交流电机控制技术概要.pptx

授课教师：姚玉峰授课教师：姚玉峰哈工大（威海）机器人研究所哈工大（威海）机器人研究所哈工大（威海）机器人研究所哈工大（威海）机器人研究所机电液系统控制机电液系统控制交流电机控制技术交流电机控制技术本章内容交流电机的基本类型和基本结构反应交流电机工作原理的两个试验模型交流电机基本结构和工作原理交流电机绕组介绍交流电机的共同问题交流电机的调速一、交流电机基本结构和工作原理同步电动机工作原理：1）定子形成旋转磁场2）转子为磁铁（或永磁铁、或励磁）原理：一个磁铁拉着另一个磁铁旋转；特点：磁极转动的角速度总是等于外部磁铁旋转的角速度（同步），但可以有角度差。u反应交流电机工作原理的两个实验模型同步电动机原理模拟装置一、交流电机基本结构和工作原理异步电动机原理模拟装置异步（笼型）电动机工作原理：1）定子形成旋转磁场 （同同步电机）2）转子为“鼠笼”：笼型导体的圆柱形软磁铁心构成。只有在转子转速不等于磁场转速的情况下（异步），当外部磁场旋转时，其磁力线才能切割转子导条，并因而在导条中产生感应电动势及感生电流；感生电流进而受到电磁力的作用，转子才能旋转。正是因为两者转速有差异才能工作，所以这种电机称为“异步异步”电机。电机。一、交流电机基本结构和工作原理u交流电机的主要类型及基本结构1、主要类型 按能量转换：电动机、发电机 按供电：单相、两相、三相 按原理：同步、异步电机2、基本结构 （1）同步电机的主要结构部件 （2）异步电机的主要结构部件 （3）同步电机和异步电机主要结构部件的对比一、交流电机基本结构和工作原理同步电机主要部件一、交流电机基本结构和工作原理鼠笼式异步电机主要结构部件一、交流电机基本结构和工作原理与直流电机的比较 1）定子磁场不旋转，由换向器得到“被整流”后的脉动电压电流；2）采用左、右手定则就可分析原理。一、交流电机基本结构和工作原理（3）同步电机和异步电机主要结构部件的对比在交流电机部件中对能量转换起主要作用的部件是：定子铁心；定子绕组：空间上相差120度的三相绕组；转子：同步电机和异步电机完全不同。三相交流电机的定子铁心和定子绕组一、交流电机基本结构和工作原理同步电机和异步电机的转子铁心和转子绕组的简化结构图：同步电机的转子异步电机的转子鼠笼同步电机和异步鼠笼式电机转子一、交流电机基本结构和工作原理异步电动机的转子按结构不同可分为鼠笼型和绕线型两种：异步电机的绕线式转子转轴滑环转子铁心电刷星接中性点转子绕组异步电机的鼠笼式转子直流电机的电枢结构一、交流电机基本结构和工作原理u交流电机绕组简介1、交流电机绕组的基本作用以定子绕组为例：（1）流入定子电流，建立旋转磁场；（2）产生感应电动势：无论是定子电流建立的旋转磁场，还是同步电机中转子磁极的旋转，其磁力线都必然会切割固定不动的定子绕组，于是在其中产生感应电动势。电动机：正是由于感应电动势出现，电能才转换成机械能；发电机：正是由于感应电动势出现，机械能才转换成电能；一、交流电机基本结构和工作原理2、最简单的三相绕组(1)三相绕组的外观图和基本特点 构成：线圈边：嵌入定子铁心的槽中那一部分（有效部分）；端接部分；特点：空间位置及其对应出线端的位置彼此错开120度，A、B、C三相绕组在圆周上排列的顺序。定子三相绕组模型三相绕组的外观图(2)定子三相绕组的模型星、三角接法简化模型一、交流电机基本结构和工作原理三相定子绕组的接法一、交流电机基本结构和工作原理(3)三相绕组的简化模型定子三相绕组简化模型（电动机用）BXCZAYACBUA定子三相绕组简化模型（发电机用）ACBXYZYCAZXBUAYCXBZA二、交流电机的共同问题 电机运行时，绕组流过三相对称电流，在电机气隙圆周上产生用磁动势（magneto motive force）表征的旋转磁场，旋转磁场在三相绕组中又感应出三相感应电势（electromotive force）。