第六章-交流电动机调速及变频原理

交流电动机调速系统第六章交流电动机调速及变频原理交流电动机调速系统6.1交流异步电动机调速的基本类型三相异步电动机的变频调速原理6.2通用变频器的基本结构与控制方式6.3教学内容交流电动机调速系统学习目标了解交流电动机调速的3种基本方法。理解通用变频器的各种分类方法和控制方式。掌握通用变频器的基本结构及变频原理。概述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相比。随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生。交流电动机调速系统直流电机的缺点:直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修；换向火花使直流电机的应用环境受到限制；换向能力限制了直流电机的容量和速度。交流电机没有上面的弱点。目前，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。交流电动机调速系统•交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速交流电动机调速系统1.一般性能的节能调速应用数量巨大：风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上；过去的调速运行手段：因为过去的交流拖动调速比较困难，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了；如果采用交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20~30%以上的电能，效果是很可观的。风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。交流电动机调速系统2.高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动；由于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能。又出现了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列高性能交流调速系统和交流伺服系统。交流电动机调速系统3.特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。交流电动机调速系统交流调速系统的主要类型交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。交流电动机调速系统交流电动机调速系统由异步电动机的转速公式：116011fnn(s)(s)p可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1）改变定子极对数调速。p（2）改变电源频率调速。1f（3）改变转差率调速。s6.1交流异步电动机调速的基本类型交流电动机调速系统)1(60)1(10SpfnSn变频不变型，（他控式、自控式）变极调压串电阻串级电磁转差离合器耗能型不变型，有级调速馈送型，设备费用高异步电动机的调速方式：交流电动机调速系统6.1.1变频调速交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。变频器在英文译名是VFD（Variable-frequencyDrive）。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）。交流电动机调速系统它与直流调速系统相比具有以下显著优点：（1）变频调速装置的大容量化。（2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。（3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。交流电动机调速系统（4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。（5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60％。交流电动机调速系统软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软起动器与变频器知识拓展交流电动机调速系统6.1.2变极调速磁极对数p的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。2p180分）转/(50011p360分）转/(0003磁极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速n0)f(Hz5013p120分）转/(00014p分）转/(75090电动机的同步转速取决于磁场的极对数)/(6010分转pfn交流电动机调速系统U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场。反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场。以4极变2极为例：交流电动机调速系统目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图6-3所示；Y-YY后,电动机极数减少一半,转速增大一倍,即，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。2YYYnn变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。交流电动机调速系统另一种是从三角形改成双星形，写作△/YY，如图6-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。∆-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即，容许输出功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。2YYnn变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。交流电动机调速系统变极调速只用于笼型电动机。这种方法的缺点是十分明显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能得到4种转速，与所要求的无级调速相去甚远。只适用于笼型异步电动机。这种调速方法简单，但电动机结构复杂，较少应用。交流电动机调速系统6.1.3变转差率调速1.改变定子电压调速−−交流调压调速])()/[(/32'21212'211'221lleLLsRRsRpUT异步电动机的机械特性方程式:其中：p为电机极对数；U1为相电压有效值R1为定子每相绕组的内阻Ll1为每相漏感R2′为折算到定子侧的每相电阻Ll2′为折算到定子侧的漏感电机参数一定，当S，f1不变时，T仅与U1有关。交流电动机调速系统四个关键点D:理想空载点（同步点）C:额定运行点B:最大转矩点(拐点）A:起动点理想空载点N=N0，S=0，T=0额定运行点N=NN，S=SN，T=TNN0NNTN最大转矩点mmTTSS,临界转差率最大转矩TmSm起动点QTTSn,1,0起动转矩交流电动机调速系统调压调速的机械特性nTmTmSNUUU'1''1ZT123cba风机类负载特性n0（1）异步电动机调压调速时存在的问题1）改变定子调压时调速范围不大（恒转矩负载）。如图1、2、3点。2）低速时运行稳定性不好，如带风机类负载时，可得到较大的调速范围（如abc点），转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。'1U0.7UN''1U0.5UN0当s一定时，T∝U2，改变U1得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载TZ时，可得到不同的稳定转速，如下图中的1、2、3点。同步转速n0不变，临界转差率Sm不变交流电动机调速系统（2）解决问题的措施使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图所示—机械特性变软。eTS0n0n1NU1N7.0U1N5.0U10LT图5-7高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性ABC高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。交流电动机调速系统如下左图所示。单相调压电路如右图所示。M3~M3~M3~~~~TULSVVC+-(a)(b)(c)图5-2异步电动机调压调速原理~RU1U1VT2VT图5-3晶闸管单相调压电路晶闸管单相调压电路U02t图5-4晶闸管相位控制下的负载电压波形晶闸管相位控制下的负载电压波形通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压的大小。获取交流电源的方法知识拓展晶闸管交流调压装置交流电动机调速系统晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。RRR1VT2VT3VT4VT5VT6VTUVW图5-6三相全波星形联结的调压电路三相全波星形联结的调压电路交流电动机调速系统（3）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力）。转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。ASRM3~TGnVVCGT-nUnUctU~(a)（a）原理图交流电动机调速系统（4）调压调速系统闭环静态结构图调节器晶闸管调压装置异步电动机转速反馈装置给定nUnU+-ctU1Un图5-9调压调速系统静态结构框图调压调速系统静态结构框图它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非常相似，只要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电动机即可。交流电动机调速系统交流调压调速是通过改变电动机定子外加电压从而改变转差率S进行调速的。它是一种简单、可靠、价格便宜的调速方法，但其调速特性软，低速时转差功率损耗大，效率较低。交流调压调速常采用晶闸管组成的交流调压调速系统。小结交流电动机调速系统nT0mTmS1nQT'2r''2Rr'QT'mS1ZT2'ZT轻载调速范围不大调速前：1，S1调速后：2，S22.绕线式异步电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。转子串电阻时同步转速和最大转矩Tm不变，临界转差率增大。0RmTmS不变QT0n不变nn=n0(1-s)交流电动机调速系统转子串电阻调速的优点是：设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。缺点是：转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。交流电动机调速系统3.绕线式异步电动机在转子回路中串级调速在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。其优点是：可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。缺点是：只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。交流电动机调速系统6.1.3电磁转差离合器调速（异步电动机本身并不调速）电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理从动部分与负载连在一起电枢由笼型异步电动机以恒速带动，称主动部分晶闸管控制装置通过对电磁转