【正文】 第六章異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)原理 了解三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 3 、 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 重點(diǎn)！ 一、三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 定子 氣隙 轉(zhuǎn)子 機(jī)座 端蓋 轉(zhuǎn)子鐵心 軸 轉(zhuǎn)子繞組 定子鐵心 定子繞組 鼠籠型 繞線型 掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)原理 機(jī)座 端蓋 風(fēng)扇 接線盒 定子繞組 鼠籠轉(zhuǎn)子 端環(huán) 散熱筋 軸 軸承 三相感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 三相感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 鼠籠型轉(zhuǎn)子 導(dǎo)體用銅條或鋁條，兩頭用端環(huán)聯(lián)接。結(jié)構(gòu)可靠簡(jiǎn)單，但是轉(zhuǎn)子電阻固定。 繞線式轉(zhuǎn)子 接成 Y型的三相繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷與外電路聯(lián)接，便于串入電阻改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。 A B C ~ C B A i t 1 A Z B X C Y N S 2 3 4 N S 5 6 N S N S N S e2, i2 f f T, n n1 三相感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)的工作模型 規(guī)定 電流從首端流入、末端流出時(shí)為正 。 當(dāng)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子接三相電源時(shí) ， 在氣隙中產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體 ， 在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 。 轉(zhuǎn)子繞組自行閉合 ， 轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電流 。 轉(zhuǎn)子繞組在磁場(chǎng)中受力 ， 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 ，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 在三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱的電流會(huì)在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步速） : 改變通入電流的相序（對(duì)調(diào)任意兩根電源線）就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 電網(wǎng)頻率 電機(jī)的極對(duì)數(shù) p fn 11 60?轉(zhuǎn)差率 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，即 n n1，故稱異步電機(jī)。 轉(zhuǎn)差 即轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì) 運(yùn)動(dòng)，是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。 轉(zhuǎn)差率定義為轉(zhuǎn)差與同步速之比 其大小反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即 01 ???? nnn? ? 11 / nnnS ??? ? 11 nSn ??機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式 ? ?239。12239。239。21 1 1 23/2ep U r sTrf r x xs??????? ? ?????????其中： p為電機(jī)極對(duì)數(shù)； U1為相電壓有效值 r1為定子每相繞組的內(nèi)阻 x1為每相漏阻抗 r2’為折算到定子側(cè)的每相電阻 x2’為折算到定子側(cè)的漏電阻 電機(jī)參數(shù)一定 ， 當(dāng) U1， f1不變時(shí) ， T僅與 S有關(guān) 。 機(jī)械特性曲線 )(nfT ?? ? 11 nSn ??)( SfT ?了解三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 D: 理想空載點(diǎn)（同步點(diǎn)） C: 額定運(yùn)行點(diǎn) B: 最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn) (拐點(diǎn)） A: 起動(dòng)點(diǎn) 感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性 mm TTSS ?? ,臨界轉(zhuǎn)差率 最大轉(zhuǎn)矩 QTTSn ??? ,1,0起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 理想空載點(diǎn) 額定運(yùn)行點(diǎn) 最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn) 起 動(dòng) 點(diǎn) 四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn) 0,0,1 ??? TSnnNNN TTSSnn ??? , 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 交流調(diào)速方式 異步電動(dòng)機(jī)： )1(60)1( 11 Sp fnSn ????變頻 (他控式、自控式） 變極 調(diào)壓 串電阻 串級(jí) 電磁轉(zhuǎn)差離合器 耗能型 有級(jí)調(diào)速 設(shè)備費(fèi)用高 3 、 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 ① 異步電動(dòng)機(jī)的 變極調(diào)速 2p = 4 A1 X1 X2 A2 A X N S N S A1 A2 X1 X2 A X A1 A2 X1 X2 A X A1 A2 X1 X2 A X A1 X1 X2 A2 A X N S 2p = 2 ② 異步電動(dòng)機(jī)的 變頻調(diào)速 調(diào)速原理 fpfn 601 ?連續(xù)可調(diào) 1n、 連續(xù)可調(diào) n主要設(shè)備 —變頻器 V1 V3 V5 V4 V6 V2 ~ 2dcU2dcUM 逆變 可調(diào) fUabc,整流 dcU 變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 ),(11 c o n s tfUff N ??同步點(diǎn) ： 最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn) ： 起動(dòng)點(diǎn) ： 11 fn ?2111)(,1 fUTfS mm ?? 不變 112113121 11)(fffUfUTQ ???最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降： ppffnSn mm1601 111 ??????mn? 不變 Nff ?1U保持 不變 m?弱磁調(diào)速 QmTTSNfmn?39。mn?39。1n 39。1f39。39。1n 39。39。1fNff ?39。39。39。139。39。39。mn?ZT1 2 ③ 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 nTmTmS39。1U39。39。1UNUUU ?? 39。139。