各种交流电机的工作原理、转子结构、励磁方式和性能虽有所不同，但是定子结构、定子绕组中产生电动势以及绕组电流在电机气隙圆周上产生旋转磁场的机理却是相同的。这些问题就是交流电机的共同问题。同步电动机原理模拟装置异步电动机原理模拟装置鼠笼式异步电机的转子导体部分示意图二、交流电机的共同问题u电机电枢绕组建立的磁场和磁动势 由安培环路定律可知，交流电机电枢绕组流过电流时产生磁动势。电枢:1 单相绕组流过直流电流时建立的气隙磁场和气隙磁动势 2 单相绕组流过交流电流时建立的脉振磁动势 3 对称三相绕组流过对称三相电流所建立的旋转磁场 4 双层分布短距绕组的磁动势 5 基波磁场的矢量表示及时空矢量图二、交流电机的共同问题假定和约定假设：定、转子铁心不饱和，即磁导率非常大，使得铁心内的磁位降可以忽略不计，同时，铁心中的磁滞以及涡流损耗也忽略不计；定、转子之间的气隙均匀，且与定子内径相比非常小，因而可认为磁力线沿径向穿过气隙；槽内电流集中于定子内圆表面上槽中心处，即槽开口的影响忽略不计。绕组轴线的位置与方向+A轴线YCAZXB+A轴线二、交流电机的共同问题约定：绕组模型及电流的正方向：主要采用14页PPT所示两极三相集中整距绕组模型，即三相6槽绕组模型进行分析。此外，在放置三相6槽绕组模型时，令A相绕组的有效边构成的线圈平面在水平位置。电流的正方向：发电机模型。绕组轴线的位置：在绕组简化模型的二维图（b）、图（e）中，根据电流正方向，按右手螺旋关系所得到的轴线即为绕组轴线。此外，以定子的绕组为例分析。定子三相绕组简化模型（发电机用）ACBXYZYCAZXBUA绕组轴线的位置与方向+A轴线YCAZXB+A轴线二、交流电机的共同问题1 单相绕组流过直流电 流时建立的气隙磁场 和气隙磁动势直流电流建立的磁场a)b)c)直流电流流过集中整距绕组产生的矩形波磁场（圆弧坐标）定子内圆的坐标系及其展开 圆弧坐标系(为电角度)：以A 相绕组轴线反向延长与定子内圆的交点作为原点，逆时针方向为正方向。+A轴线+A轴线A相磁场轴线YCAZXB二、交流电机的共同问题a)b)c)直流电流流过集中整距绕组产生的矩形波磁场（圆弧坐标）匝数为Wk的线圈的磁动势Wk I 全部消耗在两段气隙上。每段气隙磁动势为Wk I/2。定子内圆各点的磁动势与坐标的关系如图c)所示。可以看出，在横坐标从/2到/2 的范围里，气隙磁场方向从定子铁心出来进入气隙。规定这个区域里的磁动势为正，于是，整距线圈在气隙内形成一正一负矩形分布的磁动势；矩形波相对于A 相轴线对称，高度等于Wk I/2。二、交流电机的共同问题 对空间矩形波进行傅里叶级数分解，其基波和三次谐波如下图所示。基波的幅值为矩形波幅值的4/，所以，基波磁动势I空间矩形波磁势的基波与谐波基波和三次谐波磁密的N、S极区域SNN3S3N1S1S2N2二、交流电机的共同问题 气隙磁密的基波:式中,和 分别代表气隙基波磁密及矩形波磁密幅值。显然二、交流电机的共同问题 气隙磁场的谐波磁动势：其中，谐波磁动势的幅值：v代表谐波次数。二、交流电机的共同问题谐波的物理意义:1）气隙磁场的轴线位置也是基波磁密或基波磁动势幅值的位置；2）在基波为一个N极、一个S极，极数为2的情况下，三谐波包括3个N极和3个S极，亦即极数等于6。I基波和三次谐波磁密的N、S极区域SNN1S1S3N3S2N2二、交流电机的共同问题2 单相绕组流过交流电 流时建立的脉振磁动势1）A相电流建立的脉振磁动势脉振磁场的示意图二、交流电机的共同问题由式（1）和（2）可得到基波磁动势的表达式为 所以，在任意瞬间，定子内圆的气隙磁密与气隙磁动势在空间仍然是矩形波，但是，矩形博的高度是随着电流的变化而不断变化的；同时，各点气隙磁密与气隙磁动势的正负也是随着电流方向的变化而交替变化的，所以，它是大小连续变化、正负交替变化的矩形波，即脉振矩形波。