第二章三相交流异步电机及其控制

1、第二章三相交流异步电机及其控制第二章三相交流异步电机及其控制 本章主要介绍：.三相异步电机的转动原理.三相异步电机的电磁转矩和机械特性.三相异步电机的启动、正反转、制动.三相异步电机的技术参数.三相异步电机的调速控制第一节 三相异步电机的转动原理 一、转子转动原理二、旋转磁场的产生三相电流表达式三相电源波形图旋转磁场分析改变三相电源的相序，旋转磁场方向改变三、异步电动机的转动原理 感应电动势方向：右手定则 电磁力方向：左手定则第二节、三相异步电机的基本知识 一、三相异步电机的极对数P=2时的旋转磁场 二、三相异步电机的转速n0=60f1/p 对一台固定的三相异步电机，f1和p通常固定，则n0固

2、定。 转差率s： s =（ n0 -n）/n0 一般s =1%9%；启动瞬间，n=0，s具有最大值=1。 三、三相异步电机的构造 转子在结构上分为两种：笼形、绕线形。鼠笼式转子是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的短路环连接而成的。转子绕组就像一个鼠笼形状故称其为鼠笼式转子。 铸铝转子：中小型电机，一般采用铸铝绕组。这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内，并连同两端的短路环和风扇浇注在一起。如某三相异步电动机铭牌如下， 现对铭牌的各项数据作些简要介绍。三相异步电动机型号 Y-L 132M4 功率 7.5kW 频率50Hz电压 380V 电流 15.4A 接法D 转速 1440r/min 绝

3、缘等级 B级 工作方式 连续 年 月 编号 XX电机厂制造 Y-L 132M4 Y-L产品代号，Y及Y-L系列为小型笼型异步电动机，其中Y系列定子绕组为铜线，Y-L系列定子绕组为铝线，功率大约在0.5590kW之间。 132机座中心高132 mm； M 表示中机座， （ S表示短机座， L表示长机座）； 4 磁极数。三相异步电动机的接法：多数电机有六个接线柱，有的也有三个接线柱，有三个接线柱为星形接法。有六个的需要按电机铭牌上的接法接线。 三角形接法：如 U1 V1 W1 W2 U2 V2 U1和W2相连、V1和U2相连、W1和V2相连 星形接法：如 U1 V1 W1 U2 V2 W2 把电机

4、的首端或末端相连，如把U1V1W1相连 以上几种接法都为380V的三相异步电动机的接法。如果三相异步电动机用变频控制需用星形接法。三相异步电动机铭牌上标明：“额定电压380/220V，接法丫/”。当电网电压为380V时，这台三相异步电动机应采用那种接法？ A: 接法 B: 丫接法 C: 、丫都可以 D: 、丫都不可以问题：第三节、定子和转子电路分析 三相异步电机的电磁关系与变压器相似， 定子绕组相当于变压器的一次绕组； 转子绕组相当于变压器的二次绕组一、定子电路分析 电压加于定子绕组，产生合成旋转磁场； 该磁场在空气隙中呈正弦分布； 以转速为n0旋转。 该磁场切割定子和转子导体，在定子绕组某相

5、中产生的感应电势为： 此电势也按正弦规律变化，相位滞后：90o E的大小为： 式中N1为定子绕组每相串联的匝数。 由于定子中同一相绕组是嵌放在不同分布的槽中，考虑到绕组分布的情况，上式中应乘一个小于1的绕组系数k1，即： 同样对于绕线转子电动势中也有绕组系数k2，（一般取0.9），对笼形k2取1。 定子绕组漏磁通1，转子绕组漏磁通2； 定子绕组漏磁通1产生的感应电势为： X1=2f1L 1 再考虑每相绕组的电阻R1，可写出定子回路的电势平衡方程式为： 由于定子绕组电阻R1和定子绕组漏抗X1一般都很小，其压降和E1相比可忽略：二、转子电路分析 旋转磁场在转子每相绕组中的感应电势为： 其有效值为：

6、 f2为转子每相绕组所感应的电动势和转子电流的频率；k2为转子绕组系数；N2为转子绕组匝数。 转子绕组导体切割旋转磁场的速率为n=n0-n，故有： 当转子在0nn0转动时： 式中，E20表示当转子不动时，旋转磁场在转子绕组中产生的感应电势。 转子绕组中的漏磁通2也引起感抗压降 -E 2，即： X 20表示转子不动时，每相转子绕组的漏感抗。 上式中： 当转子转动时，转子绕组每相电流有效值为： 转子电路的功率因素为： 异步电机正常运行时，由于转子短路，其电压平衡方程式为： 将E2= sE20和X 2=s X 20带入，可得： I2和cos2随s变化的关系曲线如图所示： 三相异步电机定子和转子某一相

