三相異步電機的調(diào)速控制

1、三相異步電機的變頻調(diào)速控制1 .摘要 32 .前言 33 .三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)學(xué)模型 3.3.1 基本結(jié)構(gòu)3.3.2 工作原理5.3.3 異步電動機的等效數(shù)學(xué)模型 6.4 .三相異步電動機的調(diào)速方法與特性 7.4.1 調(diào)速方法分類7.4.2 變頻調(diào)速原理和機械特性 8.4.3 原理框圖1.1.4.4 變頻調(diào)速的基本控制方式1.14.5 PLC+變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速 115結(jié)束語 1.2.6.參考文獻1.3.131 .摘要介紹了三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)學(xué)模型，隨后講述了其多種調(diào)速方法，并重點變頻調(diào)速的原理、機械特性，最后粗略介紹了下基于PLC的電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。2

2、 .前言直流電動機可方便地進行調(diào)速，但直流電動機體積大、造價高，并且無節(jié)能效果。而交流體積小、價格低廉、運行性能優(yōu)良、重量輕，因此對交流電動機的謝速具有重大的實用性。使用調(diào)速技術(shù)后，生產(chǎn)機械的控制精度可大為提高，并能夠較大幅度地提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量而且可對諸多生產(chǎn)過程實施自動控制。 通過大量的理論研究和實驗，人們逐漸認(rèn)識到：對交流電動機進行調(diào)速控制，不僅能使電力拖動系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能，而且在許多場合中，還具有非常顯著的節(jié)能效果。鑒于多種調(diào)速方式中，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、重量輕、控制精度高、保護功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單、通用性強的特點，使傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，

3、同時節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著。尤其當(dāng)與計算機通信相配合時，使得變頻控制更加安全可靠，易于操作（由于計算機控制程序具有良好的人機交互功能），變頻技術(shù)必將在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用，讓工業(yè)自動化程度得到更大的提高。3 .三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)學(xué)模型3.1 基本結(jié)構(gòu)三相異步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是靜止不動的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的部分，在定子與轉(zhuǎn)子間有一定的氣隙，圖1 為其結(jié)構(gòu)圖。定帙芯圖1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)a.定子定子由鐵芯、繞組與機座三部分組成。定子鐵芯是電動機磁路的一部分，它 由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，片與片之間絕緣，以減少渦流損耗，定子鐵芯 硅鋼片的內(nèi)圓沖有定

4、子槽，如圖2所示，槽中安放繞組，硅鋼片鐵芯在疊壓后成 為一個整體，固定于基座上。定子繞組是電動機的電路部分，由許多線圈連接而 成，每個線圈的兩個有效邊分別放在兩個槽里。機座主要用于固定與支撐定子鐵 芯。根據(jù)不同冷卻方式采用不同機座形式。圖2定子和轉(zhuǎn)子鐵芯1-定子鐵芯硅鋼片；2轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片3-定子繞組；4一轉(zhuǎn)子繞組b.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由鐵芯與繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵芯壓裝在轉(zhuǎn)軸上，由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子硅鋼片沖片如圖2所示，轉(zhuǎn)子鐵芯也是電動機磁路的一部分， 轉(zhuǎn)子鐵芯、氣隙與 定子鐵芯構(gòu)成電動機的完整磁路。 異步電動機轉(zhuǎn)子繞組多采用鼠籠式，它是在轉(zhuǎn) 子鐵芯槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成，如

5、圖 3 (a)所示。圖3鼠籠式轉(zhuǎn)子（a）鼠籠式繞組（b）轉(zhuǎn)子外形異步電動機的轉(zhuǎn)子除了鼠籠式外還有繞線式的。繞線式轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組 一樣，由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵芯槽里，轉(zhuǎn)子繞組一般是連成星形的三相繞組, 轉(zhuǎn)子繞組組成的磁極數(shù)與定子相同，繞線式轉(zhuǎn)子通過軸上的滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回 路中接入外加電阻，用于改善啟動性能與調(diào)節(jié)速度，如圖 4所示。囹4繞線式轉(zhuǎn)子及其電路,（。轅威式精于；八樣子電踣.滑環(huán): 2特子曼朝；4血5一蘭相對變電型#繞線式和鼠籠式兩種電動機的轉(zhuǎn)子構(gòu)造雖然不同，但工作原理一致3.2 工作原理三相異步電動機的工作原理，是基于電磁感應(yīng)原理-定子磁場（定子繞組內(nèi)三 相電流所產(chǎn)生的合成磁場）

