G120 變頻器技術(shù)及應(yīng)用 課件 1.1 交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速原理

1.1交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速原理講授內(nèi)容1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理1、電動(dòng)機(jī)的組成三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子是靜止不動(dòng)的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，在定子與轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖1-1三相籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理2、電動(dòng)機(jī)的銘牌（1）型號(hào)型號(hào)是選用產(chǎn)品名稱中最有代表意義的大寫拼音字母及阿拉伯?dāng)?shù)字表示的，如圖1-2所示，其中：Y表示異步電動(dòng)機(jī)，R代表繞線式，D表示多速等。圖1-2異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)含義1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理2、電動(dòng)機(jī)的銘牌（2）額定值額定功率PN——是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，軸上所輸出的機(jī)械功率，單位是W和kW。額定電壓UN——是指電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，定子繞組所加的線電壓，單位是V。額定電流IN——是指電動(dòng)機(jī)輸出功率時(shí)，定子繞組允許長期通過的線電流，單位是A。額定頻率fN——我國的電網(wǎng)頻率為50Hz。額定轉(zhuǎn)速nN——是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位是r/min。絕緣等級(jí)——是指電動(dòng)機(jī)所用絕緣材料的等級(jí)，它規(guī)定了電動(dòng)機(jī)長期使用時(shí)的極限溫度與溫升。溫升是絕緣材料允許的溫度減去環(huán)境溫度（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為40℃）和測溫時(shí)方法上的誤差值（一般為5℃）。工作方式電動(dòng)機(jī)的工作方式分為連續(xù)工作制、短時(shí)工作制與斷續(xù)周期工作制三類，選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，不同工作方式的負(fù)載應(yīng)選用對(duì)應(yīng)工作方式的電動(dòng)機(jī)。此外，銘牌上還標(biāo)明繞組的相數(shù)與接法（接成形或△形）等。對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子異電動(dòng)機(jī)，還應(yīng)標(biāo)明轉(zhuǎn)子的額定電勢及額定電流。1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理2、電動(dòng)機(jī)的銘牌（3）銘牌舉例Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌為例，如表1-1所示。三

相

異

步

電

動(dòng)

機(jī)型號(hào)Y90L-4電壓380V接法功率1.5kW電流3.7A工作方式連續(xù)轉(zhuǎn)速1400r/min功率因數(shù)0.79溫升75℃頻率50Hz絕緣等級(jí)B出廠年月×年×月×××電機(jī)廠

產(chǎn)品編號(hào)

重量

公斤表1-1

三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

旋轉(zhuǎn)磁場就是一種極性和大小不變，且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。當(dāng)對(duì)稱三相繞組中流過對(duì)稱三相交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)磁場。1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

①對(duì)稱三相繞組

所謂三相對(duì)稱繞組就是三個(gè)外形、尺寸、匝數(shù)都完全相同、首端彼此互隔120°、對(duì)稱地放置到定子槽內(nèi)的三個(gè)獨(dú)立的繞組。各相繞組的末端U2、V2、W2連接在一起，首端U1、V1、W1分別接到三相電源上，可以得到對(duì)稱三相繞組的形接法。1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

②三相對(duì)稱電流由電網(wǎng)提供的三相電壓是對(duì)稱三相電壓，由于對(duì)稱三相繞組組成的三相負(fù)載是對(duì)稱三相負(fù)載，每相負(fù)載的復(fù)阻抗都相等，所以，流過三相繞組的電流也必定是對(duì)稱三相電流。對(duì)稱三相電流的瞬時(shí)表達(dá)式表示為：對(duì)稱三相電流的波形1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

③旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

三相電流隨時(shí)間的變化是連續(xù)的，選定ωt=90°、ωt=180°、ωt=240°三個(gè)特定瞬間，考察它所產(chǎn)生的合成磁效應(yīng)，說明旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。

兩極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生a)ωt=90°b)ωt=180°c)ωt=240°1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生由上面的分析可得出如下的結(jié)論：

