電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制本章主要內(nèi)容 3.1 旋轉(zhuǎn)電動機基本原理 3.2 直流步電動機原理與特性 3.3 直流電動機驅(qū)動電路 3.4 直流電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制 3.5 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 3.6 永磁同步電動機矢量控制 3.7 交流感應(yīng)電動機原理與特性 3.8 交流感應(yīng)電動機變頻調(diào)速 3.9 交流感應(yīng)電動機矢量調(diào)速第1頁/共79頁交流電動機電動機直流電動機鼠籠式繞線式異步電動機同步電動機他勵、異勵、串勵、復(fù)勵電動機的分類固定磁阻變磁阻開關(guān)磁阻電機 變磁阻步進電機 第2頁/共79頁本章重點討論內(nèi)容： 固定磁阻電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、 機械特性、數(shù)學(xué)模型以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制

2、問題。 第3頁/共79頁n1nei3.1 旋轉(zhuǎn)電動機基本原理NSf磁鐵閉合線圈e方向用右手定則確定 方向用左手定則確定磁場旋轉(zhuǎn)f第4頁/共79頁 在機械運動控制中，是電能經(jīng)過耦合磁場轉(zhuǎn)換為機械能的過程。 關(guān)鍵是耦合磁場及其對電系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的作用與反作用。第5頁/共79頁Tem作用于電磁回路的電磁轉(zhuǎn)矩表示與電磁回路交鏈的磁場磁鏈i表示流經(jīng)產(chǎn)生磁場的電磁回路的電流3.1.1 電磁轉(zhuǎn)矩與感應(yīng)電動勢耦合磁場具有電路和機械兩個獨立端點對。電路端點對具有一對獨立變量( ,)i。機械端點對的一對獨立變量, )emT（ 為電磁轉(zhuǎn)矩作用下的機械節(jié)點的角位移第6頁/共79頁若取 為獨立變量，則磁鏈可表示為設(shè)電動

3、機是由n個導(dǎo)體回路組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的磁場同等能量 可表示為( , )i, )i = （mW1101( , )( , ,0,0; )dknimkkkkWiiiii1101constant( , )( , ,0,0; )dknimemkkkkiWiTiiii1ddddnjjkjkkieitt第7頁/共79頁3.1.2 固定磁組電動機 轉(zhuǎn)子和定子的導(dǎo)磁率足夠高，使得在他們內(nèi)部的磁阻與氣隙磁阻相比小得可以忽略不計。 氣隙 g 和轉(zhuǎn)子半徑 R 與長度l 相比足夠小，使得端部的雜散磁場和氣隙磁場沿徑向的變化可以忽略不計； 嵌線槽的寬度和深度在圓周和徑向兩個方向?qū)Υ艌龅挠绊懚伎梢院雎圆挥嫛５?頁/共79頁

4、1 12 21 12 21 12 21 12 2,02,2,2,2rrrrN iN iHgN iN iHgN iN iHgN iN iHg 四個區(qū)域的磁場強度110022011 12212 2ddrrmmNH lRNH lRL iL iL iL i其 計 算 結(jié) 果 分 別 為第9頁/共79頁對于 的情況可以得到相同關(guān)系，只是互感改為 0122(1),mLL N N 第10頁/共79頁磁場同等能量12212221121112001 11112200221 111 22( ,0; )d( ,; )dd( ) d11( )22iimiiWi iii iiL i iLiL iiL iLi iL i電

5、磁轉(zhuǎn)矩012 1 2012 1 22,02,0mmL N N iiWTL N N ii第11頁/共79頁3.1.3 變磁組電動機第12頁/共79頁02cos2LLL02(cos2 )LiLLi0201d(cos 2)2imWLiiLLi22sin2memWTL i第13頁/共79頁3.1.4 能量轉(zhuǎn)換關(guān)系11Nmjje mjNmjje mjd Wi dTdd Wd iTd00dd0dd0Njje mjNjje mjiTiT蜒蜒機械能與電能的轉(zhuǎn)換關(guān)系：第14頁/共79頁02(sin2) cosiLLLt It22021(sin2)cos2mWLLt It2222cosemTL I constt2

