第三讲异步电动机的机械特性及调压电路-2011.ppt

1 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 2 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 3 1 2异步电动机的机械特性 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 4 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 5 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 6 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 7 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 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4 7倍 但启动转矩却不大 8 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 9 调压时的机械特性 Te O n n0 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 10 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 a 1 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 11 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Usn额定恒转矩条件下 降压则过载 例如冰箱 空调等 UI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 12 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 13 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 14 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 U1ns必有最大值 交流调压调速的基本结论 15 交流调压调速的基本结论 解上式 得s 1 3 当s1 3时 转子和定子电流将随速度的降低而降低 调 降 压调速更适用于风机泵类负载 16 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 17 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 18 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 19 形接法 20 交流变压调速系统可控电源 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 21 控制方式 1 相位控制 特点 能实现无级调速 对电网有污染 功率因数低 22 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 Ton Toff 机械时间常数Tm1 10 控制方式 23 如Tm 1s 则Ton Toff 100ms 以50Hz工作 则为5个周期 TON TOFF 在不同导通周期负载上电压有效值为 24 25 三相 Y 型调压电路分析 图2 5三相Y型调压电路 26 一 带纯电阻负载时的工作原理 1 电路特点 0 的确定 对应于正负半轴波形的过零点 每个脉冲的宽度T 60 保证每个时刻至少有两个管子导通 触发规律 27 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 28 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 29 2 分析 30 时Y电路的工作原理 图 30 时的波形 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VT4VT5 VT6导通 30 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 31 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 32 4 90 情况 90 情况 图2 9 o uRA VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 1 2 3 4 5 6 o a b c d uA uB uC ug t1 t2 t3 t t t 2 6 33 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 34 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 60 90 150 120 180 图2 12移相角与控制角之间的关系 35 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 36 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 37 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 g 0 u1 2 VT1 VT2 1 2 iL uL b c d e f 38 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 39 40 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 a j 41 时 电路中的电感作用相对很大 电流维持 以上 影响晶闸