第五章-交流感应电动机及其驱动技术演示幻灯片.ppt

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,*,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,*,1.,了解三相交流异步电动机的基本构造和转动,原理。,本章要求：,2.,理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握,起动和反转的基本方法,了解调速和制动的,方法。,5.,理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。,第,5,章 交流电动机,电动机的分类：,鼠笼式异步交流电动机授课内容：,基本结构、工作原理、机械特性、控制方法,电动机,交流电动机,直流电动机,三相电动机,单相电动机,同步电动机,异步电动机,他励、并励电动机,串励、复励电动机,第,5,章 交流电动机,异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。,(1),定子,异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。,(2),转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,5.1,三相异步电动机的构造,1,.,定子,铁心：由内周有槽,的硅钢片叠成。,A-X,B-Y,C-Z,三相绕组,机座：电机采用全封闭式结构，,框架和托架采用压铸铝，水冷却定子框架,1.,交流电机,的定子结构,三相电枢绕组,转子,:,在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,2,.,转子,鼠笼转子,铁心：电磁钢板,(1),鼠笼式转子,铁芯槽内放铜条，端,部用短路环形成一体。,或铸铝形成转子绕组。,(2),绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,鼠笼式,绕线式,电动汽车用的交流异步电动机特点：,小型轻量化,易实现转速超过,10000r/min,的高速运转,低速时有高转矩、以及宽泛的速度控制范围,高可靠性,制造成本低,控制装置简易化,5.2,三相异步电动机的转动原理,5.2.1,电动机的转动原理,1.,转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,方向,:,顺时针,切割转子导体,右手定则,感应电动势,E,20,旋转磁场,感应电流,I,2,旋转磁场,左手定则,电磁力,F,F,电磁转矩,T,n,F,5.2.2,旋转磁场,定子三相绕组通入三,相交流电,(,星形联接,),A,X,B,Y,C,Z,1,.,旋转磁场的产生,o,t,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,合成磁场方向向下,合成磁场旋转,60,合成磁场旋转,90,60,0,o,i,:,“+”,首端流入，,尾端流出。,i,:,“”,尾端流入，,首端流出。,(,),电流入,(),电流出,A,A,X,Z,B,C,Y,A,A,X,Z,B,C,Y,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场,即：,一个电流周期，旋转磁场在空间转过,360,取决于三相电流的相序,2,.,旋转磁场的旋转方向,结论：任意调换两根,电源进线，则旋转,磁场反转。,任意调换两根电源进线,(,电路如图,),A,X,B,Z,C,Y,0,t,o,60,0,5.,旋转磁场的极对数,p,当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，,即：,o,t,A,X,B,Y,C,Z,A,X,Y,C,B,Z,极对数,旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,C,Y,A,B,C,X,Y,Z,A,X,B,Z,若定子每相绕组由两个线圈串联,，绕组的始端,之间互差,60,，将形成,两对磁极的旋转磁场。,5.,旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p,=1,时,0,t,o,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,p,=,2,时,0,旋转磁场转速,n,0,与极对数,p,的关系,旋转磁场转速,n,0,与频率,f,1,和极对数,p,有关。,可见,:,5.2.3,转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与,旋转磁场的同步转速之比称为,转差率。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场,旋转的方向一致，但转子转速,n,不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,异步电动机,如果,:,无转子电动势和转子电流,转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切,割转子导条,无转矩,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,异步电动机的转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响异步电动机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值，用转差率表示，即有,转差率,s,式中，,s,为转差率；,n,0,为定子旋转磁场的同步转速；,n,为转子转速。,5.3,交流感应电机的工作特性,1）.三相异步感应电机的工作特性,2）.三相异步感应电机的机械特性,3）.三相异步感应电机的制动特性,异步电动机的工作特性,异步电动机的工作特性是指电动机在保持额度电压和额定频率不变的情况下，,电动机的转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数,随,输出功率,变化的特性。,转速特性和转矩特性关系到电动机与机械负载匹配的合理性；,定子电流特性可以表明电动机的发热情况，关系到电动机运行的可靠性和使用寿命；,效率特性和功率因数特性关系到电动机运行的经济性。,1.三相异步感应电机的工作特性,图5-38异步电机的工作特性,(2)定子电流特性,I,1,=,f,(,P,2,)由磁势平衡方程式的电流形式：,I,1,=,I,0,+(,I,2,)可知，理想空载时,I,2,=0，所以,I,1,=,I,0,。,随着负载的增加，转子电流增大，定子电流及磁势也随之增加，抵消转子电流产生的磁势，以保证磁势的平衡，,所以定子电流随输出功率的增大而增大。,(3)功率因数特性,cos,1,=,f,(,P,2,),异步电机是从滞后的无功功率进行励磁的，空载时定子电流基本上是励磁电流，功率因数很低，仅为0.10.2。,随着负载增加，转子电流增大，转子电路功率因数较高，所以定子电流中有功功率分量增加使功率因数上升。,在额定负载附近，功率因数达到最大值。,超过额定负载后，由于转速降低使转差率,s,明显增大，转子功率因数下降较多，使定子电流中与之平衡的无功分量增大，功率因数有所下降。,(4)转矩特性,T,=,f,(,P,2,),稳态运行时异步电动机的电磁转矩：,异步电动机从空载到满载时，转速变化不大，空载转矩基本不变，,所以电磁转矩与转速成反比。