三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现

三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现 第一章 随着电力电子学、微电子技术、计算机技术以及电机理论和自动控制理论的发展，影响三相交流电动机发展的问题逐渐得到了解决，目前三相异步交流电动机的调速性能已达到直流调速的水平。在不久的将来交流调速必将取代直流调速。在实际生产过程中，根据加工工艺的要求，生产机械传动机构的运行速度需要进行调节。这种负载不变，人为调节转速的过程称为调速。通常有机械调速和电气调速两种方法，通过改变传动机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。不同的生产机械，对调速的目的和具体要求各不相同，对于鼓风机和泵类负载，通过调节转速来调节流量，这与通过调节阀门调节的方法相比，节能效果更加显著。 调速控制是交流电动机的重要控制内容，实际应用中的交流调速方法有多种，常见的有变极调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁调速、异步电动机调速、变频调速等。 目前广泛使用的调速方法仍然是传统的改变极对数和改变转子电阻的有级调速控制系统，近年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的进步，变频调速技术发展迅速，已应用于很多生产领域，这是将来调速发展的方向。 引 言 1 第二章 三相异步电动机的简介 2.1三相异步电动机的基本原理 静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。如图21所示 no F F n 图21电动机的运行原理 电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n1，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。 转子电动势和转子电流 定子绕组通入电流后，产生旋转磁场 ，与转子绕组间产生相对运动 ，由于转子电路是闭合的，产生转子电流。根据左手定则可知在转子绕组上产生了电磁力。 电磁转距和转子旋转方向 电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转距 T ，电磁转距的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。 2 转子转速和转差率：转子转速n与旋转磁场的转速 n1 的方向一致，但不能相等。 n1 又称为同步转速。异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即： 转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约1%9%。 异步电动机带负载运行：轴上加机械负载，轴阻力，转速，转子与旋转磁场相对切割速度，转子感应电流，输入电流。 电动机的极对数：极数和转速在生产中，有时要求异步电动机在不改变负载的情况下转速能够调节，称为异步电动机的调速。根据转差率公式 可得 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可大到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。 2.2调速方法 一 改变主磁极调速 改变磁极对数调速,实际上是改变定子绕组的连接方法。通过改变定子绕组的级对数p以改变定子旋转磁场的同步速n1,从而实现异步电动机的调速。 3 二 改变频率调速 通过改变异步电动机输入电压的频率f1，以改变定子旋转磁场的同步速n1，从而实现异步电动机的调速。 根据前述概念，不难得出对于恒负载转矩调速 U1/ f1=U1/f1=定值 式中，U1、f1变频后的定子电压与频率； U1、f1变频前的定子电压与频率 对于恒功率调速 U1/ f1= U/f=定值 三 改变转差率s、改变电压U调速 改变转差率S的调速只能在绕线式转子电动机中使用，在其转子电路中串入附加电阻，便可改变转差率。当频率f和磁极对数p不变时，转差率s是下列各物理量的函数： S=f(U1,r1,x1,r2，x2) 可见，改变转差率的方法有多种。 