对脉振矩形波磁动势进行谐波分析，就得到脉振的基波和谐波磁动势。根据前面分析可得到基波磁动势的表达式为：二、交流电机的共同问题极对数为np的情况，定子内圆的基波磁动势一方面随定子内圆各点的坐标呈余弦分布（cos），另一方面，随着电流瞬时值的变化，各点的磁动势的大小也随着时间做正弦变化（cos t）。幅值为：二、交流电机的共同问题谐波磁动势的表达式为：将谐波和谐波磁动势的公式对比可知，它们以同一个频率脉振，其脉振频率等于电流的频率。2）B相与C相电流建立的脉振磁场二、交流电机的共同问题 根据下图可知，B相磁场的对称轴在=120的位置，与A相磁场的对称轴在=0相对比，参照A相电流所建立的脉振磁场的表达式，所以可以得到B相的基波脉振磁动势为iB二、交流电机的共同问题 相应可以得到C相电流所建立的基波脉振磁动势为:二、交流电机的共同问题3 对称三相绕组流过对称三相电流所建立的旋转磁场1）认识旋转磁场(b)(c)(a)(d)(f)(e)旋转磁场示意图 所谓旋转磁场实际上是磁场分布状况随时间的变化,表现为磁场分布图中磁力线的旋转效应。不同时刻的电流方向及磁力线分布（一个周期）二、交流电机的共同问题根据三相电流不同时刻的实际方向理解旋转磁场的产生机理+A轴线+A轴线+A轴线+A轴线不同时刻的电流方向及磁力线分布二、交流电机的共同问题2）旋转磁场产生机理的数学模型 在不计铁心的饱和效应时，可以用叠加原理求取三个电流共同作用时的磁场。这就表明，在三相电流共同作用时定子内圆的磁动势，等于三相电流单独作用时所建立的基波脉振磁动势之和，即 将上式右端中的每一项利用“余弦函数积化和差”的规则分解为两项，可得二、交流电机的共同问题二、交流电机的共同问题 由于包括 的三项之和为零，故上式可改写成 式中F1的值，对6槽模型为 对极数为np的情况，不难求得 式中，W1为每相绕组串联总匝数，I1为相电流的有效值。二、交流电机的共同问题 由于定子内腔为圆柱形,所以实质上 是一个沿着气隙圆周连续旋转推移的旋转磁动势波,根据式(1)不难求得,磁势曲线上某一点旋转的速度如下:以电角度表示的旋转速度 ,以机械角表示 ,将机械角速度变换为每分钟旋转圈数,其中,是所施加的交流电流的频率。旋转磁场 的转速n1，就是同步电机转子的转速，称为同步速。二、交流电机的共同问题 在对称三相绕组流过对称三相电流后，所产生的气隙磁动势 的性质为：每一相绕组产生脉振磁动势，但三相合成后产生旋转磁动势；三相合成基波磁动势波长与单相一样；每相的脉振磁动势，它们的振幅大小随时间不同而变化的；三相合成基波磁动势幅值 不变，是基波脉振磁动势最大振幅的3/2倍；合成基波磁动势的旋转方向顺着A、B、C三相电流的正序方向，旋转速度 ；当某相电流达到最大值时，三相合成基波磁动势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处。二、交流电机的共同问题4 基波磁场的矢量表示及时空矢量图 在电机分析中，为了能清晰地看出旋转磁场的轴线在空间任意时刻的位置与参考相、即A相电流瞬时值的的关关系系，仿照随时间正弦变化的电压、电流用时间相量表示的思路，对于在空间正弦分布的气隙磁动势、气隙磁密等物理量也用空间向量来表示，并且进一步将时间相量与空间向量画到一个图中，得到时-空矢量图。空矢量图。（1）基波磁场空间矢量的基本约定 以下页图的基波旋转磁场的磁势为例说明如何用空间矢量表示空间正弦量。为此，取A相绕组的轴线为空间矢量的基准轴，记为+A轴；取矢量长度代表正弦波的幅值；而矢量与+A轴线的夹角，即磁势矢量的角度坐标为定子内圆基波磁势正向幅值所在点的坐标。由此，基波磁场的空间分布图与空间磁势矢量就有了一一对应的关系。