,(5)效率特性,=,f,(,P,2,),当异步电动机损耗功率中不变的损耗等于可变损耗时，效率最高。,5.4,三相异步电动机转矩与机械特性,5.5.1,转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电,机结构有关,旋转磁场,每极磁通,转子电流,转子电路的,功率因数,异步电动机的机械特性是指电动机在,恒定电压和恒定频率,的情况下，电动机的转速与转矩之间的关系。,由此得电磁转矩公式,由前面分析知：,转子静止时,的感应电势,转子静止时,的电抗,5.4.2,机械特性曲线,O,T,S,根据转矩公式,得特性曲线：,O,T,1,电动机在额定负载时的转矩。,1,.,额定转矩,T,N,三个重要转矩,O,T,额定转矩,(N m),P,2,为电动机转轴上输出的机械功率,2,.,最大转矩,T,max,电机带动最大负载的能力。,令：,求得,临界转差率,O,T,T,max,将,s,m,代入转矩公式，可得,当,U,1,一定时，,T,max,为定值,过载系数,(,能力,),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使,T,2,T,2,电机能起动，否则不能起动。,O,T,T,st,起动能力,5.,电动机的运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调,整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械,的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由,操作者加大油门，才能带动新的负载）。,此过程中，,n,、,s,E,2,I,2,I,1,电源提供的功率自动增加。,T,2,s,T,2,T,T=T,2,n,T,T,2,达到新的平衡,T,2,常用特,性段,T,O,5.,U,1,、,f,、,R,2,、,变化对机械特性的影响,(1),U,1,变化对机械特性的影响,U,T,m,T,st,T,2,T,O,(2),R,2,变化对机械特性的影响,T,O,R,2,T,st,n,硬特性：,负载变化时，转速变化不大，运行特性好。,软特性：,负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。,(2),R,2,变化对机械特性的影响,不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。,T,O,R,2,T,st,n,硬特性：,负载变化时，转速变化不大，运行特性好。,软特性：,负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。,(3),f,变化对机械特性的影响,(1)电动运转状态在三相异步感应电机处于电动运转状态时，供电系统向三相异步感应电机供给电能，产生正向旋转的驱动转矩。,三相电源任何两相接线转换，都产生反向旋转的驱动转矩。,(2)制动运转状态三相异步感应电机有3种制动运转状态：反馈制动、反接制动和能耗制动。,一般电动车利用反馈制动回收的能量可以达到车辆所消耗能量的,10%-15%,。,5.5,三相异步感应电机的制动特性,5.5,三相异步电动机的制动,5.5.1,能耗制动,制动方法,机械制动,电气制动,能耗制动,反接制动,发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相,绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与,旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的,转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,n,F,转子,T,n,0,=0,5.5.2,反接制动,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,M,3,+,-,运转,制动,R,P,M,3,运转,制动,n,F,转子,T,n,0,5.5.3,发电反馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速,时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变,化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制,动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成,电能回送给储能装置。,n,F,转子,T,n,0,n,n,0,(2)制动运转状态,三相异步感应电机运转状,态和反馈制动状态的机械特性,电动汽车由于制动惯性作用，带动异步电动机运转，,此时电机转速大于电机的同步转速，,s,O,u,t,O,u,t,如何用一系列,等幅不等宽的脉冲,来代替一个正弦半波,宽度相同，幅值正弦变化,幅值相同，宽度正弦变化,SPWM,波形,按比例改变脉冲宽度，即可改变等效正弦波幅值,1.,电压型正弦波逆变器的基本原理,O,w,t,U,d,-U,d,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到,PWM,波形，因此正弦波一个完整周期的等效,PWM,波为：,O,w,t,U,d,-,U,d,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的,PWM,波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,1.,电压型正弦波逆变器的基本原理,O,w,t,U,d,-,U,d,O,w,t,U,d,-U,d,等幅,PWM,波,输入侧是直流电源,4.2.3,电压型正弦波逆变器,1.,电压型正弦波逆变器的基本原理,把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。图,9,-27为所希望的波形和所期望的SPWM波的关系。,图,9,-,4,所希望的波形和所期望的SPWM波的关系,通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于调制信号波幅度的脉冲。图3-28为调制波、载波和SPWM波的关系图形。采用SPWM技术时可以对DC-AC逆变器的输出幅度和频率进行独立控制。,需要说明的是，PWM和SPWM这两个术语，实质上是没有区别的，有时为了强调正弦波调制，用SPWM表示，经常混用这两个术语。SVPWM是从电机控制角度出发，指电机磁通正弦脉冲宽度调制。,5,）,SPWM,脉冲信号的生成,是将载波信号（如三角波信号）和调制波信号（如正弦波信号）通过模拟比较器进行比较运算，从而输出,SPWM,脉冲信号。,72,9,-,6,调制波、载波和SPWM波的关系,9-7,SPWM技术对DC-AC逆变器输出幅度和频率独立控制示意图,5.9.,2 正弦波PWM的DC/AC逆变器主电路,图,9,-,5,正弦波SPWM的DC/AC逆变器主电路,1,）三相双极性,SPWM,控制,是三相电压型正弦波逆变器基本的,SPWM,控制方案，这种控制方案对每相桥臂采用双极性,SPWM,控制，即三相桥臂采用同一个三角载波信号，而三相桥臂的调制波则采用三相对称的正弦波信号。,三相双极性,SPWM,控制时的调制波形和功率管驱动信号生成原理电路如图,4-41,所示。,4.2.3,电压型正弦波逆变器,4.,三相电压型正弦波逆变器的,PWM,控制,76,图5-51三相双极式SPWM波形,5.9.,2 正弦波PWM的DC/AC逆变器主电路,