6、0/4,02/4,212mmttWWL I 磁鏈磁場同等能量電磁轉(zhuǎn)矩第15頁/共79頁022320222d()(sin2cos2cossin2sin)d()(sin2cos4coscossin)d()tL ItL IttL ItttILtLtLtLttt 電路提供的能量為2222020042222222022222()d()(sincos2cos4cos2cossin)d()1sin(sin)2231(sin 2sin 4)2811(sin 4)4162ittILttLtLtLtttLItLttLtttLttL I 電的能量消耗第16頁/共79頁3.1.5 電動機的一般數(shù)學(xué)模型1( ,),1,

7、njjkjj jjkkdiur ijnidt 電壓平衡方程：任一回路的外加電壓等于回路電阻上的壓降與感應(yīng)電動勢之和。轉(zhuǎn)矩平衡方程：電磁轉(zhuǎn)矩減去負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩后的剩余轉(zhuǎn)矩用于加速電動機軸上的慣性負(fù)載。()( , , )( , , )emLdJTitTtdtddt 第17頁/共79頁磁極旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢vlBe導(dǎo)線長磁感應(yīng)強度切割速度（右手定則）閉合導(dǎo)線產(chǎn)生電流 i（左手定則）通電導(dǎo)線在磁場中受力ilBfn1neiNSf第18頁/共79頁1. 線圈跟著磁鐵轉(zhuǎn)兩者轉(zhuǎn)動方向一致 結(jié)論：2. 線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢1nnn1neiNSf異步第19頁/共79頁三相異步機的結(jié)構(gòu)YBZXAC轉(zhuǎn)子定子定子

8、繞組（三相）機 座轉(zhuǎn)子：在旋轉(zhuǎn)磁場作用下， 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或 電流。三相定子繞組：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場。線繞式鼠籠式鼠籠轉(zhuǎn)子 第20頁/共79頁旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生AYCBZ3.1.6三相異步電動機的工作原理AiBiCimIt1n()電流出()電流入X240sin120sinsintIitIitIimCmBmA第21頁/共79頁0tAXYCBZNSAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁場方向：向下第22頁/共79頁180tXBZ1nAYC 60tAXYCBZSN1n60A120tXYCBZ1n同理分析，可得其它電流角度下的磁場方向：AiBiCitmI第23頁/共79頁旋轉(zhuǎn)方向：取決于三相電流的相

9、序。1n1n改變電機的旋轉(zhuǎn)方向：換接其中兩相。AiBiCimItAiCiBimIt旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向第24頁/共79頁旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大小分）轉(zhuǎn) /( 601fn 一個電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360電流頻率為 f Hz，則磁場1/f秒旋轉(zhuǎn)1圈，每秒旋轉(zhuǎn)f圈。每分鐘旋轉(zhuǎn)：n1稱為同步轉(zhuǎn)速分轉(zhuǎn)/3000,501nHzf第25頁/共79頁極對數(shù)（P）的概念BiAXBYCZAiCi1p此種接法下，合成磁場只有一對磁極，則極對數(shù)為1。即：AXYCBZNS第26頁/共79頁極對數(shù)（P）的改變CYABCXYZAXBZAiBiCi 將每相繞組分成兩段，按右下圖放入定子槽內(nèi)。形成的磁場則是兩對磁極。X AAX

10、BYBYCZCZ第27頁/共79頁極對數(shù)2pAXX ANSSNZCZCBYBYCYABCXYZAXBZAiCiBiAiBiCimIt0t第28頁/共79頁XNSASNZBX AYCZBCY0t分）轉(zhuǎn)/( 601pfn 60t A0nAZXXCZCSNSN30極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系A(chǔ)iBiCimIt第29頁/共79頁三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速分）轉(zhuǎn)/( 601pfn 2p180分）轉(zhuǎn)/( 50011p360分）轉(zhuǎn)/( 0003極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速)50(Hzf 1n3p120分）轉(zhuǎn)/( 0001第30頁/共79頁電動機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動機轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）:n電機轉(zhuǎn)