39。1ZT1 2 3 c b a 2knTZ ?1n1U21UTm ?mS 不變 21UTQ ?不變 n③ 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 ?RmTmS不變 QT1n 不變 nnT0 mTmS1nQT39。2r39。39。2 ?? Rr39。QT39。mS1 ZT2 39。ZT輕載調(diào)速范圍不大 調(diào)速前： 1， S1 調(diào)速后： 2， S2 三相異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 －－按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向 主要內(nèi)容 ? PWM控制技術(shù) ? 異步電機(jī)坐標(biāo)變換 ? 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng) ? 三相異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制實(shí)戰(zhàn) PWM控制技術(shù) 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。采用的控制技術(shù)有： ① 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) ② 電流跟蹤 PWM控制技術(shù) ③ 電壓空間矢量 PWM控制技術(shù) ① 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) 以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波 ， 當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí) ， 由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻 ，從而獲得高度相等 、 寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列 ， 這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制 （ SPWM） 三相 PWM逆變器雙極性SPWM波形 t1?t1?t1?t1?t1?t1?tu rau rcurbuABuAuBuCuAOu2dU?2dU?2dU?2dU?2dU?2dU?dU?dUOOOOOO)( f)(e)( d)(c)(b)( a② 電流跟蹤 PWM控制技術(shù) ? 電流跟蹤 PWM （ CFPWM ， Current Follow PWM） 的控制方法是：在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上 ， 采用電流閉環(huán)控制 ，使實(shí)際電流快速跟隨給定值 ， 在穩(wěn)態(tài)時(shí) ，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形 ， 這就能比電壓控制的 SPWM獲得更好的性能 。 電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖 圖 413 電流滯環(huán)跟蹤控制的 A相原理圖 12dU?2dU??*Ai Ai h2 A1VD 4VD1VT 4VTH B C? 如圖，電流滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的三相電流波形與相電壓 PWM波形 電流滯環(huán)跟蹤控制 ? 電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開(kāi)關(guān)頻率卻增大了。實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。 ③ 電壓空間矢量 PWM控制技術(shù) ? 把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（ SVPWM， Space Vector PWM）控制”。 交 直 交 PWM變頻器主回路 交 直 交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖 ~2dU2dU A CB39。O OM~++空間矢量的定義 ? 電壓空間矢量的定義 ??2jCOjBOAOeueuu???COBOAOuuu32?? ?三相合成矢量 圖 電壓空間矢量 ?? 2jCOjBOAO eueuu ?????? COBOAOs uuuu0?AOu0?BOu0?COu)( 0jeA)( ?jeB)( 2 ?jeCAOu BOu COusuBOu COuO三相平衡正弦電壓合成矢量 ? 是一個(gè)以電源角頻率 為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量 ， 它的幅值不變 ， 是相電壓幅值的 3/2倍 ， 當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí) ， 合成電壓矢量就落在該相的軸線上 。 tjstjmjmjmmeueUetUetUtU1123)34co s ()32co s ()co s (2111???? ???????????????COBOAOsuuuusu 1ω同理，定子電流和磁鏈的空間矢量 ?? 2jCOjBOAO eieii ?????? COBOAOs iiii?? ??? 2jCOjBOAO ee ?????? COBOAOs ψψψψ電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 ? 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相對(duì)稱定子繞組由三相電壓供電時(shí)，對(duì)每一相都可寫出一個(gè)電壓平衡方程式，求三相電壓平衡方程式的矢量和，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式 dtdR ssssψiu ??電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 ? 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)， 定子電阻壓降所占的成分很小，可忽略不計(jì)， 則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為 dtd ssψu(yù) ??? dtss uψ或 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 ? 當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形 （簡(jiǎn)稱為磁鏈圓，電機(jī)學(xué)里已指出） 。定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量 )( 1 ??? ?? tjs esψ電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 ? 上式對(duì) t求導(dǎo)得 )2(1)(1)(111 )(???????????????????tjstjstjseejedtdsu? 磁鏈幅值等于電壓與頻率之比，方向與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，如圖所示。 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡 圖 電壓矢量圓軌跡 1sψ2sψ3sψ1su2su3su1?4sψ 4suO 1su2su 3s1? 4suOPWM逆變器基本輸出電壓矢量 ? 直流電源中點(diǎn) O和交流電動(dòng)機(jī)中點(diǎn) O‘的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)。 ??????????2239。2239。39。39。2)1()()()(jCjBAjjOOjCjBAjOOCjOOBOOAjCOjBOAOeueuueeueueuueuueuuuueueuu????????????????????? COBOAOs uuuu為 0 PWM逆變器基本輸出電壓矢量 ? PWM逆變器共有 8種工作狀態(tài)，當(dāng)（ ， ， ） =（ 1， 0， 0）時(shí)，（ ， ， ） =（ ， ， ），代入式得