电动机变速原理.doc

3、 电动机变速原理第一节，异步电动机的变速原理人为的改变电动机转速，以满足电动机拖动负载对转速的要求，称为电动机变速。异步电动机转子转速n可表示为 n=(1s)n1=60f1/p(1s)由上可知，异步电动机的变速可以从以下途径下手。（1） 改变定子绕组极对数P，以改变同步转速n1和转子转速n0。（2） 改变电源频率f1，以改变同步转速n1。如果f1可连续、平滑改变，则转子转速n可连续、平滑调节。（3） 改变电动机转差率s。由电磁转矩公式知，s与许多因素有关，但对已制成的电机常用办法有: (1)改变施加于定子绕组的电压 u1。（2） 绕线型电机转子回路串入电阻或电动势。下面逐一简单介绍异步电动机转速变速方法及原理。一变极调速原理在电源频率f1不变的情况下，改变定子绕组极对数P，则改变了同步转速n1,相应的转子转速n也随之改变，此为变极调速。由于极对数P只能作整数倍变动，故变极调速是一级一级的跳跃式变化，不平滑。交流电机定子绕组电流产生的磁动势极数，实际上取决于绕组中电流的方向。为此，改变绕组线圈组的连接方法，使绕组中的电流方向改变，即可以改变定子绕组磁动势的极数。常用的一种“反向变极”法就是改变线圈连接组别，使每相绕组中半数线圈中的电流反向，从而达到“倍数变极”的目的。图8-21所示为四极时绕组接法，使其A2X2半数电流反向，则如图8-22所示是二极的磁动势。 单绕组变极，可以获得倍极比（如2/4极、4/8极）的双速电机，也可以获得非倍极比（如4/6极、6/8极）的双速电机，甚至可以获得2/4/8和4/6/8的三速电机，构成异步电动机的多速电机系列。单绕组倍极比变极电动机的三相绕组 ，常用的接线方式有两种，一种是Y/YY接法，其中Y接法时为低速（多极），YY接法时为高速（少极），图8-23为其接线原理图。这种接线调速前后输出转矩近似不不变，适用于恒转矩类负载的调速。另一种是/YY接法，其中接法为低速 （多极），YY接法时为高速（少极）图8-24为其原理接线图。这种接线方式调速前后输出功率近似不变，因此适用于恒功率类的负载的调速。注意！倍极比变极时，三相绕组引出线相互间的空间相位差，在少极数时为120，变为多极数时为240，因此改接后如果仍加原相序的外电压，电动机的转相会改变。为保证变极调速前后电动机转向不变，应在改接变极的同时，将电机绕组出线任意两端对调后，接在原相序的三相电压上，如图8-23和图8-24中，B、C两端头对调，才能保证变极调速前后电动机转向不变。2、 变频调速原理 电机气隙磁场同步转速n1=60f1/p与f1可以连续平滑改变，则电动机转速n可以平滑，连续的在较大的范围内改变。额定频率fN称为基频，则变频调速可以从基频开始向下调，也可以从基频向上调。1 基频以下调速在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流为恒定，即可控制电机的转矩为恒定，称为恒转矩控制，即电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。由于恒定U 1 / f 1控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定U 1 / f 1控制属于恒转矩控制。严格地说，只有控制E g / f 1 恒定才能控制电机的转矩为恒定。 恒定气隙磁通F M控制（恒定E g / f 1控制）根据异步电动机定子的感应电势 E g =4.44 f 1 N 1 K N1 F M （式中 E g为气隙磁通在每相定子感应的电动势，f 1为电源频率，N 1为定子每相绕组串联匝数，K N1为与绕组结构有关的常数，F M为每极气隙磁通），可知，要保持F M不变，当频率f 1变化时，必须同时改变电动势E g的大小，使 E g / f 1常值即采用恒定电动势与频率比的控制方式。（恒定E g / f 1控制） 又，电机定子电压 U 1E g + ( r 1 + j x 1 ) I 1（式中 U 1为定子电压，r 1为定子电阻，x 1为定子漏磁电抗，I 1为定子电流），如果在电压、频率协调控制中，适当地提高电压U 1，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持E g / f 1为恒值，则无论频率高低，每极磁通F M均为常值，就可实现恒定E g / f 1控制。恒定E g / f 1控制的稳态性能优于下面讲的恒定U 1 / f 1控制，它正是恒定U 1 / f 1控制中补偿定子压降所追求的目标。恒定压频比控制（恒定U 1 / f 1控制）根据上面的公式，在电动机正常运行时，由于电动机定子电阻r 1和定子漏磁电抗x 1的压降较小，可以忽略，则电机定子电压U 1与定子感应电动E g近似相等，即 U 1E g则得 U 1 / f 1常值这就是恒压频比的控制方式。（恒定U 1 / f 1控制） 由于电机的感应电势检测和控制比较困难，考虑到在电机正常运转时电机的电压和电势近似相等，因此可以通过控制U 1 / f 1恒定，以保持气隙磁通基本恒定。恒定U 1 / f 1控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比U 1 / f 1为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。恒定U 1 / f 1控制的出发点是电动机的稳态数学模型，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。在过渡过程中，电动机所产生的转矩需要按照电动机的动态数学模型进行分析计算。因此恒定U 1 / f 1控制的电动机系统难以满足动态性能的要求。在起动时，为了使系统能满足稳态运行的条件，频率的变化应尽可能缓慢，以避免电动机出现失速现象，即电动机转子的转速与旋转磁场的转速相差很大。滑差增大，造成电动机中流过很大的电流，电动机输出的转矩将减小。恒定U 1 / f 1控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电机的开环速度控制。恒定U 1 / f 1控制存在的主要问题是低速性能较差。这是由于低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，已不能忽略，电机的电压和电势近似相等的条件已不满足，仍按U 1 / f 1恒定控制已不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小，电机电磁转矩的减小。因此，在低频运行的时候，要适当的加大U 1 / f 1的值，以补偿定子压降。若采用开环控制，则除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。