异步电动机的机械特性及调压电路-2011.ppt

第一章 第一章 异步电动机变频调速理论基础 主讲教师： 杜春水 张承慧 1 本 章 提 要 1.1 异步电动机运行原理 1.2 异步电动机的机械特性 1.3 变频调速的基本控制方式 1.4 负载转矩特性及其与调速方 式的配合 2 1.2 异步电动机的机械特性 q异步电动机不同的调速方式 人为地改 变异步电动机的机械特性 一、异步电动机的固有机械特性 式中： 为定子每相电阻和折算到定子侧的转子 每相电阻； 为定子每相漏感和折算到定子侧的转子 每相漏感 （1-18） 3 1.2 异步电动机的机械特性 可见，当电源频率1、转速或转差率s一定时，电磁 转矩与定子电压的平方成正比。当电压Us和频率1一定 时，机械特性方程式Te= f（s）是一个二次表达式。在定 子电压Us和频率1均为额定值的情况下，可画出异步电 动机的固有机械特性曲线如图1-7所示。 ns Te Tq 0 Temax sm a n0 0 1 b TL 图1-7异步电动机固有机械 特性 4 1.2 异步电动机的机械特性 从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值Temax。对应 于最大转矩的转差率sm称为临界转差率，它可由式（1- 18）对s求导，并令dTe/ds = 0求得 （1-21） 将sm代入式（1-18）即可求得最大转矩Temax为 （1-22） n s Te Tq 0 Temax sm a n00 1 b TL 图1-7异步电动机固有机械特 性 5 1.2 异步电动机的机械特性 注意： （1）设计电动机时通常把额定转矩Ten确定为 左右, 。定义最大转矩Temax与额定转矩Ten之比为 M称为过载倍数。 ns Te Tq 0 Temax sm a n0 0 1 b TL 图1-7异步电动机固有机械特性 6 1.2 异步电动机的机械特性 (2)异步电动机的工作区域，一般只能在 范围 内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故 称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械特性的非 线性段。 ns Te Tq 0 Temax sm a n0 0 1 b TL 图1-7异步电动机固有机械特性 （3）在机械特性曲线上，转 速为零时所对应的起始转矩 为Tq，且s=1，此点对应着电 机刚开始启动的状态，此时 启动电流很大，可达电机额 定电流的47倍，但启动转矩 却不大。 7 二、调压时的人为机械特性 异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制 启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压调 速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍 应用。 可见，当电源频率1、转速或转差率s一定时，电磁 转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压 ，可以得到不同的人为机械特性，如图1-8。 1.2 异步电动机的机械特性 8 调压时的机械特性 Te O n n0 Temax sm TL UsN 0.7UsN A B C F D E 0.5UsN 风机类负载特性 恒转矩负载特性 Tst 图1-8 异步电动机在不同电压下的机械特性 特点： (1)n0不变 (2)T(包括Tst)正 比于u1的平方 (3)Sm不变 9 带恒转矩负载TL时，可得不同的稳定转 速，如图2-1中的A，B，C点。由于普通异步 电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩 负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵 类机械，由于其负载特性为TL=kna(a1)，采 用调压调速则可得到较大的调速范围，如图2 -1中的D，E，F点。 1.2 异步电动机的机械特性 10 交流调压调速的基本结论 降压调速在恒转矩条件下，转子电流随转速的降低而增大 由公式(1-17) 可得：当Te=TL时，有 Us n 额定恒转矩条件下，降压则过载！例如冰箱、空调等。 U I 电动机为非线性负载，不能简单套用欧姆定律。 因此，降压调速的方法仅适用于负载较轻或调速范围 较小的情况。 11 显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增 大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又 称作交流力矩电机。 为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使 电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电 机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时 的机械特性绘于图1-10。 12 交流力矩电机的机械特性 图1-10 高转子电阻电动机（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性 UsN 0.7UsN A B C TL 0.5UsN 恒转矩负载特性 n0 Te 0 s,n 1 0 13 调压调速更适合于风机泵类负载转子电流随转速的 下降明显上升，有时还会下降（调速范围比较宽） 由公式(1-17)可得： 稳态运行时： U1 n s 必有最大值 )1( r R s s - r 22 0 2 )1( )1( r L R s sI sknknTT - -= 2 rp r R s T 3n f I= p 交流调压调速的基本结论 14 交流调压调速的基本结论 解上式，得s1/3。 当s1/3时，转子和定子电流将 随速度的降低而降低。 