三相异步电机的调速控制

1、三相异步电机的变频调速控制1 .摘要 32 .前言 33 .三相异步电机的基本结构、工作原理和数学模型 3.3.1 基本结构3.3.2 工作原理5.3.3 异步电动机的等效数学模型 6.4 .三相异步电动机的调速方法与特性 7.4.1 调速方法分类7.4.2 变频调速原理和机械特性 8.4.3 原理框图1.1.4.4 变频调速的基本控制方式1.14.5 PLC+变频器实现变频调速 115结束语 1.2.6.参考文献1.3.131 .摘要介绍了三相异步电动机的基本结构、工作原理和数学模型，随后讲述了其多种调速方法，并重点变频调速的原理、机械特性，最后粗略介绍了下基于PLC的电动机变频调速系统。2

2、 .前言直流电动机可方便地进行调速，但直流电动机体积大、造价高，并且无节能效果。而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因此对交流电动机的谢速具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机械的控制精度可大为提高，并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量而且可对诸多生产过程实施自动控制。 通过大量的理论研究和实验，人们逐渐认识到：对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多场合中，还具有非常显著的节能效果。鉴于多种调速方式中，交流变频调速系统具有体积小、重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单、通用性强的特点，使传动控制系统具有优良的性能，

3、同时节能效果明显，产生的经济效益显著。尤其当与计算机通信相配合时，使得变频控制更加安全可靠，易于操作（由于计算机控制程序具有良好的人机交互功能），变频技术必将在工业生产中发挥巨大的作用，让工业自动化程度得到更大的提高。3 .三相异步电机的基本结构、工作原理和数学模型3.1 基本结构三相异步电机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转的部分，在定子与转子间有一定的气隙，图1 为其结构图。定帙芯图1三相异步电动机的结构a.定子定子由铁芯、绕组与机座三部分组成。定子铁芯是电动机磁路的一部分，它 由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，片与片之间绝缘，以减少涡流损耗，定子铁芯 硅钢片的内圆冲有定

4、子槽，如图2所示，槽中安放绕组，硅钢片铁芯在叠压后成 为一个整体，固定于基座上。定子绕组是电动机的电路部分，由许多线圈连接而 成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽里。机座主要用于固定与支撑定子铁 芯。根据不同冷却方式采用不同机座形式。图2定子和转子铁芯1-定子铁芯硅钢片；2转子铁芯硅钢片3-定子绕组；4一转子绕组b.转子转子由铁芯与绕组组成。转子铁芯压装在转轴上，由硅钢片叠压而成，转子硅钢片冲片如图2所示，转子铁芯也是电动机磁路的一部分， 转子铁芯、气隙与 定子铁芯构成电动机的完整磁路。 异步电动机转子绕组多采用鼠笼式，它是在转 子铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如

5、图 3 (a)所示。图3鼠笼式转子（a）鼠笼式绕组（b）转子外形异步电动机的转子除了鼠笼式外还有绕线式的。绕线式转子绕组与定子绕组 一样，由线圈组成绕组放入转子铁芯槽里，转子绕组一般是连成星形的三相绕组, 转子绕组组成的磁极数与定子相同，绕线式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回 路中接入外加电阻，用于改善启动性能与调节速度，如图 4所示。囹4绕线式转子及其电路,（。辕威式精于；八样子电踣.滑环: 2特子曼朝；4血5一兰相对变电型#绕线式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理一致3.2 工作原理三相异步电动机的工作原理，是基于电磁感应原理-定子磁场（定子绕组内三 相电流所产生的合成磁场）

6、和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。从物理本质上说，异步电动机的运行和变压器相似，即电能从电源输入定子绕组（原绕组），通过电磁感应的形式，以旋转磁场作媒介，传送到转子绕组（副 绕组），而转子中的电能通过电磁力的作用变换成机械能输出。由于在这种电动 机中，转子电流的产生和电能的传送是基于电磁感应现象的，所以异步电动机又称为感应电动机。3.3异步电动机的等效数学模型异步电动机是一个高阶的、非线性、强耦合的多变量系统。实际研究异步电动 机数学模型一般常作如下假设：1 .电动机磁路是线性的，即绕组的自感和互感都是线性的：2 .三相绕组在结构上完全相同，在空间上互差 120。(电角度)，忽略齿槽影

7、响, 每相绕组所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；3 .不考虑温度和频率变化对电动机参数的影响，忽略铁耗的影响。异步电动机的数学模型可由以下四组微分方程来描述：(1)电压方程式三相定子绕组电压方程式为：Ua =IaR d-A出dpBUb #bRidtd'"、UC =iCR Cdt三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为：d'PaUa =iaR2U b - ib R2出d'PbdtdT'c cdt(2)磁链方程式每个绕组的磁链是其本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可描述为WaI甲BLAA LAB LACLAa LAb LAc IaLBA L

8、BB LBC LBa LBb LBcLCA LCB LCC LCa LCb LCcLaALaBLaCLaaLabLLbA LbB LbC Lba Lbb LIacbcLcALcBLcCLcaLcbLccJLUA,UB,UC,Ua,Ub,Uc -定子和转子相电压的瞬时值iA,iB,iC,ia,ib,ic -定子和转子相电流的瞬时值R,R2 定子和转子电阻且有自感:式中互感:Lm = Lmi2 - Ab子和转子互感Laa - Lbb - LccLab - Lba.=Lcb1 Lm2Lab = Lba = . = LcbLAa - LaA.F LCc = Lm c o sLac =Lca = . =

