电机控制与拖动-第2章-三相异步电动机及其拖动控制.ppt

电机与控制,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第,2,章,三相异步电动机及其,拖动控制,2.,三相异步电动机的机械特性、启动、调速与,制动,3.,三相异步电动机启动、正反转和能耗制动的,控制电路,本章,重点：,1.,三相异步电动机的工作原理,4.,三相异步电动机的常用驱动控制方法,2,异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。,异步电动机一般为系列产品，品种规格繁多，其在所有的电动机中应用最为广泛，需量最大；,目前，在电力传动中大约有,90%,的机械使用交流异步电动机。,3,三相异步电动机的优点：,（,1,）调速性能好,：,调速范围广，易于平滑调节。,（,2,）启动、制动转矩大，易于快速启动、停车。,（,3,）易于控制。,应用：,（,1,）驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷,扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工,机械等大多数工农生产机械。,（,2,）家用电器和医疗器械等,4,1.,三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成，电动机的定子和转子之间并没有直接相连，中间一般有一定厚度的空气隙。,2.1,三相异步电动机机的结构及工作原理,5,定子三相绕组的联接,图,a,星形（,Y,）联接图,图,b,三角形（,）联接图,6,根据转子绕组的不同可将三相异步电动机分为鼠 笼式和绕线式两种。,图,a,鼠笼式转子的结构图,图,b,绕线式转子的结构图,7,2.,三相异步电动机的工作原理,U,形磁铁以,n,0,的速度做逆时针的旋转运动，在闭合线圈中感应出感应电流。,静止的通电线圈在变化的磁场中受到电磁力的作用，从而使得通电线圈运动起来。,根据右手定则可以判定感应电流的方向为顺时针方向,再由左手定则可以判定出线圈受到电磁力的作用会以,n,的速度做逆时针的旋转运动。,8,将三相异步电动机的三相对称绕组,AX,，,BY,和,CZ,连接成星形，接入三相电源，,AX,，,BY,和,CZ,中便通入了三相对称电流。,9,结论：,在定子绕组中通入三相交流电后，在绕组周围产生的合成磁场是一个旋转的磁场。,10,将,B,相电源线接在,C,相绕组上，而将,C,相电源线接在,B,相绕组上，则三相绕组的电流相序就会是从,A,相至,C,相再到,B,相，合成磁场的旋转方向如图所示与相序一致，,反向转动,。,11,每相定子绕组由两个线圈串联而成，如图所示，三相绕组各个始端在空间上相差，此时定子的合成磁场具有两对磁极，即,p,=2,。,12,电流变化一个周期，旋转磁场仅旋转半周，旋转磁场的速度比,p,=1,时慢了一半，即,13,具有,p,对磁极的旋转磁场的同步转速的计算公式是,在我国由于工频为,50Hz,，对应不同的极对数，有相应的磁场转速。,p,1,2,3,4,5,6,(r/min),3000,1500,1000,750,600,500,14,3.,三相异步电动机的铭牌数据,铭牌数据即电动机的额定值，是电机制造厂家对电机正常运行时，对有关的电量或机械量所规定的数据。,1),额定电压,5),频率,f,2,）额定电流,6,）接法,星形和三角形,4,）额定转速,3,）额定功率,7,）绝缘等级和工作方式,15,2.2,三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的定子绕组和转子绕组的关系与变压器的原绕组和副绕组的关系相类似。分析的时候，可将定子绕组看做为变压器的原绕组，将转子绕组看做为副绕组。如图所示。