s0 Ir 1 Ir=f(s ) 图1-11 风机泵类负载时转子电流变化曲线 调（降）压调速更适用 于风机泵类负载。 15 所谓的调压调速，就是通过改变定子外加 电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到 改变电动机在一定输出转据下转速的目的。 那么，怎样实现调压调速呢？ 16 异步电动机变压调速电路 变压调速是一种典型的转差功率消耗型调 速系统。 转差功率消耗型 异步电动机降压调速 转子回路串电阻调速 电磁转差离合器调速 17 Y形接法 0 负载 a b c a) ua ub uc ia Ua0 VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2 R R R 18 形接法 负载 b) a b c ua ub uc ia 19 交流变压调速系统可控电源 M 3 TVC 利用晶闸管交流调 压器变压调速 TVC双向晶闸 管交流调压器 利用晶闸管交流调压器变压调速 20 控制方式 1）相位控制 u t 特点：能实现无级调速，对电网有污染，功率因数低 21 2）周波控制（开关控制） 特点：无污染，功率因数高；不能实现无级调速 TonToff=60 (保证每个时刻至少有两 个管子导通。 触发规律 T1T2 T3T4T5T6 N a b c ua ub uc ia Ua 0 VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2 R A R B R C 26 设系统已经工作，即 在VT1的脉冲到来之前 ，VT4,VT5,VT6导通 (1)分析0时Y电 路的工作原理，此时N 点电位为0，触发VT1 ，则VT1导通。 图 三相全波星形联结调压电路 0时的波形 o uR A VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 1 23456 o a) b ) c) d ) uA u B u C ug t t t 27 正向晶闸管T1,T3,T5在电源电压 波形正半波的起始点被触发导通 反向晶闸管T4,T6,T2在电源电压波 形负半波的起始点被触发导通 每个元件导通180,半波过零 点，自行关断 在每个60区间有三个晶闸管 同时导通。 o uR A VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 1 23456 o a) b ) c) d ) uA u B u C ug t t t 28 (2)分析30时Y 电路的工作原理 图 30时的波形 o uRA VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 123456 o a) b) c) d) uA uB uC ug t1t20t10t2t3 t t t 关注N点电位变化！ 设系统已经工作，即在T1 的脉冲到来之前， VT5,VT6已经导通（ 而 不是VT4 VT5,VT6导通） 29 由导通区间可计算各相负载所获得的调压电压 （一周12个阶段），以A相正半周为例 30 (3) 60情况下的具体 分析与30时分析相 似。 每个晶闸管导通120 每个区间均有两个晶 闸管构成回路。 导通特点： 60时A相脉冲分配图，导通区 间图和负载电压波形的波形 o uRA VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 123456 o a) b) c) d) uA uB uC ug t1t2 t3 t t t /3 31 (4) 90情况 90情况图2-9 o uRA VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 123456 o a) b) c) d) uA uB uC ug t1t2 t3 t t t /2 6 32 由此负载电压URA可以求出(正、负半周反向对称)， 波形如图所示。 N a b c ua ub uc ia Ua 0 VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2 R A R B R C 33 小 结 电路移相范围为150，为设计触发电路参考。 电阻性负载： 如电炉子 电解过程 白炽灯 6090150 120 180 图2-12 移相角与控制角之间的关系 34 (二) 在电阻电感性负载时 当交流调压电路的负载为交流电动机、变压器等电感 性负载时，晶间管的工作情况与电阻性负载时就不相同. 因为在电阻-电感性负载时，电路中电流的波形与电 压的波形不同相。当电源电压过零点时，由于电路自感 电势的作用使电流要滞后一个角度(时间)才能为零而去关 断晶闸管，因此，晶闸管的导通角会增大，并由于晶间管 是在电压过零后经过一个延迟才关断，所以它是在承受反 压情况下被关断的。显然此时晶闸管的工作不只与控制角 有关。还与负载电路的参数阻抗角有关。 35 以单相为例 (a)单相交流调压电路 单相交流调压电路，以阻抗角 来表征电阻电感负载的参数情况。 分析一下电路的工作原理，画出相应的波形 VT2 R u1 iL uLVT1 L 36 b)输入U1电压波形 c)触发脉冲 d)为晶闸管的导通区间 e)为负载电流波形 f)为负载电压波形 图2-14 u t g 0 u1 2t t t VT1 VT2 1 2 iL uL b) c) d) e) f) 37 当很小或者负载电感量很大时；UL=Ui-失控 需要研究f(,L,R)=f(, )之间的关系， 这是一个超越方程，它表示了f(, )的关系。 利用它可以按负载阻抗角 求得不同时的导电角。 但是这组曲线只适用于 的情况。 (2-2) 38 0 20406080 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 图2-15 电路在 39 讨 论 当 时，为纯电阻性负载，有 当 时，导通角 也是断续的 时，为临界状态，电流刚好导通 晶闸管全导通工作，负载上得到的是电源电 压，实际上失去了调压作用。 ，此时电流波形 ，这相当于 当 且0 j