二、交流电机的共同问题a)b)c)d)e)f)描述旋转磁势与电流关系的时空矢量图二、交流电机的共同问题(2)旋转磁场基波的空间矢量表示(3)正弦电流的旋转时间相量表示 设A相电流为 ，则该电流可以认为是一个以角速度逆时针方向旋转且长度为 的向量在时间轴上的投影。这类似于在电路中广泛应用的时间相量图。与电路中所不同的是，此处是用旋转向量。考虑到与图a)对应的A相电流瞬时值为其最大值，所以在图b)中电流矢量与时间轴(+j轴)重合。由于图d)的磁场分布对应于A相电流瞬时值为零的时刻，所以在图e)中电流矢量与时间轴垂直。该时刻的电流矢量相当于b)中的电流矢量沿逆时针方向旋转了 。(4)电流-磁势时空矢量图 在图c)中人为地将图a)的空间坐标轴+A与图b)中的时间坐标轴+j重合，进而将旋转磁场的空间基波磁场矢量与A相电流的时间相量画在一个图中，所得即为表示A相电流相位与三相合成磁场空间位置对应关系的时-空矢量图，称为电流-磁势时空矢量图。二、交流电机的共同问题三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场1.旋转磁场的产生三相异步电动机的定子，三相定子绕组对称放置在定子槽中，即三相绕组首端U1、V1、W1（或末端U2、V2、W2）的空间位置互差120。若三相绕组连接成星形，末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接到三相对称电源上，则在定子绕组中通过三相对称的电流iU、iV、iW（习惯规定电流参考方向由首端指向末端）。u三相异步电动机二、交流电机的共同问题二、交流电机的共同问题二、交流电机的共同问题(1)t=0 瞬间（iU=0；iV为负值；iW为正值）：此时，U相绕组（U1U2绕组）内没有电流；V相绕组（V1V2绕组）电流为负值，说明电流由V2流进，由V1流出；而W相绕组（W1W2绕组）电流为正，说明电流由W1流进，由W2流出。运用右手螺旋定则，可以确定合成磁场如图(a)所示，为一对极(两极)磁场。(2)t=T/6瞬间（iU为正值；iV为负值；iW=0）：U相绕组电流为正，电流由U1流进，由U2流出；V相绕组电流未变；W相绕组内没有电流。合成磁场如图（b）所示，同t=0瞬间相比，合成磁场沿顺时针方向旋转了60。(3)t=T/3瞬间（iU为正值；iV=0；iW为负值）：合成磁场沿顺时针方向又旋转了60，如图（c）所示(4)t=T/2瞬间（iU=0；iV为正值；iW为负值）：与t=0瞬间相比，合成磁场共旋转了 180。二、交流电机的共同问题2.旋转磁场的转速 由以上分析可以看出，旋转磁场的转速与磁极对数、定子电流的频率之间存在着一定的关系。一对极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过360（一转）；两对极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过180（1/2转）；由此类推，当旋转磁场具有p对磁极时，电流变化一周，其旋转磁场就在空间转过1/p转。通常转速是以每分钟的转数来表示的，所以旋转磁场转速的计算公式为：二、交流电机的共同问题 由上式可得，旋转磁场的转速n1取决于电源频率f和磁极对数p。我国工频50Hz,可得不同磁极对数旋转磁场的转速如下：异步电动机转速和极对数的对应关系异步电动机转速和极对数的对应关系磁极对数p123456转速n1/r(min)-1 300015001000750600500 旋转磁场转向与通入定子绕组的电流相序一致。若使旋转磁场反向，只需把三根电源线的任意两根对调（如U、W对调）。