11、子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致， 但 異步電動機1nn 無轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動無轉(zhuǎn)子電動勢（轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁力線）無轉(zhuǎn)子電流提示：如果1nn 第31頁/共79頁 轉(zhuǎn)差率 的概念：)(s%10011nnns異步電機運行中:%91s轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差。即：電動機起動瞬間:1 ,0sn（轉(zhuǎn)差率最大）轉(zhuǎn)差率最?。?，轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速(01snn10ss范圍：第32頁/共79頁分）轉(zhuǎn)/( 6011pfn %10011nnns轉(zhuǎn)子感生電流的頻率：pnnf6012111160sfpnnnnpnf6011第33頁/共79頁例1：三相異步電動機 p=3，電源f1=50Hz，電機額定

12、 轉(zhuǎn)速n=960r/min。求：轉(zhuǎn)差率s，轉(zhuǎn)子電動勢的頻率f2min/1000350606011rpfn同步轉(zhuǎn)速：04. 01000960100011nnns轉(zhuǎn)差率：Hzsff25004. 012第34頁/共79頁一、三相異步電動機的“電磁”關(guān)系 3.1.7 三相異步電動機的負(fù)載運行定子電路i2R1R2i1u1e1e2 ：主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。e1e2、轉(zhuǎn)子電路dtdNeeRiu111111設(shè)：tsin1m則：tNum1111cos定子邊：第35頁/共79頁mmmNffNNU111111144. 42/22/tNum1111cosmNfUE111144. 4i2R1R2i1u1e1e2111

13、44. 4NfUm第36頁/共79頁2f：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的頻率2N：轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)2f取決于轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度12sff mNfE22244. 4同理可得：mNfUE111144. 4i2R1R2i1u1e1e2第37頁/共79頁202122222sXLsfLfX的最大值）（時的22212020212221,44. 444. 444. 4EEsNfEsENsfNfEmmmi2R1R2i1u1e1e222022202)(sXRsEI222222XREI轉(zhuǎn)子電流第38頁/共79頁轉(zhuǎn)子功率因數(shù)220222222222)(cossXRRXRR第39頁/共79頁例2：三相異步電動機，p=2，n=14

14、40 r/min，轉(zhuǎn)子R2=0.02，X20=0.08 ， E20=20V， f1= 50Hz。啟動時I2（st）額定轉(zhuǎn)速下的I2（N）22022202)(sXRsEIs=1A242)08.0()02.0(20)(222202220XRE04. 0150014401500sA40)08.004.0()02.0(2004.0)(222202220sXRsE第40頁/共79頁電磁轉(zhuǎn)矩 T：轉(zhuǎn)子中各載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉(zhuǎn)距之總和。22cosIKTmT常數(shù)每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的2cos轉(zhuǎn)矩公式的推導(dǎo) （牛頓米）第41頁/共79頁22cosIKTmT21220222)(Us

15、XRsRKT得到轉(zhuǎn)矩公式22022202)(sXRsEI2202222)(cossXRR將其中參數(shù)代入：11144. 4NfUmmNfE212044. 4第42頁/共79頁二、 三相電動機的機械特性)(SfT 21220222)(UsXRsRKT根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式Ts10n1Tn得特性曲線：啟動時n=0最大轉(zhuǎn)速n=n1時11nnns)(Tfn 第43頁/共79頁三個重要轉(zhuǎn)矩n1TnNT額定轉(zhuǎn)矩 ：電機在額定電壓下，以額定轉(zhuǎn)速 運行，輸出額定功率 時，電機轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。NPNn( 1 )/()(9550602分轉(zhuǎn)千瓦NNNNNnPnPT（牛頓米）NTnN第44頁/共79頁 如果 電機將會因帶不動負(fù)