6、和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流）的相互作用。從物理本質(zhì)上說，異步電動機的運行和變壓器相似，即電能從電源輸入定子繞組（原繞組），通過電磁感應(yīng)的形式，以旋轉(zhuǎn)磁場作媒介，傳送到轉(zhuǎn)子繞組（副 繞組），而轉(zhuǎn)子中的電能通過電磁力的作用變換成機械能輸出。由于在這種電動 機中，轉(zhuǎn)子電流的產(chǎn)生和電能的傳送是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的，所以異步電動機又稱為感應(yīng)電動機。3.3異步電動機的等效數(shù)學(xué)模型異步電動機是一個高階的、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。實際研究異步電動 機數(shù)學(xué)模型一般常作如下假設(shè)：1 .電動機磁路是線性的，即繞組的自感和互感都是線性的：2 .三相繞組在結(jié)構(gòu)上完全相同，在空間上互差 120。(電角度)，忽略齒槽影

7、響, 每相繞組所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；3 .不考慮溫度和頻率變化對電動機參數(shù)的影響，忽略鐵耗的影響。異步電動機的數(shù)學(xué)模型可由以下四組微分方程來描述：(1)電壓方程式三相定子繞組電壓方程式為：Ua =IaR d-A出dpBUb #bRidtd'"、UC =iCR Cdt三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程式為：d'PaUa =iaR2U b - ib R2出d'PbdtdT'c cdt(2)磁鏈方程式每個繞組的磁鏈?zhǔn)瞧浔旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，可描述為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 -定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值iA,iB,iC,ia,ib,ic -定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值R,R2 定子和轉(zhuǎn)子電阻且有自感:式中互感:Lm = Lmi2 - Ab子和轉(zhuǎn)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)轉(zhuǎn)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)運動方程式2.Te =375 dt式中，Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，GD2為電動機和負(fù)載的飛輪轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，其中GD2 =4GJ由以上方程式可知，異步電動機的強耦合性主要表現(xiàn)為磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程式 中，既有三相繞組之間的耦合，又有定、轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合，還存在轉(zhuǎn)矩方 程式中磁場與定、轉(zhuǎn)子之間的相互影響。4

10、 .三相異步電動機的調(diào)速方法與特性4.1 調(diào)速方法分類由公式4樹=60。L/P (1)和S=nn （2）n0可以得到，not/minJnot/mMl-Sk60。） （3）P由式（3）可知，異步電動機在一定負(fù)載穩(wěn)定運行的條件下（T=T_）下，欲得到 不同的轉(zhuǎn)速n,其調(diào)速方法有：改變極對數(shù) p、改變轉(zhuǎn)差率S （即改變電動機機 械特性的硬度）和改變電源頻率 f等。交流調(diào)速的分類如下：（變極調(diào)速鼠籠電機調(diào)壓調(diào)速交流調(diào)速三營差率5滑差電機調(diào)速（電磁離合器調(diào)速）調(diào)速 j轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速【轉(zhuǎn)子串電抗調(diào)速,r變頻機組變頻調(diào)速，交一直一交變頻、交一支變頻在以上三種調(diào)速方法中，變極對數(shù)調(diào)速是有級的。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速不用

11、調(diào)節(jié)同 步轉(zhuǎn)速，低速時電阻能耗大，效率較低；只有審級調(diào)速情況下，轉(zhuǎn)差功率才得以 利用，效率較高。變頻調(diào)速要調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，可以從低速到高速都保持很好的轉(zhuǎn) 差率，效率高，調(diào)節(jié)范圍大，精度高，是交流電動機一種比較理想的調(diào)速方法。下面將詳細(xì)介紹變頻調(diào)速的基本原理和特性。4.2 變頻調(diào)速原理和機械特性由式（1）及下圖5可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速n正比于定子電源的頻率fn若 連續(xù)地調(diào)節(jié)定子頻率fi,即可實現(xiàn)連續(xù)地改變電動機的轉(zhuǎn)速 n。變頻調(diào)速是目前交流電動機調(diào)速的一種主要方法，它在許多方面已取代了直 流調(diào)速系統(tǒng)，交流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前機電傳動控制系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之O圖5改變定子電源頻率時的人為機械特性在進