1 改变定子端电压U1 Tmax Tq TN O T n0 nN n a b c sm 1 s TN Tq Tmax T (a) T=f(s)曲线 (b) n=f(T)曲线 O 图22 为Tem=f(s)曲线 图2-2(a)所示为不同端电压U1下的Tem=f(s)曲线。TMAXU1最大电磁转矩TMAX正比于定子端电压U1，可见，发生最大电磁转矩的转差率SM与U1无关。从图中可见，在相同的负载转矩下，降低升高输入端电压U1将使电动机转速降低。图2-2(b) 由于电动机的转速与每相定子绕组所加电压的平方成正比，故降压起动将导致电动机的起动转矩大大降低，因此降压起动只适用于空载或轻载起动。当电动机起动到接近额定转速时，为使电动机带动额定负载，必须将加到电动机定子绕组的电压恢复到额定值。图23 4 所示为定子绕组串接电阻降压起动控制线路。电动机起动时在定子绕组串接电阻或电抗器，起动电流在电阻或电抗上产生电压降，使定子绕组上的电压低于电源电压，起动电流减小。待电动机转速接近额定转速时，再将电阻或电抗器短接，使电动机在额定电压下进行. 图23 为定子绕组串接电阻降压起动控制线路 电动机起动过程如下。合上电源开关QS，接下起动按钮SB2，接触器KM1、时间继电器KT线圈同时通电并自锁，此时电动机定子绕组串接电阻R进行降压起动。当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT常开延时触头闭合，接触器KM2线圈通电并自锁，KM2常闭触头断开并切断KM1、KT线圈电路，使KM1、KT断电释放。于是形成先由KM1主触头串接定子回路电阻R，再由KM2主触头短接定子电阻，电动机经KM2主触头在全压下进入正常运转。 定子绕组串接电阻降压起动方式不受电动机接线形式的限制，较为方便。降压起动电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻或铸铁电阻，电阻功率大、流通能力强。但起动时会消耗大量的电能，所以不宜用于经常起动的电动机上，往往用电抗器代替电阻，只是电抗器价格较高，增加了设备成本。通常高压电动机采用定子绕组串接电抗器降压起动，低于电动机串接电阻降压起动。 2 改变转子电阻r2 在绕线型转子回路串入可调电阻r。由图知最大电磁转矩TMAX与转子回路电阻无关，可见，发生最大电阻转矩时的转差率SM正比于，图24所示分别为不同转子回路串入电阻r1r2时的Tem= f(s)曲线。 5 图24 为Tem= f(s)曲线 从图中可见，在相同的负载转矩下，增加转子回路串入电阻则时转速下降。 设串入电阻r，对应的转差率为S。若负载转矩不变，则Tem保持常数。由图可见，即r2/ s=常数，故有r2+ r/ s= r2/ s s= s 例2-1 一台三相四级笼型异步电动机，50Hz、额定电压380V，额定电流20.1A，额定转矩65.6Nm,定子绕组接法。起动时参数：r1=1.376，r2=1。047，1=1.65, 2=2.24, rm=8.34, m =82.6.试求： 采用星-三角换接起动时的起动电流倍数和起动转矩倍数； 采用定子串电抗器降压起动，降压量与相同，这时的起动电流倍数和起动转 额定电压下直接起动时的起动电流倍数和起动转矩倍数； 矩倍数； 为了使起动转矩不小于额定转矩的0.8倍，但要较少起动电流，应用自耦变压器降压起动，设自耦变压器中有73、64、55三档抽头，问应选用哪档抽头，此时的起动电流倍数和起动转矩倍数是多少？ 解 校正系数 =1+1/m=1+1.65/82.6=1.02 在额定电压下直接起动 起动电流 Ist= U1/1(r1+1 r2)2+(21/31+2) =380/1.02(1.375+1.021.047)2+(1.65+1.022.24)21/3 =80.44A 额定相电流 I1N=20.1/31/3=11.6A 起动电流系数 Ist /I1N=80.44/11.6=6.93 6 起动转矩 Tst=m1pU12 r2/2f1(r1+1 r2)2+( =m1pIst212222221+2)+(1+2)2)+(1+2) r2/2f1 =3x2x80.442 x 1.0221.047/2x50 =134.6 Nm 起动转矩倍数 Tst/TN=134.6/65.6=2.05 采用星-三角换接开关1起动 由电网供给的起动电流倍数Ist/I1N=1/3x