當(dāng)三相對(duì)稱電流通入三相對(duì)稱繞組，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小不變，且在空間以一定的轉(zhuǎn)速不斷旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是由通入三相繞組中的電流的相序決定的。當(dāng)通入三相對(duì)稱繞組的對(duì)稱三相電流的相序發(fā)生改變時(shí)，即將三相電源中的任意兩相繞組接線互換，旋轉(zhuǎn)磁場就會(huì)改變方向。旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速：n0表示旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)數(shù)，稱為同步轉(zhuǎn)速。1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（2）電動(dòng)機(jī)的工作原理定子上裝有對(duì)稱三相繞組，當(dāng)定子接通三相電源后，即在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了一同步轉(zhuǎn)速為n0的旋轉(zhuǎn)磁場。磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其方向可由右手定則確定。磁場逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)體相對(duì)磁極為順時(shí)針方向切割磁力線。轉(zhuǎn)子上半邊導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的方向?yàn)檫M(jìn)去的，用“×”表示；下半邊導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的方向?yàn)槌鰜淼?，用“·”表示。因轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，導(dǎo)體中有電流，電流方向與電勢相同。載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則確定。這樣，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上形成一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。綜上所述，三相異步電動(dòng)機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的必備條件是：一電動(dòng)機(jī)的定子必須產(chǎn)生一個(gè)在空間不斷旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場；二電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子必須是閉合導(dǎo)體。1.1.1交流電動(dòng)機(jī)的工作原理3、電動(dòng)機(jī)的工作原理（3）轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不能等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n0，否則磁場與轉(zhuǎn)子之間便無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子就不會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢、電流與電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子也就根本不可能轉(zhuǎn)動(dòng)了。因此，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n0，即與旋轉(zhuǎn)磁場“異步”地轉(zhuǎn)動(dòng)，所以稱這種電機(jī)為“異步”電動(dòng)機(jī)。若三相異步電動(dòng)機(jī)帶上機(jī)械負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，則電動(dòng)機(jī)的“異步”程度也越大。在分析中，用“轉(zhuǎn)差率”這個(gè)概念來反映“異步”的程度。n0與n之差稱為“轉(zhuǎn)差”。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比稱為“轉(zhuǎn)差率”，用s表示，即：

1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式為：可以看出，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速可分以下三大類：1）改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p——變極調(diào)速；2）改變供電電網(wǎng)的頻率f——變頻調(diào)速；3）改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s——變轉(zhuǎn)差調(diào)速。此方法又有改變電壓調(diào)速、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速三種。1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

1、變極調(diào)速

在電源頻率不變的條件下，改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0就會(huì)發(fā)生變化，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。若極對(duì)數(shù)減少一半，同步轉(zhuǎn)速就提高一倍，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也幾乎升高一倍。T68臥式鏜床主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法就是選用雙速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行的。

變極一般采用反向變極法，即通過改變定子繞組的接法，使其半相繞組中的電流反向流通，極數(shù)就可以改變。這種因極數(shù)改變而使其同步轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)變化的電動(dòng)機(jī)，稱為多速電動(dòng)機(jī)。1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

1、變極調(diào)速

下面以U相繞組為例來說明變極原理。先將其兩半相繞組1U1-1U2與2U1-2U2采用順向串聯(lián)，繞組中電流方向如圖1-9所示。顯然，此時(shí)產(chǎn)生的定子磁場是4極的。圖1-9三相四極電動(dòng)機(jī)定子U相繞組a)兩繞組順向串聯(lián)b)在繞組中產(chǎn)生的磁場1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

1、變極調(diào)速

若將U相繞組中的半相繞組1U1-1U2反向，再將兩繞組串聯(lián)，如圖1-10a所示；或?qū)衫@組并聯(lián)，如圖1-10b所示。改變接線方法后的電流方向如圖1-10c所示。顯然，此時(shí)產(chǎn)生的定子磁場是2極的。圖1-10三相二極電動(dòng)機(jī)定子U相繞組a)兩繞組反向串聯(lián)b)兩繞組反向并聯(lián)c)在繞組中產(chǎn)生的磁場1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

2、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（1）改變定子電壓調(diào)速

此法適用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于轉(zhuǎn)子電阻大、機(jī)械特性曲線較軟的籠型異步電動(dòng)機(jī)，如所加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于不同的電源電壓，可獲得不同的工作點(diǎn)，從而獲得不同的轉(zhuǎn)速。這種電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍很寬，缺點(diǎn)是低壓時(shí)機(jī)械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大，可采用帶速度負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)來解決該問題。

過去都采用定子繞組串電抗器來實(shí)現(xiàn)改變電源電壓調(diào)速，這種方法損耗較大，目前已廣泛采用晶閘管交流調(diào)壓線路來實(shí)現(xiàn)。1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

2、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（2）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

此法只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子所串電阻越大，運(yùn)行段機(jī)械特性的斜率越大，轉(zhuǎn)速下降越厲害。若轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率s越大，轉(zhuǎn)子損耗就越大?？梢姷退龠\(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)效率并不高。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，主要用于中、小容量的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，如橋式起重機(jī)等。1.1.2交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

2、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（3）串級(jí)調(diào)速

所謂串級(jí)調(diào)速，就是在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入一個(gè)三相對(duì)稱的附加電勢，其頻率與轉(zhuǎn)子電勢相同，改變附加電勢的大小和相位，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它也是只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。若附加電勢與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢相位相反，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩就減小，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，這就是低同步串級(jí)調(diào)速；若附加電勢與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢相位相同，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩就增大，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速