三相异步电动机的转动原理二、交流电机的共同问题 当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场以n1的速度顺时针旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电动势、感应电流，其方向可根据右手定则判断（假定磁场不动，导体以相反的方向切割磁力线）。由于转子电路为闭合电路，在感应电动势的作用下，产生了感应电流，由于载流导体在磁场中要受到力的作用，因此，可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图所示。这些电磁力对转轴形成一电磁转矩，其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致。这样，转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来。二、交流电机的共同问题 转子转速n2与旋转磁场n1同向，转子转速n2不可能达到同步转速n1（若n1n2，转子和旋转磁场不存在相对运动，转子部切割磁力线转子受电磁力F=0），有n1大于n2。故称为异步电动机异步电动机。电动机不带机械负载的状态称为空载。这时负载转矩是由轴与轴承之间的摩擦力及风阻力等造成的，称为空载转矩，其值很小。这时电动机的电磁转矩也很小，但其转速n0（称空载转速）很高，接近于同步转速。二、交流电机的共同问题转差率转差率 异步电动机的转子转速n低于同步转速n1，两者的差值(n1-n)称为转差。转差就是转子与旋转磁场之间的相对转速。转差率就是相对转速（即转差）与同步转速之比，用s表示，即 转差率是分析异步电动机运转特性的一个重要参数。在电动机起动瞬间，n=0，s=1；当电动机转速达到同步转速（为理想空载转速，电动机实际运行中不可能达到）时，n=n1，s=0。由此可见，异步电动机在运行状态下，转差率的范围为0s1；在额定状态下运行时，s=0.020.06。二、交流电机的共同问题三相异步电动机的运行 异步电动机之所以能够转动，是因为转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，此电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩之故。TABn2TNTmTstDOCn1nN 图中，启动转矩为Tst为启动时对应的电磁转矩，额定转矩TN为电动机带动额定负载时的电磁转矩；最大转矩Tm是电动机在运行中具有的最大转矩。三相异步电机的机械特性曲线二、交流电机的共同问题根据机械特性曲线分析如下：（1）当电动机的启动转矩Tst大于负载阻力矩TL时，电机旋转，并在电磁转矩的作用下加速，此时电磁转矩随转速n2增加而逐渐增大（沿曲线DC段上升），直到最大转矩Tm。而后，随着转速的继续增加电磁转矩反而下降（沿曲线CA段下降），最终当电磁转矩等于负载转矩T=TL时电机以某一转速匀速稳定旋转。（2）异步电动机一经启动很快进入曲线的AC段，并在某一点稳定运行。在AC段如果负载加重，负载力矩大于电磁转矩，转速下降，同时电磁转矩随转速的下降而增大，与负载力矩达到新的平衡，使电机以比原来稍低的转速运行。二、交流电机的共同问题 （3）若负载的阻力矩超过了最大转矩Tm，负载力矩则一直大于电磁转矩，再也不存在新的平衡点使T=TL，电动机转速很快下降直到停止，处于堵转状态。定子电流加大可达47倍，时间长损害电机。（4）机械特性曲线AC段为电动机的稳定运行区。从空载到满载转速下降很少，只要负载力矩介于AC区间，均可找到稳定点运行。AC段称电动机的硬机械特性，适合大多数生产机械对拖动的要求。（5）过载能力 电动机的最大电磁转矩Tm 与转矩TN之比称过载能力，一般为1.92.2。