Ist /I1N=1/3x6.93=2.31 起动转矩倍数 Tst/TN=1/3x Tst /IN=1/3x2.05=0.683 (3)电抗器降压起动，降压量与相同，即1/31/3U1N 起动电流系数 Ist/I1N=1/31/3x Ist /I1N=1/31/3x6.93=4.00 起动转矩倍数 Tst/TN=1/2/3X Tst/TN=1/3X2.05=0.683 应用自耦变压器降压起动 根据题意 Tst/TN=1/kA2 Ist /I1N0.8 1/kA0.8/(Tst/TN)1/3=0.8/2.051/3=0.625 因为有较小的起动电流，自耦变压器应选用64的抽头，此时 自耦变压器变比 kA=1/0.64 有电网供给的起动电流系数Ist/I1N =1/kA2 Ist /I1N =2x6.93=2.84 起动转矩倍数 Tst/TN=1/kA2 Tst/TN=2 x2.05=0.840 将上述计算结果列表比较如表2-1所示由以上可见，笼型异步电动机直接起动时，起动转矩大，缺点是起动电流亦很大，被广泛应用于电网足够大的场合；当电网容量不够大而需要限制起动电流时，在本题计算的三种降压方法中，定子串电抗器降压时，起动转矩比起动电流下降更多，故该方法最差，仅能用于空载或很轻负载的一些起动场合；星-三角换接起动和自耦变压器降压起动，起动转矩倍数的下降均与起动电流倍数的下降成正比例，只有前者降压比固定为31/3：1，设备简单，只能用于空载或轻载西起动的场合；后者设备比较贵，但能灵活地选用不同的降压倍数，适应不同的需要。 表2-1 起动方法 起动电流倍数 起动转矩倍数 7 满压直接起动 电抗起降压到1/31/2U1N起动 星-三角换接起动 自耦变压器降压到0.64U1N起动 6.93 4.00 2.31 2.84 2.05 0.683 0.683 0.840 8 第三章 变级调速的实现 变极调速和转子串电阻调速都属于有极调速的范畴,本章主要介绍变极调速控制电路. 当电网频率固定以后,三相异步电动机的同步转速与它的磁极对数成反比.因此,只要改变电动机定子绕组的磁极对数,就能改变它的同步转速,从而改变转子转速.通过绕组的不同组合连接方式,可得到两极、三极速度,最多可获得四极速度,但常见的是两极速度变级调速,即双速电动机的变速. 变极调速有两种方法:第一种,改变定子绕组的连接方法;第二种,在定子上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组. 三相异步电动机的同步转速n1与电动机的极对数p成反比,改变鼠笼式三相异步电动机定子绕组的极对数,就改变了同步转速.因此称之为变极调速.在改变磁极对数时,转子磁极对数也必须同时改变,因此变极调速常用于鼠笼转子三相异步电动机,这是因为鼠笼式转子三相异步电动机本身没有固定的级数,它的极对数能自动地与定子极对数相对应. 3.1变极调速的原理 三相异步电动机磁极对数的改变,是通过改变定子绕组的接线方式得到的.变极调速电动机定子每相绕组由两个半相绕组组成,如果改变两个半相绕组的接法,就可得到不同的磁极对数。 三相异步电动机定子绕组变极调速的原理如图3-1所示。 (a) (b) (c) 图3-1 为三相异步电动机定子绕组接法 如图31(a)所示为三相异步电动机定子绕组Y接时的示意图.两个等效集中线圈正向串联(即两个线圈的首端和尾端接在一起).根据电流方向可以判断出它们产生的脉振磁动势 9 是四极的(三相合成磁势仍然是四极的),称为四极三相异步电动机.如果把上图中的(b)或(c)的形式，即两个线圈反向串联或反向并联，改变其中一个线圈中的电流方向，那么定子一相绕组产生的磁动势就是两极，定子其他两相绕组也如此连接，则三相绕组的合成磁动势也是二极，即为两极电动机，同步转速升高一倍。这就是变极调速的原理。 在改变定子绕组连接方法使电动机的极对数改变以后,必须倒换加在定子绕组上电源的相序上,否则变极后电动机将反转.当p=1时,U、V、W三相绕组在定子空间位置互差1200电角度;改变p=2对极后,则三相绕组在空间位置上互差2400电角度,也就是说三相绕组U、V、W相序在变极后,与原来相序正好反向,因此不相应改变电源相序,电动机就会反转. 变极调速电动机的优点是可以适应不同性质负载的要求，如需要恒功率调速时可采用三角双星形接法，需要恒转矩调速时用星形双星形接法，且线路简单、维修方便。缺点是有级调速、价格较高。 