9、 Lbc = Lm cos（二一120）LAb = LbA =LBc = Lm coSG 120 ）(3)转矩方程式Te =PmLm Mia +iBib +idc S 日+似八 +iBic +icia 其力但+120°） +八 + ieia +i db %比（日 一120° N(4)运动方程式2.Te =375 dt式中，Tl为负载转矩，GD2为电动机和负载的飞轮转矩，J为转动惯量，其中GD2 =4GJ由以上方程式可知，异步电动机的强耦合性主要表现为磁链和转矩方程式 中，既有三相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方 程式中磁场与定、转子之间的相互影响。4

10、 .三相异步电动机的调速方法与特性4.1 调速方法分类由公式4树=60。L/P (1)和S=nn （2）n0可以得到，not/minJnot/mMl-Sk60。） （3）P由式（3）可知，异步电动机在一定负载稳定运行的条件下（T=T_）下，欲得到 不同的转速n,其调速方法有：改变极对数 p、改变转差率S （即改变电动机机 械特性的硬度）和改变电源频率 f等。交流调速的分类如下：（变极调速鼠笼电机调压调速交流调速三营差率5滑差电机调速（电磁离合器调速）调速 j转子串电阻调速【转子串电抗调速,r变频机组变频调速，交一直一交变频、交一支变频在以上三种调速方法中，变极对数调速是有级的。变转差率调速不用

11、调节同 步转速，低速时电阻能耗大，效率较低；只有审级调速情况下，转差功率才得以 利用，效率较高。变频调速要调节同步转速，可以从低速到高速都保持很好的转 差率，效率高，调节范围大，精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方法。下面将详细介绍变频调速的基本原理和特性。4.2 变频调速原理和机械特性由式（1）及下图5可知，异步电动机的转速n正比于定子电源的频率fn若 连续地调节定子频率fi,即可实现连续地改变电动机的转速 n。变频调速是目前交流电动机调速的一种主要方法，它在许多方面已取代了直 流调速系统，交流调速技术已经成为当前机电传动控制系统研究的主要内容之O图5改变定子电源频率时的人为机械特性在进

12、行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量 6m为额定量不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果增大磁通，又会使铁心 饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。三相异步电机定子每相电动势的有效值是Eg =4.44fNkNi m (4)式中，fi -定子频率；N1-定子每相绕组串联匝数；kNi -基波绕组系数；m-每极气隙磁通量。由式(4)可知，Gm、fi是常数，只要控制好Eg和fi,便可达到控制磁通Gm的 目的。对此，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。a.基频以下调速由式(4)可知，要保持m不变，当频率fi从额定值fin向下调节时，必须同时降

13、低Eg,使Eg/fi=常值(5)即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接 控制的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子 相电压Ui % Eg ,则得(6)U1/ f1 =常值这是恒压频比的控制方式。低频时， U口 Eg®较小，定子漏阻抗压降所占的份 量就比较显著，不能再忽略，这时，可以人为的把电压 Uf台高一些，以便近似的 补偿定子漏阻抗压降。其控制特性如图6所示图6恒压频比控制特性b.基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从石。向上增高，但电压U¥不能超过电机的额 定电压Um,最多只能保持Ui=Um。由式(4)可知

14、，这将迫使磁通与频率成反比 的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图所示的异步电动机变压变频调 速控制特性。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流， 即电机都能在温升允许情况下 长期运行，则转矩基本上随磁通变化。根据电力拖动原理，在基频以下，磁通包 定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降 低，基本上属于“恒功率调速”。异步电机的变压变频调速是进行分段控制的：基频以下，采取恒磁包压频 比控制方式；基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式变频调速时的机械特性n = f 1),如图8所示图8变频调速的机械特性4.3 原理框图4.4 变频

15、调速的基本控制方式4.5 V/F协调控制方式(2)电流限制控制方式(3)转差率控制方式(4)矢量控制方式(5)直接转矩控制方式4.6 PLC+变频器实现变频调速PLC(可编程逻辑控制器)技术、变频(变频器)调速技术的发展极为迅速，已渗 透到各个领域。以它们为主导的现代生产技术正以史无前例的速度迅猛发展。采用松下FPE系列PLC和VF0系列变频器实现对三相异步电动机电动机的 变频调速控制。用八段速、无极调速及采用光电编码器的闭环控制方法实现对电动机的控制。如图9所示图9电动机变频调速系统(1)八段速控制八段速控制就是在变频器中设定八个频率， 通过PLC的八个控制按钮输入分 别控制一种频率的输出，

16、即实现一个按钮控制一种电动机的转速。(2)无极调速控制控制方案采用PWM技术对电动机进行控制，PWM控制技术以其控制简单， 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一'o(3)采用光电编码器的闭环控制本方案采用增甚式光电编码器作为闭环控制的反馈输入，具体实现过程：PLC控制电动机按一速度运转，用光电编码器检测电动机当前转圈所产生的脉冲 数，将它传回给PLC。用PLC编程将脉冲数转换成电动机的转速，然后与电动 机的预设值进行比较，若有偏差则通过 PID算法将误差消除，使电动机能按照 预定的转速进行运转。5 .结束语与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能 与电机本体和调速系统的设计都密切相关。这一方面使变频调速电机的设计要同 时兼顾电机本体和调速系统；另一方面也使得变频调速异步电动机的设计变得灵活， 但同时也增加了高性能变频调速系统设计的复杂程度。只有结合变频器和一定的控制策略，从整体上进行