电动机的启动转矩Tst与TN之比称启动能力，一般为1.72.2。二、交流电机的共同问题2）、转矩与功率的关系 电动机运行中若带动负载转动的转矩为T2，轴上输出的机械功率为P2，转子转速为n2。电动机载额定状态下运行：TN 为输出的额定转矩PN 为输出的额定功率nN 为输出的额定转矩二、交流电机的共同问题3）、电磁转距与电源电压的关系 电磁转矩与电动机定子绕组上所加电压U的平方成正比：U1U2U3 当电动机负载的阻力矩TL一定时，又有电压降低，电磁转矩T下降，将使电机可能带不动原有负载，于是转速下降，电流加大。电压下降过低，以致最大转矩也低于负载转矩时，电机停转。二、交流电机的共同问题三相异步电动机的启动 鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。1)直接起动 直接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动，如图所示。这种方法最简单，设备少，投资小，起动时间短，但起动电流大，起动转矩小，一般只适用于小容量电动机（10kW以下）的起动。二、交流电机的共同问题 2)降压起动 降压起动的主要目的是为了限制起动电流，但同时也限制了起动转矩，因此，这种方法只适用于轻载或空载情况下起动。常用的降压起动方法有下列几种：(1)定子电路中串电抗器起动 这种起动方法是在电动机定子绕组的电路中串入一个三相电抗器，其接线如图所示。二、交流电机的共同问题(2)Y-起动 这种方法只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机。起动时，先将定子绕组改接成星形，使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的1/3，从而降低了起动电压；待电动机转速升高后，再将绕组接成三角形，使其在额定电压下运行。Y-起动线路如图。可以证明，星形起动时的起动电流（线电流）仅为三角形直接起动时电流（线电流）的1/3，即IYst=(1/3)Ist；其起动转矩也为后者的1/3，即TYst=(1/3)Tst 二、交流电机的共同问题 这种方法适用于电动机轻载或空载时启动。注注三、交流电机的调速调速是指人为的改变电动机的转速。调速方法如下：1)变极调速 2)变频调速 3)变压调速 1)变极调速 三、交流电机的调速 通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数 p 来调速。因磁极对数只能是按1、2、3、的规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节，是步级式调速方法。三、交流电机的调速 2)变频调速 通过变频器把频率为50Hz工频的三相交流电源变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源，然后供给三相异步电动机，从而使电动机的速度得到调节。变频调速属于无级调速，具有机械特性曲线较硬的特点。可控整流器逆变器M350Hz三相交流电源三、交流电机的调速 近年来，交流变频调速在国内外发展非常迅速。由于晶闸管变流技术的日趋成熟和可靠，变频调速在生产实际中应用非常普遍，它打破了直流拖动在调速领域中的统治地位。交流变频调速需要有一套专门的变频设备，所以价格较高。但由于其调速范围大，平滑性好，适应面广，能做到无级调速，因此它的应用将日益广泛。3)变压调速 变变压压调调速速：用电抗器或自耦变压器来降低定子绕组上所承受的电压，进而改变转矩，获得一定的调速范围。这种方法常用于拖动电机、泵类负载。家用电器中的风扇就是用这种方法调速的。结束语谢谢大家！Thank you for your attention!