误差在5%以内。根据图4-8推算转子电流Ir,等效电路可以进一步简化为 （4-23）,考虑到式(4-18),得到 （4-22）,考虑到，mUs/1, （4-23a),R,Llr,Lls,图4-8 简化的异步电动机每相等效电