,16,2.2,三相异步电动机的电路分析,1,定子电路,采用,KVL,定理可以列写出定子电路的回路电压方程，即,式中的 为定子绕组上相电压的频率，为定子绕组的匝数，为旋转磁场的每极磁通。,17,2,转子电路,（,1,）转子频率,转子频率与转差率有关。在电动机启动的瞬间，转子频率最大。,采用,KVL,定理可以列写出转子电路的回路电压方程,=,18,（,2,）转子感抗,在电动机启动的瞬间，转子感抗最大。,（,3,）转子电动势,=,=,=,=,19,在电动机启动的瞬间，转子电动势最大。,（,4,）转子电流,=,转子电流在电动机启动瞬间为最大值,。,20,（,5,）转子功率因数,转子功率因数在电动机启动瞬间为最小值。,结论：转子的各个物理量都与转差率有关，即与转子的转速有关,。,21,2.3,三相异步电动机的机械特性,1,电磁转矩,三相异步电动机的机械特性是指，当定子绕组,的相电压和频率保持不变，和 为常数时，电动机转速与电磁转矩的关系，即,三相异步电动机的机械特性是指，当定子绕组,的相电压和频率保持不变，和 为常数时，电动机转速与电磁转矩的关系，即,式中的,K,是一个常数,2,机械特性,三相异步电动机在正常情况是总是沿着机械特性曲线工作。机械特性曲线中有三个重要的转矩：额定转矩、最大转矩和启动转矩,22,23,（,1,）,额定转矩,额定转矩,是指电动机在额定负载下稳定运行时的输出转矩,上式中功率的单位为千瓦（,KW,），转速的单位为,(r/min),，,转矩的单位为牛,米,(N,m),。,24,（,2,）最大转矩,最大转矩,是指电动机按照机械特性曲线运行,过程中产生的最大电磁转矩,。,过载系数：,过载系数取值范围一般为,1.8,2.2,之间,25,与,成正比，而与,无关，,与,成正比,(a),电压不同时的机械特性曲线,(b),转子电阻不同时的机械特性曲线,26,（,3,）启动转矩,电动机的启动转矩和额定转矩的比值为启动系数,启动转矩是在电动机启动的瞬间（,n=0,，,s=1,）的转矩。,启动系数取值范围一般为,1.6,2.2,之间,27,28,2,三相异步电动机的运行,（,1,）稳定运行区,稳定运行区是指图示曲线的,ab,段，在此段区域,异步电动机能稳定地运行,.,如果异步电动机运行在,ab,段，能根据负载的情况,自动的调整，使得电动机匀速运行,。,29,（,2,）不稳定运行区,不稳定运行区是指图示曲线的,bc,段，在此段区域,异步电动机不能稳定地运行（启动过程）,.,30,2.4,三相异步电动机的启动,启动初始瞬间，,n=0,，,s=1,。电动机在启动时启动电流很大；启动转矩不大。,1,）电流大，电机发热增加；,2,）电枢绝缘破坏，烧断绕组；,3,）供电电源电压波动，对电网形成冲击,4,）启动转矩过大，引起冲击。,所以，对三相异步电动机的启动要求：在保证启动转矩足够大的前提下，尽量减小启动电流。,31,1,直接启动,直接启动方法简单：通过开关直接将电动机连接到,电源上。一般电动机功率在二三十千瓦以下的电动,机可以采用直接启动。,2,换接降压启动,对于功率较大的电动机，定子绕组在正常运行时是,连接，在启动瞬间可以采用,Y,连接，降低启动电压,和启动电流，启动之后再换接至 连接,。,32,换接启动电路图,33,采用,Y-,换接启动的方法，电压为直接起动的 倍，电流为直接起动的 倍。启动转矩为直接启动的 倍。由此可见，这种方法适用于空载或者是轻载启动。,3,自耦降压启动,自耦降压启动能减少启动电流也能减少启动转矩。,自耦变压器有抽头，能得到不同的变压值输出,，,可以根据需要来选用。,34,自耦降压启动电路图,35,2,串电阻启动,由于串入电阻之后，启动转矩增大。,这种方法通常用于启动转矩较大的生产机械上。,36,37,38,39,2.5,三相异步电动机的调速,1,变频调速,通过改变电源频率来实现变频调速，可以实现无极调速，调速的范围比较大，调速平滑。