7、可用下图来模拟。第四节、三相异步电机的电磁转矩和机械特性 一、电磁转矩 电磁力对转轴构成了转矩电磁转矩。 在电磁转矩的作用下，电动机带动负载而输出功率。 设电机旋转的角速度为。转子的电磁转矩为T，则转子输出的机械功率为： 异步电动机的电磁转矩是由具有电流I2的所有转子绕组导体在磁场中受力而产生的。 电磁转矩的大小与转子电流I2和磁场每极磁通成正比。转子电路有感抗，转子感应电动势与转子电流间有相位差2 。 电磁转矩：T=KTI2cos2 式中， KT：异步电动机的转矩常数； ：磁场每极磁通； I2：转子电流； cos2 ：转子电路功率因数， cos2 1。电磁转矩的另一表达式电磁转矩：T=KTs

8、 R2U12/(R22+(s X20)2) 式中：KT：转子的另一转矩系数；s：转速差；R2：转子电路中的等效电阻，定值；U1：电源电压；X20 ：转子电路中的电抗，定值。 上式表明，三相异步电机的电磁转矩T与每相电压有效值U1的平方成正比。 当U1变化时，对电磁转矩影响很大。 U1下降，转矩下降速度快，电流增大，有烧坏绕组线圈的可能。 当电压U1一定时，转子参数R2和X20一定时，电磁转矩与转差率s有关，T=f（s）关系就称为异步电机的机械特性。二、机械特性 以s为自变量，T为因变量可做出T=f（s）曲线： 由T=f（s）曲线可得出n=f（T）曲线：（一）、额定转矩TN 额定转矩是电机在额定

9、负载时输出的转矩。额定转矩TN可从电机铭牌数据（额定功率P2N和额定转速）求得：式中：T：转矩，单位Nm；P2N：额定功率，单位Kw；nN :额定转速，单位r/min。（二）、最大转矩Tmax 最大转矩可通过下面求得：为转子电路中电抗 由最大转矩公式得： Tmax与U1平方成正比，与X 20成反比，与R2无关； Sm与R2成正比，与X 20成反比。 电机负载达到Tmax称为过载。 当负载转矩超过Tmax时，电机将发生“堵转”现象，此时，电机电流升高几倍，如果时间较长，电机会过热损坏。 用过载系数来标定电机的过载能力。 一般=1.62.5。（三）、启动转矩TSt 启动时，n=0、s=1，可得：

10、TSt与U1平方成正比，与R2有关； 当R2 = X 20时， TSt =Tmax，sm=1，但当R2继续增大， TSt将会减小。第五节、三相异步电机的技术参数 一、输入功率p1 对三相异步电机，m1=3。 二、输出功率p2 三、异步电机的损耗 1. 定子绕组的铜损Pcu1 2. 定子铁心铁损PFe1 3. 转子绕组的铜损Pcu2、铁损PFe2 4. 转子铁心铁损PFe2 很小，忽略不计 四、异步电机的效率 空载或轻载时，很低，=20%30%； 满载时，=75%92%； 电机容量越大，效率越高。 五、异步电机的工作特性和额定值 （一）、异步电机的工作特性 忽略电机的机械损耗，则输出功率： 输出

11、转矩： （二）、异步电机的额定值 1. 额定功率PN 2. 额定电压UN 3. 额定频率f1 4. 额定电流IN 5. 额定转速nN 6. 额定功率因数cosN 7. 额定效率N 8. 工作方式 9. 绝缘等级第六节 起动、正反转、制动 一、起动及其控制 异步电机起动性能 起动时，n=0，s=1，此时E20最大，设nN时的转差率SN=0.05，则由E2N= SN E20可知， E20是E2N的20倍。 起动时转子漏抗X 20也较大，故起动时转子电流为I2st= E20 /（R22+ X 20 2）1/2约为额定转子电流的58倍，I1st约为额定定子电流I1N的47倍。 起动电流倍数： 1. 直