变极多速电动机常用于驱动某些不需要平滑调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、水泵和升降机等。在机床上，采用变极调速与齿轮箱调速相配合，可以更好地满足生产机械对调速的要求. 10 第四章 降定子电压调速 4.1调速原理 根据三相异步电动机降低定子电源电压的人为机械特性，在同步转速 电磁转矩 。降低电源电压可以降低转速，定子电压为 , , 不变的条件下，)、 、 ；(且 的机械特性如图41所示。对于恒转矩负载，在不同电压下的稳定运行点为 对于泵类负载，在不同电压下的稳定运行点为 稳定运行时的转速将降低从而实现了转速的调节。图41 为三相异步电动机降低定子电压调速时的机械特性 4.2 调速方法的特点及特性 其特点和性能为： 1）三相异步电动机降压调速方法比较简单； 2）对于一般的鼠笼式异步电动机，拖动恒转矩负载时，调速范围很小，没多大实用价值； 3）若拖动泵类负载时，如通风机，降压调速有较好调速效果，但在低速运行时，由于转差率 增大，消耗在转子电路的转差功率增大，电机发热严重； 4）低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达不到生产工艺的要求； 降压调速主要用于对调速精度和调速范围要求不高的生产机械，如低速电梯、简单的起重机械设备、风机、泵类等生产机械。 在绕组转子三相异步电动机的转子回路中串入电阻可以使机械特性变软，而外串电阻上消耗了较多的转差功率，可以减轻绕组发热，因此这类电动机可以扩大调速范围。 11 第五章 变频调速 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 fp，；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。所谓变频调速，就是在交流调速系统中，通过半导体功率变换器改变异步电动机供电电源的频率，从而进行转速的调节。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。这种调速的方法使电动机的速度从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。目前变频调速已成为交流调速的主要发展方向，并已在许多生产领域发挥着巨大的作用。 12 5.1 变频调速工作原理 根据三相异步电动机的转速公式：n=(1-s)60f/p,三相异步电动机的同步转速n与电源频率f成正比。因此，改变三相异步电动机的电源频率，可以实现平滑的调速。通常分为基频以下调速和基频以上调速。 基频以下的调速：在基频以下调速时，速度调低。在进行变频调速时，为了保持电动机的电磁转矩不变，就要保证电动机内旋转磁场的磁通量不变。异步电动机与变压器类似，U1E1=4.44fN，在改变频率f的同时，要保持磁通不变，必须同时改变电源电压U，使比值U/f保持不变。因此基频以下的调速为恒磁通调速。 基频以上的调速：在基频以上调速时，速度调高。从额定频率往上升时，由于绝缘等级和技术上的问题，电压按比例升高超过额定值时会危及电动机绕组的绝缘。因此频率上升时电压应保持额定值不变，此时频率上升，磁通量下降。 5.2 变频调速的机械特性 U/f=常数的变频调速机械特性 n1 2 1 2 3 4 5 N f1f f f f f f f n f2 f1 fN f1 f2 f3 f4 f5 Dn m 0 Tm T 图51三相异步电动机 变频调速的机械特性 13 如上图所示为U/f=常数的变频调速机械特性和U=UN的变频调速机械特性。有图可知，最大转矩T随着频率f的降低而降低，转速n随着f连续变化。由于磁通基本不变，调速过程中电磁转矩不变，因此为转矩调速方式。 U=UN的变频调速机械特性 上图为U=UN的变频调速机械特性。如图所示，最大转矩T随着频率f的上升而减小，转速n随着f连续变化。在额定频率以上，频率升高，磁通量减小，但调速过程中功率基本不变，因此为恒功率调速方式。 5.3 变频器的基本构成 变频器分为交交和交直交两种形式。交交变频器将工频交流变换成频率、电压均可控制的交流。交直交变频器则是将工频交流先通过整流变成直流，然后再将直流变换成频率、电压均可控制的交流。目前主要采用的是交直交变频器。交直交变频装置也是一种变频电源它先将交流电通过整流电路变为直流电，再把此直流电送入逆变器变为频率可调的交流电，作为异步电动机变频调速的电源。 