異步電機(jī)主要用途和特點(diǎn).docx

異步電機(jī)主要用途和特點(diǎn) 異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)各類生產(chǎn)機(jī)械。例如：在工業(yè)方面，用于拖動(dòng)中小型軋鋼設(shè)備、各種金屬切削機(jī)床、輕工機(jī)械、礦山機(jī)械等；在農(nóng)業(yè)方面，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、脫粒機(jī)、粉碎機(jī)以及其他農(nóng)副產(chǎn)品的加工機(jī)械等；在農(nóng)用電器方面的電扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)等也都是用異步電機(jī)拖地的。異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行效率較高且實(shí)用性強(qiáng)，缺點(diǎn)是功率因數(shù)較差。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)里吸收滯后性的無(wú)功功率，它的功率因數(shù)總是小于1。三相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 三相交流異步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成的，定、轉(zhuǎn)子中間是空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座、風(fēng)扇等部件。具體簡(jiǎn)述如下。1、 異步電動(dòng)機(jī)的定子異步電動(dòng)機(jī)的定子由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組三個(gè)部分組成。定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，裝在機(jī)座里。為了降低定子鐵心里的鐵心損壞，定子鐵心用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，在硅鋼片的兩面還應(yīng)涂上絕緣漆。在定子鐵心內(nèi)圓上開有槽，槽內(nèi)放置定子繞組。高壓大、中型容量異步電動(dòng)機(jī)定子繞組常采用Y接，只有三根引出線。對(duì)中、小容量低壓異步電動(dòng)機(jī)，通常把定子三相繞組的六根出線頭都引出來(lái)，根據(jù)需要可接成 形或Y形。機(jī)座的作用主要是固定與支撐定子鐵心。2、 氣隙異步電動(dòng)機(jī)的氣隙比同容量直流電動(dòng)機(jī)的氣隙小得多，在中、小型異步電動(dòng)機(jī)中，氣隙一般為0.21.5mm。異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流是由定子電源供給的。氣隙大時(shí)，要求的勵(lì)磁電流也大，從而影響電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。為了提高功率因數(shù)，因盡量讓氣隙小些，但也不能太小，否則定子和轉(zhuǎn)子有可能發(fā)生摩擦或碰撞。3、 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組三個(gè)部分組成。定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。整個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸上，或固定在轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子支架再套在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。4、 其他部件端蓋起支撐作用，軸承起連接轉(zhuǎn)動(dòng)部分與不動(dòng)部分，風(fēng)扇起冷凍電動(dòng)機(jī)的作用。異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 在交流電動(dòng)機(jī)的定子鐵心中，沿空間分布均勻分布三個(gè)繞組，每個(gè)繞組軸相互錯(cuò)開120度。交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式即繞線轉(zhuǎn)子和籠型轉(zhuǎn)子。繞線轉(zhuǎn)子中的三相繞組如同定子一樣， 布置在轉(zhuǎn)子鐵心上，并與外部相聯(lián)接，籠型轉(zhuǎn)子不與電源聯(lián)接，轉(zhuǎn)子繞組自行閉合，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。當(dāng)三相異步電機(jī)定子接三相電源后，電機(jī)內(nèi)便形成圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，圓形旋轉(zhuǎn)磁密，設(shè)其方向?yàn)槟鏁r(shí)針轉(zhuǎn)，如圖所示。若轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁密有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)條中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，方向由右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條彼此在端部短路，于是導(dǎo)條中有電流i，不考慮電動(dòng)勢(shì)與電流的相位差時(shí)，電流方向同電動(dòng)勢(shì)方向。這樣，導(dǎo)條就在磁場(chǎng)中受力f，由左手定則確定受力方向，如圖中所示。轉(zhuǎn)子受力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T，便為電磁轉(zhuǎn)矩，方向與旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)同方向，轉(zhuǎn)子便在該方向上旋轉(zhuǎn)起來(lái)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)速為n，只要nn1（n1為旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)同步轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)相同方向的電動(dòng)勢(shì)、電流及受力，電磁轉(zhuǎn)矩T為逆時(shí)針方向，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行在T=TL情況下。nn1TfeiSNF圖1 異步電動(dòng)機(jī)工作原理異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1985年德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbrock首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，他發(fā)現(xiàn)直接去控制異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)定子磁鏈，而刪去電流閉環(huán)有更好的動(dòng)態(tài)性能。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制擯棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1） 直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等效、轉(zhuǎn)化；即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變化與計(jì)算。因而，它所需要的信號(hào)處理工作比較簡(jiǎn)單。2） 直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場(chǎng)定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)。而矢量控制的磁場(chǎng)定向所用的轉(zhuǎn)子磁鏈軸，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。3） 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡(jiǎn)單明了。與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是直接把轉(zhuǎn)矩作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。因此它并非極力獲得理想的正弦波形，也不追求磁鏈完全理想的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形軌跡。