12、接起动 要求：电动机起动时，电源变压器的母线压降不应超过容许值（经常起动的母线最大容许压降为10，不经常起动为15），容许直接起动的电动机容量应小于变压器容量的2030。 直接起动的开关设备：三刀闸开关、铁壳开关、油开关及交流接触器等。笼形异步电机的起动控制2.降压起动 绕线异步电机的起动控制 前述笼型异步电动机降压起动的各种控制方案均能达到降低起动电流的目的；但由于起动转矩正比于电压的平方，相应的起动转矩也降低，故降压起动方法一般只用于大型三相异步电动机的空载或轻载起动。 如果既要减小起动电流，又要求较大的起动转矩绕线转子异步电动机。 在转子回路中串入电阻后： 将式中R2加大，起动时，s=1

13、，转子电流为： 从上式可看出，起动电流比不串电阻时小。 同时： 由于R2加大，cos2相应提高，结果使起动转矩增大。 可见：转子电路串接适当的电阻，可达到既减小起动电流，又增大起动转矩的效果。220222)(/2sXRRCOS 在图中，KA1、KA2、KA3为电流继电器，其吸和电流相同而释放电流不同，KA1的释放电流最大，KA3最小。 二、正、反转控制 .正、停、反控制线路 .正、反、停控制线路 .自动反复行程控制 三、制动控制 .能耗制动： 在电动机脱开电源后，立即在定子绕组中通入直流电流，该直流电流在电机中产生一个方向恒定的磁场。 制动转矩的大小决定于直流磁场的强弱和转子电流的大小。 对笼

14、形：控制直流磁场的强弱； 对饶线形：两者均可。 .反接制动 .发电反馈制动（发电机制动） 当电动机的转子转速大于电机的旋转磁场的转速n0时，此时，转差率s0。 此时电机已转入发电机运行，将位能转换为电能反馈到电网中，同时电磁转矩方向也与旋转磁场方向相反，从而产生了制动力矩，限制物体的运动速度。 另外，对多速电机从高速调到低速的过程中，也属发电反馈制动。第七节、三相异步电机的调速控制 用人工的方法改变电动机的转速调速。 机械调速 机械电气调速 电气调速：一般属无级调速一、调速系统的主要技术指标 静态指标 静差度： 电机运行于某一条机械特性上时，在额定负载下的转速降与理想空载转速之比，即： 不同的

15、设备对静差度有不同的要求。 调速范围：式中： nMAX：额定负载时最高转速 nMIN：额定负载时最低转速 调速的平滑性 K越接近1，表明平滑性越好 动态指标 最大超调量 %表明系统相对稳定性好，即动态响应平稳。 过度过程时间： 系统从阶跃作用开始，到达系统的新的稳定转速的5%所需的时间，称为过度过程时间ts。 振荡次数： 在过度过程时间内，被调量在其稳定值上下波动的次数。二、三相异步电机的开环调速方法 改变磁极 对数p的调速 改变转差率s调速 在绕线转子异步电动机中，改变转子电路的电阻，则在到达最大转矩时的转差率也相应改变。因而在同一负载下，转差率s随之改变。 当电阻增加时，转差率s上升，转速

16、下降。 该调节方法设备简单、耗能。 改变电机端电压调速 在一定转速下，电动机的电磁转矩与电压U1的平方成正比。 改变电机定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速n。三、闭环调速系统 闭环控制的交流变压调速转差功率消耗型调速系统： ASR：转速调节器 AT：触发装置 VT：晶闸管 TG：测速发电机 特点： 尽管电机开环机械特性很软，而由系统放大倍数决定的闭环系统静特性却很硬。 改变给定的输入信号Un*，则静特性可以近乎平行上下移动。 当负载变化达到并超过系统静特性的极限机械特性时，闭环系统便失去控制能力，回到开环机械特性上工作。 闭环调速系统有调速范围。

17、异步电机的变压变频调速控制转差功率不变型调速系统 转差功率不变型调速系统简称变频调速系统。 调速时，转差率不改变，因而与其它各种异步电机调速系统相比较，效率最高、性能也最好。 调速时，保持每极磁通m为额定不变值。 磁通太弱，铁心利用不充分。 磁通太高，导致铁心饱和励磁电流过大。由三相异步电机定子每相电动势有效值公式： 控制好f1和E1，即可达到控制m的目的。 当从工频（50Hz）额定频率f1N即向下调节时，同步降低E1 ，使：上式称为恒定电动势频率比。当电动势值较高时定子绕组的漏磁压降可忽略不计，并认为U1 E1 ，上式可写为：上式称为恒定压频比 注意： 当低频调速控制时，因“U1/f1常值”

