交流感应电动机及其驱动技术课件

1、交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,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,第5章 交流电动机,交流感应电动机及其驱动技术,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

2、异步电动机的构造,交流感应电动机及其驱动技术,1.定子,交流感应电动机及其驱动技术,1. 交流电机 的定子结构,三相电枢绕组,交流感应电动机及其驱动技术,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,2) 绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,5.2 三相异步电动机的转动原理,交流感应电动机及其驱动技术,5. 2. 1

3、 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,感应电动势 E20,电磁力F,交流感应电动机及其驱动技术,5. 2. 2 旋转磁场,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接,1.旋转磁场的产生,交流感应电动机及其驱动技术,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,o,电流入,电流出,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及

4、其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,极对数,旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,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,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,p=2时,交流感应电动机及其驱动技术,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,交流感应电动机及其驱动技术,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

5、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,如果,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别,交流感应电动机及其驱动技术,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；n0 为定子旋转磁场的同步转速；n 为转子转速,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动

6、机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,交流感应电动机及其驱动技术,2)定子电流特性I1=f(P2)由磁势平衡方程式的电流形式： I1 = I0+( I2)可知，理

7、想空载时I2=0，所以I1= I0。 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,交流感应电动机及其驱动技术,3)功率因数特性cos1=f(P2) 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

8、,交流感应电动机及其驱动技术,4)转矩特性T=f(P2) 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,交流感应电动机及其驱动技术,5)效率特性=f(P2) 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,交流感应电动机及其驱动技术,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

9、之间的关系,交流感应电动机及其驱动技术,由此得电磁转矩公式,转子静止时 的感应电势,转子静止时 的电抗,交流感应电动机及其驱动技术,5. 4. 2 机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线,交流感应电动机及其驱动技术,电动机在额定负载时的转矩,1.额定转矩TN,三个重要转矩,额定转矩,N m,P2为电动机转轴上输出的机械功率,交流感应电动机及其驱动技术,2.最大转矩 Tmax,电机带动最大负载的能力,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,交流感应电动机及其驱动技术,当 U1 一定时，Tmax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T2 Tmax ，否则电机将停转,电机

10、严重过热而烧坏,交流感应电动机及其驱动技术,5. 起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩,起动时n= 0 时，s =1,2) Tst与 R2 有关， 适当使 R2 Tst 。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R2 , 可使Tst =Tmax,Tst体现了电动机带载起动的能力。 若 Tst T2电机能起动，否则不能起动,起动能力,交流感应电动机及其驱动技术,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 、sE2

11、, I2 I1 电源提供的功率自动增加,T2,s,T2 T,T =T2,n,T,达到新的平衡,交流感应电动机及其驱动技术,5. U1、f、 R2、变化对机械特性的影响,1) U1 变化对机械特性的影响,T2,交流感应电动机及其驱动技术,2) R2 变化对机械特性的影响,R2,Tst,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。,交流感应电动机及其驱动技术,2) R2 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,交流感应电动机及其驱动技术,3) f 变化对机械特性的影响,交流感应

12、电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,5.5三相异步电动机的制动,5.5.1 能耗制动,制动方法,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，

13、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,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,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 n0,交流感应电动机及其驱动技术,2)制动运转状态,三相异步感应电机运

14、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，s0，转为发电状态,交流感应电动机及其驱动技术,5.6.1调速的性能指标,1.调速的技术指标,电动机在额定负载转矩下，能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比,具体采用的调速方法，要考虑技术和经济指标。如技术指标，调速范围，平滑性，调速时允许的输出。调速的经济指标，调速系统的设备投资、运行中的能量损耗和维修费用等,1）调速范围D,2）静差率,5.6 三相异步电动机的调速,交流感应电动机及其驱动技术,电动机在一条机械特性上运行，由理想空载到额定负载的转速降nN与理想空载转速n0的

15、百分比,静差率，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速的变化也越小,3）调速的平滑性,指相邻两级转速的接近程度，用,交流感应电动机及其驱动技术,4）调速时允许的输出的功率和转矩,是指电动机在保持额定电流的条件下，在调速过程中电动机所能输出的功率和转矩,采用不同的调速方法时，允许的输出的功率和转矩随转速的变化规律是不同的,允许输出的最大转矩与转速无关的调速方法为恒转矩调速，允许的输出的最大功率与转速无关的调速方法为恒功率调速,电动机稳定运行时实际输出的功率和转矩是由负载决定的。负载可分为恒转矩负载和恒功率负载，这就要求调速方法和负载类型相匹配，否则电动机得不到充分利用,交流感应电动机及其驱动技术

