项目三 交流电机类型及其控制技术

项目三交流电机类型及其控制技术,交流电机可分为同步电机和异步电机两大种类，如果电机转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电机就称为同步电机。如果电机转子的转速不等于定子旋转磁场的转速，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。异步电机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便、效率较高的优点，得到广泛应用。其主要缺点在于功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场，故其功率因数小于1。,第一节交流电机类型,按其原理不同，交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两大类，同步电动机的旋转速度与交流电源的频率有严格的对应关系，在运行中转速严格保持恒定不变；异步电动机的转速随着负载的变化稍有变化。按所需交流电源相数的不同，交流电动机又可分为单相和三相两大类，目前使用最广泛的是三相异步电动机，这是由于三相异步电动机具有结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便等优点。在没有三相电源的场合及一些功率较小的电动机则广泛使用单相异步电动机。三相异步电动机根据其转子结构的不同又可分鼠笼式和绕线式两大类，其中鼠笼式应用最为广泛。交流异步电机具有以下的特点。交流异步电动机具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、工作可靠、效率较高、无需保养等特点，特别是采用鼠笼式转子时，交流电动机具有其他电动机不可比拟的优点，随着电子调速技术的发展，已成为电力拖动选择的主要机型。,第二节三相异步电机的构造及工作原理,三相异步电机的定子和转子由层叠、压紧的硅钢片组成；两端采用铝盖封装，在转子和定子之间没有相互接触的部件、结构简单、运行可靠、经久耐用、价格低廉，如图3-1所示。三相异步电机的定子绕组是一个对称的三相绕组。当三相异步电机接到三相电源上，定子绕组就能够产生一个旋转磁场。该磁场切割转子绕组，在转子绕组中感应电动势。如果转子绕组电路闭合，则会产生转子电流，该电流与定子旋转磁场相互作用，使转子绕组导体受到电磁力的作用，从而使转子跟着定子旋转磁场同方向旋转，电机就能带动机械负荷。如果三相异步电机转子的转速与旋转磁场的转速相同，则转子绕组的导体不切割旋转磁场的磁力线，导体中就没有感应电动势和电流，也就不会产生电磁力使转子转动。,2.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、风扇、风扇罩、接线盒、吊环等其他附件。1）定子部分定子部分是用来产生旋转磁场的，三相交流异步感应电动机定子由定子铁芯、定子绕组等部分组成。(2)定子铁芯交流异步感应电动机定子铁芯是电动机磁路的一部分(3)定子绕组定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称交流电流时，就会产生旋转磁场。（4）转子部分异步电动机的转子分为绕线形与鼠笼形两种，因此称为绕线异步感应电动机与鼠笼形异步感应电动机。,2.2三相异步电机的工作原理在交流异步电动机中，定子绕组流过依次相差1200相位角的三相交流电时，产生旋转磁场。该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势，因为绕组是闭合回路，所以产生感应电流，有电流的绕组导体在旋转磁场中产生电磁力，对转轴形成电磁转矩带动转轴转动。,2.3转差率与异步电动机运行状态之间的关索异步电动机可以有三种运行状态,它与转差率s或转速n之间的关系可用图3-8来表示。1）电动机运行状态。当0nn0或0s1,为电动机运行状态。如前所述，由于转子与旋转磁场存在差速，转子导体就能切割磁场而感应电动势及电流，产生的电动转矩为驱动转矩，电动机即能克服负载转矩与磁场同方向旋转。电动机从电源吸收电功率，从轴上输出机械功率。,3)电磁制动状态。当n1时,为电磁制动状态。如果串动机所带负载的转矩很大,电动机不仅不能带动负载,反而会在负载转矩的作用下朝着相反的方向旋转。例如，在吊车起吊货物时,由于货物过重,电动机不仅不能将货物吊起来，反而由于货物的下沉而使电动机反转，即转速n变为负值，电磁转矩即为制动转矩。此时电动机一方面从电网只收电功率，另一方面又从轴上吸收机械功率，两部分功率变为电动机内部的损耗，异步电动机运行于电磁制动状态,也称为“反接制动”状态。,第三节异步电动机工作特性分析,异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转差率，转矩电流，效率，功率因数等）随输出功率变化的关系曲线。1）转差率特性随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。