18、。 U1很小时， E1也很小，定子阻抗压降所占分量不能忽略，这时需要将定子电压人为提高一些，以改善电动机的机械特性定子压降补偿的恒压频比控制方式。 对50Hz以上的变频调速时，频率可以从f1 = f1N = 50Hz向上增加，定子电压上限值为U1N ，这时不可能维持m不变，只能迫使磁通m与U1成反比地减低电机弱磁升速控制方式。 变压变频装置VVVF 关于恒转矩 T=KT I2cos2 KT为决定于电机结构的转矩常数； 在电机长期运行时，其转子绕组的允许电流I2= I2N。 电机的允许输出转矩为： Tal=TN=KT N I2Ncos2 在调速过程中，允许输出转矩在磁通不变时保持固定恒转矩调速。

19、 Pal=Tal*= Tal*2n/60 Pal：允许输出功率。 Tal：允许输出转矩。 n：转速。 可以看出，在恒转矩调速过程中，允许输出转矩不变，允许输出功率与转速成反比。 关于恒功率 在弱磁调速时， Pal=Tal*= Tal*2n/60 可得出，在弱磁调速时，允许的输出功率不变，而允许的输出转矩与转速成反比。变频器基础知识简要工作原理整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流交流低压交直交通用变频器系统框图交流低压交直交通用变频器系统框图直流直流交流整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输

20、出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦变频器基础知识简要工作原理单相逆变电路工作原理单相逆变电路工作原理S1S4S2S3EdU1S1,S3导通S2,S4导通 S1,S3导通S2,S4导通S1,S3导通S2,S4导通f1f2EdU1逆变器的功能：l通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率l通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序变频器基础知识简要工作原理S1S4S5S2S3S6UVEdW561UUVUVWUVW612 123 234 345 456 561 612三相逆变电路三相逆变电路Ed缺点：l输出电压的谐波分量太大l电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机l转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平

21、稳l直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题电机变频器基础知识简要工作原理调制解调器调制解调器 调制解调器 的英文是MODEM，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。 电子信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。 连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调

22、制”。 当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线从 Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”,这个过程叫作“解调”。合起来就是“调制解调”。变频器基础知识简要工作原理SPWM调制载波PWMPWM（Pulse Width ModurationPulse Width Moduration）调制）调制lPWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频 率可变的电压脉冲列。lSPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得 到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电

23、压，能获 得理想的控制效果：输出电流近似正弦l载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同lGTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题变频器基础知识控制算法交流调速的控制核心是： 只有保持电机磁通恒定才能保证电机出力，才能获得理想的调速效果V/FV/F控制控制简单实用，性能一般，使用最为广泛l只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定 例: 对于380V 50Hz电机，当运行频率为40HZ时，要保持V/F 恒定，则 40HZ时电机的供电电压:380（40/50)304Vl低频时，定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高矢量控制矢量控

24、制性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚l模仿直流电机的控制方法，采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电 流分量和转矩电流分量的解耦控制，保持电机磁通的恒定，进而达到良好的 转矩控制性能，实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到90代计算 机技术迅速发展才真正大范围使用变频器基础知识控制算法项目通用变频器高性能变频器控制算法V/F控制转矩提升同步机异步机控制算法基本相同开环矢量控制（无速度传感器矢量控制）闭环矢量控制（有速度传感器矢量控制）异步机和同步机需要不同的控制算法调速范围1:401:100（开环矢量),1:1000(闭环矢量)启动转矩无要求180% 0.5Hz（开环矢量)，

25、200% 0速(闭环矢量)稳速精度与转差有关（2-3%)0.5%(开环矢量)，0.05%(闭环矢量)转矩控制无有控制算法简单复杂电机参数不依赖电机参数，支持同时驱动不同类型不同功率的电机电机参数对控制性能的影响较大，一般只能驱动一台电机变频器基础知识变频器关键技术指标输入侧输入侧 额定工作电压： 给变频器供电的额定工作电压，各国家不完全一样。 中国是220V/单相/50HZ或380V/3相/50HZ电压允许波动： 限制变频器的最高和最低工作电压，避免损坏变频器 当电压超过最高值时变频器并没有保护能力频率波动范围： 50/60Hz5输出侧输出侧 额定输出电压：变频器的最大输出电压，由额定工作电压