16、,5.6 三相异步电动机的调速,5.6.2 异步电动机的调速方法,变频调速 (无级调速,变频调速应用最广，可构成高性能的交流调速系统，最具有发展前途,电力电子和微机控制技术是现代交流调速的物质基础。有了电力电子变流装置，解决了调速装置过去设备多、体积大、成本高等问题，使交流调速得到飞跃的发展,交流感应电动机及其驱动技术,5.6 三相异步电动机的调速,各类电力电子器件,类型,不可控器件,代号,名称,全控器件,半控器件,电流控器件,场控器件,功率集成电路,D,整流二极管（Diode,Th、SCR,晶闸管（Thyristor,BJT,双极型晶体管（Bipolar Transistor,GTO,门极关

17、断晶闸管（Gate Turn-off,P-MOSFET,电力场效应晶体管,IGBT,绝缘栅双极型晶体管,MCT,场控晶闸管,PIC,功率集成电路,交流感应电动机及其驱动技术,频率调节范围：0.5几百赫兹,5.6 三相异步电动机的调速,根据,功率变换器主电路,交流电机电枢绕组,交流感应电动机及其驱动技术,1.变频调速原理及其机械特性,而在电机调速时，通常 要考虑的一个重要因素是希望保持不变。因为如果磁通减弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大,若要求电机在不同转速下都达到额定电流,频率下调时， 因为不变，所以转矩T也不变，属于恒转矩调速,转矩T随磁

18、通变化,交流感应电动机及其驱动技术,1.变频调速 原理及其机械特性,变频调速的优点：具有较硬的机械特性，转速稳定性好，调速范围宽，可实现无级调速,交流感应电动机及其驱动技术,基于变压变频控制算法的感应电机转矩-转速曲线,在额定转速之下，保持电机转矩恒定；在额定转速之上， 保持电机恒功率运行。在电动汽车驱动中，要求恒功率区 调速范围尽可能的宽,交流感应电动机及其驱动技术,5.7 三相异步电动机铭牌数据（自学,1. 型号,例如： Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数,交流感应电动机及其驱动技术,异步电动机产品名称代号,交流感应电动机及其驱动技术,2. 接法,接线盒,定子三相绕组的

19、联接方法。通常,Y 联结,联结,交流感应电动机及其驱动技术,5. 电压,例如：380/220V、Y/ 是指线电压为 380V 时 采用 Y联结；线电压为 220V 时采用 联结,说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低 于额定值的 5% 。因为在电动机满载或接近 满载情况下运行时，电压过高 或过低都会使 电动机的电流大于额定值, 从而使电动机过热,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V, 及6000V等多种,交流感应电动机及其驱动技术,5. 电流,例如： Y / 6.33 / 11.64 A 表示星形联结下电机的线电流为 6.33A；三角

20、形联结下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.33A,5. 功率与效率,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1,交流感应电动机及其驱动技术,6. 功率因数,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载 时约为 0.3 0.9。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高,5. 额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速,8. 绝缘等级,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分 为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C,交流感应电动机及其驱动技术,

21、5.8.1 功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏,1. 对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率,2. 对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率,5.8 三相异步电动机的选择（自学,交流感应电动机及其驱动技术,交流感应电动机及其驱动技术,把直流电变成交流电称为逆变，相应的功率变换装置被称为逆变器。 可将直流电变为定频定压或调频调压的交流电输出。 传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现。 目前多采用PWM控制技术,DC-AC方框图,5.9 逆变器,交流感应电动机及其驱动技术,图9-1 方波逆变器输出

22、的方波用N个小方波取代 改变小方波脉冲宽度调节输出基波幅度,交流感应电动机及其驱动技术,利用SPWM技术做成的逆变器具有以下特点： 1)逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。2)可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。3)组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关,交流感应电动机及其驱动技术,5.9.1 SPWM控制原理,图9-2电动汽车用功率逆变器,交流感应电动机及其驱动技术,如何用一

23、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,交流感应电动机及其驱动技术,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,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,交流感应电动机及其驱动技术,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,交流感应电动机及其驱动技术,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