2）转矩特性随着转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，而异步电动机转矩曲线为一个上翘的曲线。（近似直线）3）电流特性空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。,4）效率特性其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。异步电动机额定效率载7494%之间；最大效率发生在(0.71.0)倍额定效率处。5）功率因数特性空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。,第四节三相异步感应电动机的转矩与功率的关系,第五节三相异步感应电动机的机械特性三相异步感应电动机在牵引控制中，采用转差频率矢量控制策略进行控制。三相异步感应电动机的机械特性一般分为两个阶段。,第六节再生制动三相异步感应电动机可以工作于两种运动状，即电动运转状态和制动运转状态。1）电动运转状态。在三相异步感应电动机处于电动运转状态时，供电系统向三相异步感应电动机供给电能，产生正向旋转的驱动转矩。三相电源中任何两相接线交换，都产生反相旋转的驱动转矩。通过简单的换相接线，即可实现电动汽车电动逆向行驶（倒车）。2)制动运转状态。三相异步感应电动机的三种制动运转状态：反馈制动、反接制动和能耗制动。一般情况下，电动汽车利用反馈制动回收能量可以达到车辆所消耗能量的10%15%,这对与电动汽车的节能有重要意义。,在反馈制动状态，感应电动机被电动车带动，并将一部分惯性能量转换为转子钢耗，而大部分通过进入定子。除去定子铜耗与铁耗后，电能反馈到电流转换器被转换并储存到动力电池中，因此又称为发电制动。由于Te为负，s0，所以反馈制动状态的机械特性是电动状态机械特性向第三象限的延伸。,第七节交流异步电机起动方式三相异步电动机从接通电源，转子从静止状态转到稳定状态运转的过程，称为起动过程。电动机起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。鼠笼式异步电动机起动常用方法有直接起动、自耦减压起动、星-三角起动、软起动、变频起动等。1)直接起动直接起动就是利用闸刀开关或交流接触器将电动机直接接入电网，使其在额定电压下起动，又叫全压起动。2)降压起动降压起动目的是为了限制起动电流，减小电动机起动时对电网的影响，其方法是在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待电动机转速接近稳定时，再把电压恢复到正常值。3)软起动器软起动器以电子和可控硅为基础，是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。4)变频器启动变频器是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。主要由整流器和逆变器两大部分组成。,第八节交流异步电机交流调速控制异步电机的调速方法主要有调定子电压调速、滑差电机的转差离合器调速、绕线式电动机的转子串电阻调速、串级调速、双馈调速、变频调速等等。转差功率是否被损耗，是衡量异步电机系统效率高低的标准，高效调速指转差率不变，因此无转差损耗，有转差损耗的调速方法属低效调速，如调定子电压调速，转差功率以发热形式消耗在转子电阻中；转差离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中。因此这些方法均属于转差功率损耗型，效率较低。串级调速和双馈调速可以把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用，属于转差功率利用型，但是调速范围较窄，且谐波影响较大。变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法，没有转差功率损耗，效率高；调速范围大，机械特性硬，精度高，因此得到了广泛的应用。,第九节交流异步电机控制技术20世纪90年代后，交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破。相比直流电机，交流电机体积小、重量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便，在电动汽车上得到了广泛应用。当电动汽车减速或制动时，电机处在发电制动状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换。在电动汽车上，由功率半导体器件构成的PWM功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相异步电机逆变器的控制方法主要有V/f恒定控制法、转差率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法(DTC),1）矢量控制矢量控制又称磁场定向控制，按同步旋转参考坐标系定向方式可分为转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向控制。转