4） 直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)施直接控制。其控制方式是，通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制。因此，它的控制效果不取決于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況。綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，借助于Bang-Bang式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢量變換運(yùn)算與電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化處理過程，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制在一拍以內(nèi)，且無(wú)超調(diào)，是一種具有較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的交流調(diào)速技術(shù)。2.2異步電動(dòng)機(jī)直接控制原理 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)定子軸系的數(shù)學(xué)模型而建立起來(lái)的，因此掌握異步電動(dòng)機(jī)定子軸系的數(shù)學(xué)模型對(duì)分析和設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是非常必要的。2.2.1異步電動(dòng)機(jī)定子軸系的數(shù)學(xué)模型定子軸系的電壓矢量可表示為式中， 2.2.2 由定子軸系的數(shù)學(xué)模型分析直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想 由轉(zhuǎn)矩方程可得，若定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈為常數(shù)，則對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制作用就是明顯的。由于轉(zhuǎn)子磁鏈的變化總滯后于定子磁鏈，因此，在短暫的動(dòng)態(tài)過程中，就可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈不變，只要通過控制定子磁鏈的幅值不變。就通過調(diào)節(jié)來(lái)控制和改變電磁轉(zhuǎn)矩，這是直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)質(zhì)。2.2.3 異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制原理 1. 逆變器的開關(guān)狀態(tài)和逆變器輸出的電壓狀態(tài) 兩電平電壓型逆變器由3組、6個(gè)開關(guān)組成。由于 與 、 與 、 與 之間互為方向，即一個(gè)接通，另一個(gè)斷開，所以開關(guān)組合有八種可能，若規(guī)定A、B、C三相負(fù)載的某一相與正極接通時(shí)，該相的開關(guān)狀態(tài)為1；反之，負(fù)極接通時(shí)為0。8種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分為兩類：一類是6種所謂的工作狀態(tài)，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都接到相同的電位上去；另一種開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。無(wú)論三相負(fù)載與正極還是負(fù)極接通，負(fù)載電壓都為零。 對(duì)于逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)外部負(fù)載來(lái)說，逆變器輸出7種不同的電壓狀態(tài)。如果用符號(hào) （t）表示逆變器輸出電壓狀態(tài)的空間矢量關(guān)于逆變器的電壓狀態(tài)的表示與開關(guān)的對(duì)照表見下表。表中的SABC開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng) 、 和 的開關(guān)狀態(tài)。 表1 逆變器的電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)照關(guān)系 狀 態(tài) 工 作 狀 態(tài) 零 狀 態(tài) 1 2 3 4 5 6 7 8SABC開關(guān)狀態(tài)011 001 101 100 110 010 000111電壓狀態(tài)表示一 表示二 123 45 672. 電壓空間矢量在對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析和控制時(shí)，若引入Park矢量會(huì)帶來(lái)很多方便。Park矢量變換將三個(gè)標(biāo)量變換為一個(gè)矢量。如果三相異步電動(dòng)機(jī)中對(duì)稱的三相物理量如圖所示，選三相定子坐標(biāo)系的A軸與Park矢量復(fù)平面的實(shí)軸重合，則其三相物理量、的Park矢量為=式中，為復(fù)系數(shù)，成為旋轉(zhuǎn)因子，。CBA 旋轉(zhuǎn)空間矢量的某個(gè)時(shí)刻在某相軸線上的投影就是該時(shí)刻該相物理量的瞬時(shí)值。 空間矢量分量的定義ABC根據(jù)上述定義，可以描述電壓空間矢量在坐標(biāo)系的定子三相坐標(biāo)系上的相對(duì)位置。如下圖所示，三相坐標(biāo)系中的A軸與復(fù)平面正交的坐標(biāo)系的實(shí)軸軸重合。 電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置由此可得逆變器6個(gè)工作狀態(tài)給出了6個(gè)不同方向的電壓空間矢量，它們周期性的順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60度；電壓空間矢量的幅值不變，因此6個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)；六個(gè)電壓空間矢量是順序是出現(xiàn)，它們依次沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；零電壓狀態(tài)位于六邊形的中心。3. DTC磁鏈控制 由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈大小有關(guān)，為了精確控制轉(zhuǎn)矩，必須同時(shí)控制磁鏈，使其在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)期間幅值不變或變化不大。 DTC的磁鏈控制通過磁鏈滯環(huán)Bang-Bang控制器實(shí)現(xiàn)，它的輸入是定子磁鏈幅值給定及來(lái)自電動(dòng)機(jī)模型的定子磁鏈幅值實(shí)際值，滯環(huán)寬帶為。而DTC的定子磁鏈為圓形，并且將其分為六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)中有一個(gè)有效基本電壓矢量。在忽略定子電阻電壓降后，定子磁鏈?zhǔn)噶恐慌c電壓空間矢量有關(guān)，即施加一個(gè)電壓空間矢量，定子磁鏈?zhǔn)噶繉钠鹗键c(diǎn)沿著該電壓矢量方向運(yùn)動(dòng)，該用另一個(gè)電壓矢量后，其將從改變時(shí)刻的位置沿著新的方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。 假設(shè)某一時(shí)刻來(lái)自于電動(dòng)機(jī)模型的定子磁鏈?zhǔn)噶课挥谏葏^(qū)1時(shí)，選取該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量，并沿著該方向運(yùn)動(dòng)，幅值增大，當(dāng)其增大到一定范圍內(nèi)后，磁鏈調(diào)節(jié)器運(yùn)作，該變電壓空間矢量，隨后磁鏈?zhǔn)噶扛淖兎较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)，幅值減小，當(dāng)減小到一定值時(shí)，變回原有的電壓空間矢量值，幅值有增大，如此更替變換，使磁鏈?zhǔn)噶垦刂茍A弧軌跡運(yùn)動(dòng)，且幅值保持基本不變。4. DTC轉(zhuǎn)矩控制 DTC的轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)Bang-Bang控制器實(shí)現(xiàn)，它的輸入是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩給定及來(lái)自轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的轉(zhuǎn)矩實(shí)