交一交变频，顾名思义，就是直接把50Hz交流电变为频率可调的交流电。图327为变频调速系统的组成，其中包括整流器、逆变器和控制电路。 整流器：整流器的作用是将三相或单相交流电变换为直流电。 逆变器：其主要作用是在控制电路的控制下将中间电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变器的输出就是变频器的输出，用来实现对异步电动机的变频调速控制。 控制电路：由信号检测电路、运算电路、驱动电路和控制信号的输入、输出电路等部分构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制和数字控制。 14 第六章 实际应用中调速可能存在的问题 在许多APCS应用中，位置控制部分大多由计算机或PLC加模块构成。传动部分对精度要求不高的采用不调速的交流传动。对定位精度和响应速度要求高的设备则采用直流调速传动。随着电子功率器件技术的发展变频器性能不断得到提高，而价格的迅速降低使变频调速技术得到了广泛的应用，在许多场所变频调速已经取代传统的直流调速。这为构成APCS系统提供了一种新思路和新办法。 实践证明，用SIEMENS通用变频器MM440可以构成一种实用、可靠、性能价格比很高的APCS系统。下面以某轧钢厂新建生产线上产品分排定尺小车的位置控制为例，介绍由SIEMENS通用变频器MM440构成的APCS系统。 系统构成 主要由位控器 (位置控制器)、变频器、执行机构三大部分组成。在实际工程中计算机终端和可编程序控制器 (PLC) 不必专为APCS专配，可与生产线中自动化系统共用一套终端和PLC。21、位控器: 选用德国Lenord+Bauer 公司的GEL8310A型产品，它采用微处理器控制、模块式结构由CPU地板、开关量I/O板、模拟量I/模板、通讯接口板构成。可同时控13轴，控制器输出为10V和10V可选。参数的输入、调整、显示均可在面板上实现，也可通过RS232或RS485由上位机上实现一对一或一对多的通讯实现。22、变频器: 采用SIEMENS第四代通用变频器MM440系列。MM440是由微处理器控制，采用IGBT作为功率输出器件的SIEMENS最新一代变频器。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，可以选装编码器实现真正闭环因此，在位置调节控制器一般采用纯比例调节器。为主要调节参数了满足上述要求，必须按照最佳控制曲线进行控制。对于定位精度要求不高或机械惯性不太大，并且电机带制动的系统，上述曲线完全能够满足生产工艺的要求。对于定位要求较高，惯性大或电机制动能力不足的系统，由于传动系统滞后的影响和允许的误差带太窄，所以要确保定位误差小于允许值。 15 采用上述定位曲线还不能令人满意。要确保定位误差小于允许值，可以采取降低或提高减加速度的方法，从两方面来减小S。在实际应用中，常利用变频器直流制动的功能增大A的方法，获得了很好的效果。34、位置检测定位控制中位置的检测一般用增量式光电编码器.编码器的输出信号有A、B、Z三路。A、B两路脉冲相差90，可以方便地判断转向.脉冲也叫零脉冲,于基准的定位清零。 在位置控制中用变频调速系统取代传统的直流调速系统，不仅在技术上取得新的跨越。而且在初期投资少、运行费用低、占地面积省等多方面收获直接和间接的经济效益。 从SIEMENS变频器运行情况来看，设备运行稳定可靠，用变频技术实现工业生产中的位置控制是一种性能价格比很高的新方案。 16 结束语 通过此次的设计，加强了我对PLC的实践知识。使自己对机电一体化有了更新的认识，我要学好它还需要更多的时间和精力。这不只是设计阶段的总结，更是归纳、抽象和综合能力的锻炼。通过这样的课程设计对常规设计与实现有了一个从理性认识到感性认识的飞跃。通过有效的社会实践，将从校内的小课堂带向社会的大课堂，让我们开阔视野，提高能力，得到了应有的锻炼。但是通过这次的学习，我更加有信心能够学好，但是这次的学习还有很多的不足之出，今后会更加的努力的。 17 参考文献 1郁汉琪 机床电气控制技术M. 北京：高等教育出版社2006 2张小兰 电机学M. 重庆：重庆大学出版社2005 3冉文 电机与电气控制M. 西安：西安电子科技大学出版社2006 4刘学成 变频器的作用M. 北京：中国电力出版社2001 18