且易于节能，目前正获得越来越多的应用。矢量型变频器性能更高。可购买商品化的驱动器。,40,（,1,）分类,基于电机稳态机械特性调节同步转速的变压变频,(VVVF),调速,基于模仿直流电机控制的矢量控制变频调速,（,2,）变压变频,(VVVF),调速,变频调速的基本方式,通过改变供电频率调节电机的转速。,维持恒定定子电压频率比的控制方式,基频以下为,VVVF,（恒转矩），基频以上维持额定电压（恒功率）。,41,42,正弦波脉宽调制（,SPWM,）变频器,交直交静止变频装置,SPW,逆变器：,SPWM,波形发生器变频器主电路,SPW,波形定义：把一个正弦半波分成,N,等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到,N,个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着一个正弦波的半周，对正负半周都这样处理，即可得到相应的,2N,个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。,利用了电机绕组的低通特性,43,SPW,波形的产生,44,SPW,变频器主电路,45,（,2,）矢量控制型变频调速,特点：用这种技术使交流调速系统的静、动态性能，接近甚至超过了直流电机的高性能。,矢量控制型变频调速的工作原理,直流电动机主磁通与电枢电流互相独立,交流电动机这两个量是相关的，其模型为一个高阶非线性，强耦合的多变量系统。,采用变换，建立起一个与交流电动机等效的直流电动机模型。,变换思想：利用,“,磁场等效,”,概念，将三相交流电机输入电流变换为等效的直流电机中彼此独立的电枢电流和励磁电流,然后和直流电机一样，通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机。,46,矢量变换调速系统的特性,速度控制精度和过渡过程响应时间与直流电机大致相同，调速精度可达,0.1%,自动弱磁控制与直流电机调速系统相同，弱磁调速范围为,4,：,1,过载能力强，能承受冲击负载，突然加减速和突然可逆运行，能实现四象限运行。,性能良好的矢量控制的交流调速系统比直流系统效率高约,2%,，不存在直流电机换向火花问题。,应用广泛。,47,矢量变换的运算原理及原理电路,三相,/,二相变换器、矢量旋转变换器（,VR,）和直角,/,极坐标变换器等。,双闭环控制系统：,1,个速度调节器（,ASR,），,2,个电流调节器（,ACR,），,1,个磁通调节器（,A,R,）,逆变器采用,SPWM,系统。,具有电流、电压、速度等传感器。,48,2,变转差率调速,转差率的改变是通过改变转子电阻来实现的，此方法适用于绕线式的异步电动机。,这种调速方法平滑、简便，但是外接电阻损耗大，,这种方法广泛适用于起重设备中。,49,3,变极调速,当定子绕组的组成和接法不同时，可以改变旋转磁场,的极对数，这种方法不能平滑调速，只能有级调速。,由于这种方法简单、经济，在双速或者多速的机床上被广泛应用。,50,（,a,）绕组串联的极对数图,(b),绕组并联的极对数图,51,2.6,三相异步电动机的制动,1,能耗制动,这种方法在机床上常被采用。制动平稳、能耗小，,但需要直流电源。,52,2,反接制动,这种方法制动效果好、比较简单、但是能量消耗较大、,制动的准确度较差。,53,3,发电反馈制动,当受到外力因素的干扰，电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，,产生的转矩也是制动转矩。起重机快速放下重物时，重物拖动转子,使其转速大于旋转磁场的转速，从而感应出如图所示的感应电动势,和电流，从而产生制动转矩，使重物等速下降。,54,2.7,常用低压电器,1,闸刀开关和组合开关,在自动控制电路中刀开关常用于电源,的隔离开关，其额定电流只需稍大于,电动机的额定电流。