交流电机变频调速及其应用异步电动机变压变频调速理论基础.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 崔纳新 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 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 4 1 2异步电动机的机械特性 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 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 特点 1 n0不变 2 Te 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 1 恒转矩负载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 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 交流力矩电机的机械特性 13 2 调压调速更适合于风机泵类负载 转子电流随转速的下降不明显上升 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 14 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 15 异步电动机变压调速 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 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矩下转速的目的 那么 怎样实现调压调速呢 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 19 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 20 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 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 Ton Toff 机械时间常数Tm1 10 控制方式 22 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 23 24 闭环控制的变压调速系统及其静特性 为此 对于恒转矩性质的负载 要求调速范围D大于2时 往往采用带转速反馈的闭环控制系统 采用普通异步电机的变电压调速时 调速范围很窄 采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围 但机械特性又变软 因而当负载变化时静差率很大 开环控制很难解决这个矛盾 25 1 系统组成 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统 a 原理图 26 ASR 转速调节器 比例积分 PI调节器的特点 1 无静差调节 2 具有较好的动态性能 27 2 系统静特性 图2 20b闭环控制变压调速系统的静特性 28 同理 当负载降低时 会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A 当系统带负载在A点运行时 如果负载增大引起转速下降 反馈控制作用能提高定子电压 从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A 按照反馈控制规律 将A A A 连接起来便是闭环系统的静特性 闭环控制的变压调速系统及其静特性 29 如果采用PI调节器 照样可以做到无静差 改变给定信号 则静特性平行地上下移动 达到调速的目的 尽管异步力矩电机的机械特性很软 但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬 闭环控制的变压调速系统及其静特性 30 二 定子回路串电抗或电阻时的机械特性 众所周知 笼型转子异步电动机定子回路是开放的 若在其定子回路分别串接三相对称电抗XQ或电阻 定子电流会在外串的电抗或电阻上产生压降 则使定子绕组上的电压降低 从而使得电磁转矩减小 由于定子电抗或电阻增大 临界转差率sm随之减小 此时异步电动机的人为机械特性如图1 12所示 31 二 定子回路串电抗或电阻时的机械特性 可以看出定子串联电阻与降低定子电压调速的机械特性是相似的 主要用于功率不大的笼型转子异步电动机轻载或空载启动时限制电流 通常是在电动机起动时在三相定子回路中串接电阻 待启动结束后 再将电阻短路 电动机即在额定电压下正常运行 32 二 定子回路串电抗或电阻时的机械特性 异步电动机定子回路串电阻启动 调速的缺点是 在电阻上功率损耗较大 如果启动频繁 则电阻的温升很高 对于精密的生产机械有一定影响 功率较大或高压笼型转子异步电动机启动时 可以用定子串联电抗的方法限制启动电流 以免因串联电阻而产生较大的能量损耗 例如 我们日常生活中的调速电风扇有相当一部分就是采用定子串联电抗的方法实现调速的 33 三 绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性 异步电动机转子串电阻时的机械特性曲线如图1 13所示 由图中可以看出 转子电阻为R时 起动转矩为Tq 转子电阻增加到R1时 起动转矩增加至Tq1 转子电阻增加到R2时 起动转矩增加至Tq2 如果再增加转子电阻至R3时 启动转矩却减小至Tq3 异步电动机转子串电阻调速时 同步转速n0不变 而临界转差率与转子电阻Ri成正比 即转子串接电阻越大 则临界转差率越大 机械特性越软 34 三 绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性 绕线转子异步电动机转子串电阻调速的优点是设备和线路简单 投资不高 启动转矩大 但这种调速方法属于转差功率消耗型 即调速过程中增加的转差功率全部被转化成热能消耗 因此这种调速系统的效率随调速范围的增大而降低 机械特性较软 因而稳定性差 调速范围受到一定的限制 35 三 绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特