16、載而停轉(zhuǎn)。maxTTL最大轉(zhuǎn)矩 ：( 2 )maxT電機帶動最大負(fù)載的能力。求解0ST21220222)(UsXRsRKTTs10smTm202XRsm2021max21XKUT第45頁/共79頁過載系數(shù)：NTTmax三相異步機2 .28 .1 工作時，一定令負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，否則電機將停轉(zhuǎn)。致使注意： （1）三相異步機的 和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。maxTmaxTTL （2）電機嚴(yán)重過熱0n121)(s II2021max21XKUT第46頁/共79頁stT起動轉(zhuǎn)矩 ：( 3 )電機起動時的轉(zhuǎn)矩。n1TnstT21220222)(UsXRsRKT0n1)(

17、s 其中則21220222)(UXRRKTstLstTT stT體現(xiàn)了電動機帶載起動的能力。若 電機能起動，否則將起動不了。第47頁/共79頁n1TnTmTst)(Tfn 機械特性曲線TL啟動： TstTL (負(fù)載轉(zhuǎn)矩)，電機啟動轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)矩T cc點：轉(zhuǎn)矩達最大Tm ，轉(zhuǎn)速n繼續(xù)，T，沿cb走bb點：T=TL，轉(zhuǎn)速n不再上升，穩(wěn)定運行 若TL ，暫時T TL,n s I2 T n 電動機的自適應(yīng)負(fù)載能力 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負(fù)載的變化而自動調(diào)整，這種能力稱為自適應(yīng)負(fù)載能力。常用特性段s=0s=1第48頁/共79頁例3：三相異步電動機，額定功率PN=10kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1450r/min

18、，啟動能力Tst/TN=1.2，過載系數(shù)=1.8。)/()(9550分轉(zhuǎn)千瓦NNNnPT（牛頓米）（1）額定轉(zhuǎn)矩TN米牛頓9 .651450109550（2）啟動轉(zhuǎn)矩Tst792.1NstTT（3）最大轉(zhuǎn)矩Tm6 .1189 .658 . 1NmTT#（4）用Y 方法起動時的Tst3.263/793/)()(stYstTT第49頁/共79頁1U21220222)(UsXRsRKT 機械特性和電路參數(shù)的關(guān)系21 UT和電壓的關(guān)系0Tn0) 0(nnsSTTTUmax1結(jié)論：第50頁/共79頁和轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系22RR 2 RR2的 改變 ： 鼠籠式電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的金屬材料不同，線繞式電機外接電阻不同

19、。 2Rmsms0TnstTstT mmssststTT結(jié)論：第51頁/共79頁機械特性的軟硬 硬特性：負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速變化不大，運行特性好。軟特性：負(fù)載增加轉(zhuǎn)速下降較快，但起動轉(zhuǎn)矩大，起 動特性好。 硬特性 （R2小）軟特性（R2大）0Tn 不同場合應(yīng)選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電機。第52頁/共79頁1. 型號 Y 132M4 磁極數(shù)(極對數(shù) p=2)同步轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分分）轉(zhuǎn)/( 601pfn 轉(zhuǎn)差率0.04 150014401500s3.1.8 三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)和聯(lián)接方式2. 轉(zhuǎn)速: 電機軸上的轉(zhuǎn)速（n)。如： n =1440 轉(zhuǎn)/分第53頁/共

20、79頁3. 聯(lián)接方式 ： Y/ 接法 Y 接法： 接法：AB CZX YA B CZX YABCXYZAZBYXCABCXYZ接線盒：第54頁/共79頁4. 額定電壓：定子繞組在指定接法下應(yīng)加的線電壓. 說明：一般規(guī)定電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的 5 。線電壓AZBYXC線電壓ABCXYZ例：380/220 Y/是指：線電壓為380V時采用Y接法； 當(dāng)線電壓為220V時采用接法。第55頁/共79頁5. 額定電流：定子繞組在指定接法下的線電流。如：A48. 6/A2 .11/ 表示三角接法下，電機的線電流為11.2A，相電流為6.48A；星形接法時線、相電流均為6.48A。6. 額定功