,55,2,熔断器,3,按钮,（,1,）常用按钮,熔断器是最简单有效的短路保护电器。,在无外加作用力下,，闭合的触点称之为,常闭触点,，断开的触点称之为,常开触点,。,在有外力按下按钮时，常闭触点被断开，用于切断某一控制电路，常开触点被闭合，用于接通某一控制电路。,一个按钮中既有常开的触点又有常闭的触点，称之为,复合按钮,。,56,57,（,2,）行程开关,行程开关时利用生产机械的某些运动部件碰撞行程开关的触杆，,使内部闭合的触点断开，断开的触点闭合，从而发出控制指令,。,58,4,交流接触器,交流接触器的结构原理图,交流接触器是继电接触器控制中的主要控制电器。,通常用于接通和断开交流电动机或者大容量电器的主电路。,59,交流接触器的符号图,60,5,中间继电器,中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同。,不同之处在于中间继电器的触点容量较小，触点数目较多。,中间继电器器的符号图,61,6,热继电器,热继电器的原理图,热继电器的符号图,热继电器是利用电流的热效应原理实现对电动机的过载保护。,62,7,自动空气断路器,自动空气断路器原理图,自动空气断路器是常用的一种低压保护电器，,可实现短路、过载和失压保护。,63,8,时间继电器,通电延时的空气式时间继电器原理图,按工作原理可以分为：空气阻尼式、电磁式、电动式等,按延时方式可分为通电延时型和断电延时型。,64,时间继电器的符号图,65,2.8,三相异步电动机的基本控制电路,1,三相异步电动机直接起动的控制电路,（,1,）点动控制,66,触头（,KM,）闭合,按下按钮（,SB,）,线圈（,KM,）通电,电机转动；,触头（,KM,）打开,按钮松开,线圈（,KM,）断电,电机停转。,动作过程,67,按下按钮（,SB2,），线圈（,KM,）通电，电机起动；同时，辅助触头（,KM,）闭合，即使按钮松开，线圈保持通电状态，电机连续运转。,（,2,）连续控制,68,停机,按下,SB,1,KM,线圈断电,KM,主触点断开,KM,辅助触点断开,电机断电停车,松开,SB,1,，线圈保持断电,69,（,3,）点动和连续控制,SB,3,：点动,SB,2,：连续运行,点动控制：按下,SB,3,，常闭先断开，常开后闭合,电机通电,松开,SB,3,，常开先断开，常闭后闭合,电机断电,70,2,三相异步电动机 换接起动的控制电路,71,Y,形连接,按下,SB,2,KM,1,线圈通电，,KT,线圈通电,KM,2,线圈断电，,KM,3,线圈通电,72,KM,2,线圈通电,通电延时继电器开关断开,KM,1,线圈断电,KM,3,线圈断电,KM,1,线圈通电,形连接,73,3,三相异步电动机正反转的控制电路,74,电机正转：,按下,SB,2,KM,1,线圈通电,KM,1,主触点闭合,KM,1,常开触点闭合，并自锁,KM,1,常闭触点断开，不能反转,电机正转,75,电机反转：,按下,SB,3,KM,2,线圈通电,KM,2,主触点闭合,KM,2,常开触点闭合，并自锁,KM,2,常闭触点断开，不能正转,电机反转,76,4,三相异步电动机能耗制动的控制电路,77,2.9,三相异步电动机的常用控制电路,1,行程控制,（,1,）单程前进或者单程后退,SB,3,78,（,2,）前进一次后自动后退,79,（,3,）自动反复运动,80,2,先后顺序控制,（,1,）按顺序起动,若有两台三相异步电动机,要求实现：,起动后,才起动,停车时,停车,81,（,2,）按顺序停止,若有两台三相异步电动机,要求实现：,起动后,才起动,停车后,停车,82,本章小结,1,、三相异步电动机的工作原理；,2,、三相异步电动机的机械特性，启动，调速与制动的方法；,3,、三相异步电动机起动、正反转和能耗制动的控制电路；,4,、三相异步电动机的各种常用的驱动控制电路；,