异步电动机的机械特性及调压电路

1 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q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 2lrsl212rs1 r2spe / /3 LLsRR sRUnT rs,RR s1L 1rL （ 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 。 n s T eTq0 Temaxsm an0 01 bT L图 1-7异 步 电 动 机 固 有 机 械特 性 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）2lrsl212 rm )( LLR Rs s 2lrl212112pemax )(123 LLRRUnT ssss n s TeTq0 Temaxsm an0 01 bTL图 1-7异 步 电 动 机 固 有 机 械 特性 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 emax21T enemaxM TTM称 为 过 载 倍 数 。 n s T eTq0 Temaxsm an0 01 bTL图 1-7异 步 电 动 机 固 有 机 械 特 性 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 。 m0 ss n s TeTq0 Temaxsm an0 01 bTL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 47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 T eO nn0 T emaxsm TL UsN0.7UsN ABCF DE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性T st 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(a1)， 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Us n 额 定 恒 转 矩 条 件 下 ， 降 压 则 过 载 ！ 例 如 冰 箱 、 空 调 等 。 U I 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 。 rr RskI 00n nns rI 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 UsN0.7UsNABCTL0.5UsN 恒 转 矩 负 载 特 性n0 Te0s,n10 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 ： U 1 n s 必 有 最 大 值 )1( rRs s r 2202)1( )1(rL RssI sknknTT 2 rpr RsT3nfI p 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 。 s0Ir 1Ir=f(s) 图 1-11 风 机 泵 类 负 载 时 转 子 电 流 变 化 曲 线0121)1(r2r sssRKdsdI 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abca) uaubu c ia Ua0VT1VT3VT5 VT4VT6VT 2 RRR 19 形 接 法 负 载b) abcuau bucia 20 交 流 变 压 调 速 系 统 可 控 电 源M 3 TVC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u t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TonToff机械时间常数Tm1:10 控 制 方 式 23 如 Tm 1s,则 TonToff=60 (保 证 每 个 时 刻 至 少 有两 个 管 子 导 通 。 触 发 规 律 T1 T2 T3 T4 T5 T6 Nabcuau bucia Ua0VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 RARBRC 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 ouR AVT1VT2VT3VT4VT5VT6 1 2 3 4 5 6oa)b)c)d) uA u B u Cug ttt 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 。 ouR AVT1VT2VT3VT4VT5VT6 1 2 3 4 5 6oa)b)c)d) uA u B u Cug ttt 29ACu21Au AuAu (2)分 析 30 时 Y电 路 的 工 作 原 理图30时的波形 ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6 1 2 3 4 5 6o a)b)c) d) uA uB uCug t1 t20t10 t2 t3 ttt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 VT4 VT5,VT6导 通 ） ABu21 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0,300 65 RAuVTVTt 导 通 ， ARA uuVTVTVTt 导 通 ，651 ,6030 ABRA uuVTVTt 21,9060 61 导 通 ， ARA uuVTVTVTt 导 通 ，621 ,12090 ACRA uuVTVTt 21,150120 21 导 通 ， ARA uuVTVTVTt 导 通 ，321 ,180150 0N )(21 BAN uu ACBN uuu 21)(21 0N )(21 CAN uu 0N 31ACu21ABu21 (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ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6 1 2 3 4 5 6oa)b)c)d) uA uB uCug t1 t2 t3 ttt/3 32ACu21ABu21 (4) 90 情 况 90 情 况图2-9ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6 1 2 3 4 5 6oa)b)c)d) uA uB uCug t1 t2 t3 ttt/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 。 ACRA uuVTVTt 21,300 54 导 通 ， 0,9030 65 RAuVTVTt 导 通 ， ABRA uuVTVTt 21,15090 61 导 通 ， ACRA uuVTVTt 21,180150 21 导 通 ， Nab cuaubucia Ua0VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 RARBRC 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 150120180 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RL arctanVT2 R u1 iLuLVT1 L 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 tg0u1 2 t t tVT1VT2 1 2iLu L 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) tan)sin()sin( e 390 20 40 60 80 100 120 140 160 180 )()( 20406080 100120140160180图2-15 曲 线时 的 ),( f电路在0 9015 30 45 60 75 40 讨 论0 180 180 180 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0 41 180 180 时 ， 电 路 中 的 电 感 作 用 相 对 很 大 ， 电 流 维 持以 上 ， 影 响 晶 闸 管 的 正 常 触 发 ， 波 形 畸 变时 的 输 出 波 形 可 与 综 上 所 述 ， 对 电 感 性 负 载 ， 晶 闸 管 调 压 电 路 应采 用 宽 脉 冲 触 发 ， 晶 闸 管 控 制 角 的， 如 果 电 路 的 触 发 脉 冲 采 用 宽 脉 冲 或 者 脉 冲 列 ，了 调 压 作 用 。 相 同 ， 均 失 去正 常 移 相 范 围 为当 42 作 业 题 对 于 三 相 星 型 晶 闸 管 调 压 电 路 ， 带 纯 电 阻 性 负载 ， 分 析 45 时 A相 电 阻 上 的 电 压 波 形 。 为 什 么 说 交 流 调 压 调 速 更 适 合 于 风 机 泵 类 负 载 ？ 交 流 调 压 调 速 有 哪 些 特 点 ？ 43下 课