21、率： 額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率（ ），不等于從電源吸收的功率（ ）。兩者的 關(guān)系為： 2P1P12PPCOSIUPNN31其中鼠籠電機=7293第56頁/共79頁 額定負(fù)載時一般為0.7 0.9 ， 空載時功率因數(shù)很低約為0.2 0.3。額定負(fù)載時，功率因數(shù)最大。注意：實用中應(yīng)選擇合適容量的電機，防止“大馬” 拉“小車”的現(xiàn)象。7. 功率因數(shù)(cos1)：P2PN此外還有絕緣等級等參數(shù)，不一 一介紹。cos1第57頁/共79頁stI起動電流 ：中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5 7 倍。0n定子電流 原因：起動時 ，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割磁力線速度很大。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子電流大電流使電

22、網(wǎng)電壓降低 影響其他負(fù)載工作頻繁起動時造成熱量積累 電機過熱影響：3.1.9 三相異步機的起動第58頁/共79頁三相異步機的起動方法：（1） 直接起動。二三十千瓦以下的異步電動機一般 采用直接起動。（2） 降壓起動。Y 起動自耦降壓起動（3）轉(zhuǎn)子串電阻起動。以下介紹Y 起動。第59頁/共79頁Y 起動： 正常運行l(wèi)UAZBYXClI 起動ABCXYZlUlYIZUIllY33ZUIll設(shè)：電機每相阻抗為z31llYII第60頁/共79頁AZBYXC正常運行UPABCXYZ起動UPStstYTT31PPUU31（2）Y 起動應(yīng)注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機。 所以降壓起動適

23、合于空載或輕載起動的場合)(2UTSTY 起動也時ststTI,。第61頁/共79頁例4:三相異步電動機，電源電壓 =380V，三相定子繞組接法運行，額定電流IN=20A，啟動電流Ist/IN=7，求： （1）接法時的啟動電流Ist （2）若啟動時改為Y接法，求 Ist Y（1）Ist =7 IN =720=140A解：（2）31llYIIIst Y = Ist /3=140/3=47A第62頁/共79頁方法：和電源相接的任意兩相互換，就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。 三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)A B CM3電 源ABCM3電 源第63頁/共79頁制動方法： 1. 抱閘：加機械抱閘3.1.10 三相異步電

24、動機的制動反接制動時，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速很大。為限制電流，在制動時要在定子或轉(zhuǎn)子中串電阻。即切割磁力線的速度很大，造成 ，引起 。2I1I注意：3. 能耗制動4.發(fā)電反饋制動2. 反接制動：停車時，將電動機接電源的意兩相反接， 使電動機由原來的旋轉(zhuǎn)方向反過來，以達 制動的目的； 第64頁/共79頁3.1.11 三相異步電動機的調(diào)速pfsnsn1160111. 改變極對數(shù) 有級調(diào)速。p2. 改變轉(zhuǎn)差率 s無級調(diào)速調(diào)速方法：11nnns第65頁/共79頁3. 改變電源頻率 (變頻調(diào)速) 無級調(diào)速1f變頻電源 可變Uf ,Hz50 此種調(diào)速方法發(fā)展很快，且調(diào)速性能較好。其主要環(huán)節(jié)是研制變頻

25、電源（常由整流器、逆變器等組成）。pfsnsn116011第66頁/共79頁 3.1.12 單相異步電動機一、 單相異步電動機的工作原理結(jié)構(gòu)：定子放單相繞組（其中通220V單相交流電） 轉(zhuǎn)子一般用鼠籠式。定子轉(zhuǎn)子定子繞組第67頁/共79頁1it220V1iNS 當(dāng)定子繞組產(chǎn)生的合成磁場增加時，根據(jù)右手螺旋定則和左手定則，可知轉(zhuǎn)子導(dǎo)條左、右受力大小相等方向相反，所以沒有起動轉(zhuǎn)矩。在電流正半周在電流負(fù)半周？第68頁/共79頁轉(zhuǎn)子借助其它力量轉(zhuǎn)動后，外力去除后仍按原方 向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。其原理分析如下： 定子繞組產(chǎn)生的脈動磁場（），可用正、反兩個旋轉(zhuǎn)磁場合成而等效。即：- + -tm= + -= m/2第69頁/共79頁脈動磁場的分解-