对电压型变频器，考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间，为防止上下元件在导通/关断切换时出现直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。在开关导通延迟时间内，桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态，因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压低。在低频的时候，变频器的输出电压比较低，PWM逆变脉冲的占空比比较小，这时互锁时间的影响就比较大，从而导致电机的低速性能降低。互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。对磁通进行闭环控制是改善U 1 / f 1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，电机的电流波形的到明显改善，气隙磁通更加接近圆形。恒定转子磁通F r控制（恒定E r / f 1控制）如果把电压、频率协调控制中的电压U 1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便的到恒定E r / f 1控制，其机械特性是一条直线。显然，恒定E r / f 1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。问题是，怎样控制变频器的电压和频率才能获得恒定E r / f 1的呢？按照电动势与磁通的关系 E g =4.44 f 1 N 1 K N1 F M 可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在上式中，气隙磁通E g的感应电动势对应于气隙磁通F M，那么，转子磁通的感应电动势E r就应该对应于转子磁通F r E r =4.44 f 1 N 1 K N1 F r由此看见，只要能够按照转子磁通 F r恒值进行控制，就可获得恒定E r / f 1控制。这正是矢量控制系统所遵循的原则。2 基频以上调速当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此，在电机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电机电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化。具有恒功率特性。在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时，电机调速属于恒转矩调速。电机在恒转矩调速时，磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。三，改变转差S的调速原理以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。定子调压调速当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。（2）转子变电阻调速 当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。 转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。（3）电磁转差离合器调速 异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。 电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。 电磁转差离合器的工作原理是：如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被“合上”，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。 电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。串极调速 前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能？串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。 串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。 串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。 串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。第2节 ，直流电动机的变速原理 直流电动机具有优良的调速性能，它可以在宽广的速度范围内平滑而经济的进行速度调节，这是交流电动机无法达到的！由于直流电动机机械特性方程得电动机转速所以由上式可知，直流电动机调速方法有下列三种:调节励磁电流以改变磁通；改变电枢回路串入的调速电阻Rad;改变外加电源电压U。 （1） 改变电枢回路串入的调速电阻 从特性可看出，在一定的负载转矩TL下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，可以分别得到稳定工作点A、C、D和E，对应的转速为nA、 nB、 nC、 nD。改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低； 在空载或轻载时，调速范围不大； 实现无级调速困难； 在调速电阻上消耗大量电能等。（2） 改变电动机电枢供电电压U由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。 在电压分别为 UN、 U1、 U2、 U3的情况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和d，对应的转速为na、 nb、 nc、 nd。改变电枢外加电压调速有如下特点： （1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额 定转速以下调节； （2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定 度较高，调速范围较大； （3）调速时，因电枢电流与电压U无关，且F=F N，T=Km FN Ia不变。 （4）可以靠调节电