26、决定额定电流： 变频器能够长期输出的最大电流过载能力： 变频器的输出电流允许超过额定电流的倍数和时间，由逆变 模块决定最大输出频率：变频器能够输出的最大工作频率频率精度： 输出频率的准确度（相对于设定频率）频率分辩率： 指给定运行频率的最小改变量防护等级防护等级 IP20(不防水） 变频器的构成实用原理框图220V/380V3PH键盘控制1PH键盘控制电路适用于小功率（5.5KW)适用于中大功率(5.5KW以上）类别作用主要构成器件主回路整流部分1将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分2将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分3/4

27、消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT 和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲6降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器允许运行限流电阻和接触器储能部分5保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘7对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路8交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）变频器的构成实用原理框图类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两

28、种变频器的构成实用原理框图变频器的构成用户接口主回路接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口变频器的构成主回路接口 R S T P 1 (+ ) P B (-) U V W P E P O W E R S U P P LY M O T O R 工频电网输入380V 3PH/220V 3PH220V 1PH制动电阻直流电抗器三相交流电机变频器的构成控制回路接口接口类型主要特点主要功能开关量输入无源输入，一般由变频器内部24V供电，启/停变频器，接收编码器信号、多段速、外部故障等信号或指令开关量输出集电极开路输出、继电器输出变频器故障、就绪、达速等，参

29、与外部控制模拟量输入0-10V/4-20mA频率给定/PID给定、反馈，接收来自外部的给定或控制模拟量输出0-10V/4-20mA运行频率、运行电流的输出，用于外界显示仪表和外部设备控制脉冲输出PWM波输出功能同模拟量输出（只有个别变频器提供）通讯口RS485/RS232组网控制以上端子均可自由编程变频器保护功能 由于变频器大量的使用了各种半导体器件，如整流桥、IGBT、电解电容等， 要想保证变频器长期稳定工作，则必须保证各器件工作在其允许条件下。 超出条件则必须立刻或延时停止变频器工作，待异常条件消失后才能重 新开始工作，如保护失效或动作延迟将导致变频器出现不可恢复性损害。保护类型原因缺相输

30、入缺相输入电压值相差超过允许值输出缺相输出电流三相不平衡过流加速/减速/恒速超过变频器允许的最大电流（2倍额定）过载超过变频器允许的过载范围过压加速/减速/恒速直流母线电压超过允许值过热散热器温度超过允许值欠压电网电压过低EMERSON 公司产品情况产品系列MDI经济型通用TD900TD1000/TD2000TD3000TD2100供水TD3100电梯TD3200门机TD3300张力TD3400注塑机低高EV3100电梯多EV1000EV2000经济实用型V/F控制多功能V/F控制电流矢量多功能，矢量控制功能：少全面支持MODBUS/PROFIBUS性能EMERSON 公司产品情况产品系列TD

31、900少多低高调速、通讯操作简便宽电压范围元件化设计功能丰富高稳态性能适用面广行业专用动态性能好总线设计精确控制网络化应用高动态性能行业专用EV1000EV2000TD3000TD3100TD3300成本功能完整的功率段TD2100供水专用供水专用TD32000.4-315KW0.4-5.5KW2.2-75KW门机门机EMERSON 公司产品情况系列命名规则E EV V 2 20 00 00 0 - - 4 4 T T 0 00 07 75 5 G G输入电压三相单相代号T TS S代号P PG GS SD DJ JE E变频器类型风机水泵类恒转矩类供水门机注塑机电梯代号适配电机功率(KW)0

32、0550075011028005. 57. 511280代号电压等级220V380V24变频器系列TD900EV1000EV2000TD3000TD3100TD3200TD3300TD3400EV3100EMERSON 公司产品情况主回路关键器件IGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护 IPM （智能功率模块）PIM（功率集成模块） 目前以IGBT 和PIM使用较多EMERSON 公司产品情况控制回路关键器件 DSP 电机控制专用CPU TI公司产品 实时控制，快速处理数据 同一机器周期同时处理多条指令 CPLD 大规模可编程逻辑振列， XILINX产品 系统逻辑构成和保护电路 简化数字逻辑 MCU 单片机 ATMEL公司产品 显示与键盘 机器时钟MCUDSP指令1指令2指令3指令4指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8变频器选型选型原则考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型，必须要把握以下几个原则：l充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要 求较高的场合则需考虑选用