12、行異步電機調(diào)速時，希望保持電機中每極磁通量 6m為額定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果增大磁通，又會使鐵心 飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機。三相異步電機定子每相電動勢的有效值是Eg =4.44fNkNi m (4)式中，fi -定子頻率；N1-定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNi -基波繞組系數(shù)；m-每極氣隙磁通量。由式(4)可知，Gm、fi是常數(shù)，只要控制好Eg和fi,便可達到控制磁通Gm的 目的。對此，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。a.基頻以下調(diào)速由式(4)可知，要保持m不變，當(dāng)頻率fi從額定值fin向下調(diào)節(jié)時，必須同時降

13、低Eg,使Eg/fi=常值(5)即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式。 然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接 控制的，當(dāng)電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子 相電壓Ui % Eg ,則得(6)U1/ f1 =常值這是恒壓頻比的控制方式。低頻時， U口 Eg®較小，定子漏阻抗壓降所占的份 量就比較顯著，不能再忽略，這時，可以人為的把電壓 Uf臺高一些，以便近似的 補償定子漏阻抗壓降。其控制特性如圖6所示圖6恒壓頻比控制特性b.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從石。向上增高，但電壓U¥不能超過電機的額 定電壓Um,最多只能保持Ui=Um。由式(4)可知

14、，這將迫使磁通與頻率成反比 的降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上的情況結(jié)合起來可得圖所示的異步電動機變壓變頻調(diào) 速控制特性。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流， 即電機都能在溫升允許情況下 長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動原理，在基頻以下，磁通包 定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降 低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。異步電機的變壓變頻調(diào)速是進行分段控制的：基頻以下，采取恒磁包壓頻 比控制方式；基頻以上，采取恒壓弱磁升速控制方式變頻調(diào)速時的機械特性n = f 1),如圖8所示圖8變頻調(diào)速的機械特性4.3 原理框圖4.4 變頻

15、調(diào)速的基本控制方式4.5 V/F協(xié)調(diào)控制方式(2)電流限制控制方式(3)轉(zhuǎn)差率控制方式(4)矢量控制方式(5)直接轉(zhuǎn)矩控制方式4.6 PLC+變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速PLC(可編程邏輯控制器)技術(shù)、變頻(變頻器)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展極為迅速，已滲 透到各個領(lǐng)域。以它們?yōu)橹鲗?dǎo)的現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)正以史無前例的速度迅猛發(fā)展。采用松下FPE系列PLC和VF0系列變頻器實現(xiàn)對三相異步電動機電動機的 變頻調(diào)速控制。用八段速、無極調(diào)速及采用光電編碼器的閉環(huán)控制方法實現(xiàn)對電動機的控制。如圖9所示圖9電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)(1)八段速控制八段速控制就是在變頻器中設(shè)定八個頻率， 通過PLC的八個控制按鈕輸入分 別控制一種頻率的輸出，

16、即實現(xiàn)一個按鈕控制一種電動機的轉(zhuǎn)速。(2)無極調(diào)速控制控制方案采用PWM技術(shù)對電動機進行控制，PWM控制技術(shù)以其控制簡單， 靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點.由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一'o(3)采用光電編碼器的閉環(huán)控制本方案采用增甚式光電編碼器作為閉環(huán)控制的反饋輸入，具體實現(xiàn)過程：PLC控制電動機按一速度運轉(zhuǎn)，用光電編碼器檢測電動機當(dāng)前轉(zhuǎn)圈所產(chǎn)生的脈沖 數(shù)，將它傳回給PLC。用PLC編程將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成電動機的轉(zhuǎn)速，然后與電動 機的預(yù)設(shè)值進行比較，若有偏差則通過 PID算法將誤差消除，使電動機能按照 預(yù)定的轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn)。5 .結(jié)束語與普通異步電動機不同，變頻調(diào)速異步電動機采用變頻器供電，其運行性能 與電機本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機的設(shè)計要同 時兼顧電機本體和調(diào)速系統(tǒng)；另一方面也使得變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計變得靈活， 但同時也增加了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。只有結(jié)合變頻器和一定的控制策略，從整體上進行