【文章內(nèi)容簡介】 異步電動機的轉矩 2ss1 r??安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 10 （ 1）電磁轉矩的表達式 n mm ?????? 9550 （ 22） 式中 m? 的單位為 KW； n 的單位是 minr ；Ｔ的單位是 mN? 。 （ 2）電磁轉矩的物理表達式 e? = 2,2 cos???MTC （ 23） 式中 TC —— 轉矩常數(shù)； m? — — 主磁通。 （ 3）電磁轉矩的參數(shù)表達式 e? = ])()[(22 22122211221 xxsrsrf rps U ????? ?? （ 24） 式中 p —— 磁極對數(shù)； 1U —— 電源的相電壓； 1f —— 電源頻率。 異步電動機的機械特性 機械特性是指電動機在運行時，其轉速與電磁轉矩之間的關系，即n = )(Tf ，它可由（ 23）所決定的 )(sfT? 曲線變換而來。異步電動機工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機本身固有的參數(shù)所決定的 )(Tfn? 曲線，叫做電動機的自然機械特性。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 異步電動機機械特性曲線 只要確定曲線上的幾個特殊點，就能 畫出電動機的機械特性。 圖 E點，在這點上，電動機以同步轉速 0n 運行（ s =0），其電磁轉矩T=0。 圖 S點，在起動點上，電動機已接通電源，但尚未起動。對應這一點的轉速 n ＝ 0（ｓ＝ 1），電磁轉矩稱起動轉矩 st? ，起動是帶負載的能力一般用起動倍數(shù)來表示，即Nstst TTK ? 。式中 , NT 為額定轉矩。 臨界點Ｋ是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點。電動機運行在Ｋ點時，電磁轉矩為臨界轉矩 KT ，它表示了電動機所有能產(chǎn)生的最大轉矩，此時的轉差率叫臨界轉差率，用 Ks 表示。 KT 、 Ks 根據(jù)式（ 2－ 3）用求極值的辦法求出，即：由 dsdT ＝ 0，可得： 212221212 )( xx rxxr rs K ??????? ?? （ 2－ 4） )(4 3])([4 3 21121221211121xxf pUxxrrf pUT K ???????? ?? （ 2－ 5） 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 12 電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用 m? 表示，即 m? ＝NKTT （ 2－ 6） 普通電動機的 m? ＝ ～ ，而對某些特殊用電動機，其過負載能力可以更高一些。 上述分析說明： K? 的大小影響著電動機的過載能力， K? 越小，為了保證過載能力不變，電動機所帶的負載就越小。由 )1(0 KK snn ?? 知： Ks 越小， Kn 越大，機械特性就越硬。因此在調(diào)速過程中， K? 、 Ks 的變化規(guī)律常常是關注的重點。特別是研究變頻后的電動機機械特性， K? 、 Ks 就顯得尤其重要。變頻后的機械特性將會在下一小節(jié)中介紹。 異步電機變頻調(diào)速原理 交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總容量的八成以上，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。 交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電 動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總容量的八成以上，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。 交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速，用 0n 表示： pfn 600? （ 27） 式中： f 為三相交流電源頻率，一般是 50Hz； p 為磁極對數(shù)。當 p =1是，0n =3000r／ min； p =2時， 0n =1500r／ min。 由上式可知磁極對數(shù) p 越多，轉速 0n 就越慢，轉子的實際轉速 n 比磁場的同步轉速 0n 要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率 s 表示： 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 13 %10000 ??? n nns （ 28） 在加上電源轉子尚未轉動瞬間， n =0，這時 s =1；啟動后的極端情況 n =0n ，則 s =0，即 s 在 0～ 1 之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 s =1%～ 6%。綜合（ 27）和（ 28）式可以得出： 0 6 0 (1 )(1 ) fsn n s p ?? ? ? （ 29） 由式（ 29）可以看出，對于成品電機，其極對數(shù) p 已經(jīng)確定，轉差率 s 的變化不大，則電機的轉速 n 與電源頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。 變頻調(diào)速的控制方式及選定 fV 比恒定控制 fV 比恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不下降。 fV 控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。 三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在 勵磁不足時電動機的輸出轉矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。 由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是： 1 1 1 NmE f N K?? 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 14 則 111 NKfENm ?? 即11m fE?? （ 210） 另外，電 機的電磁轉矩為 : 22mTe co s????? C （ 211） 其中 TC — 與電動機有關的常數(shù)； Cos 2? — 轉子每相電路功率因數(shù)； 2? — 轉子電壓與電流的相位差； e? — 電機的電磁轉矩。 由式 (210)推斷，若 1E 不變，當定子電源頻率 1f 增加，將引起氣隙磁通 m?減??；而由式 (211)可知， m? 減小又引起電動機電磁轉矩 e? 減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負載能力下降的情況。在 1E 不變時，而定子電源頻率 1f 減小，又將引起 m? 增加 , m? 增加將導致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導致電動機發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知 :變頻調(diào)速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。 由式 (210)可知，要保持 m? 不變，當頻率 1f 從額定值 Nf 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 1E ,使 11fE =常值 只要保持11fE 為常數(shù)，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉矩調(diào)速方式。 根據(jù)電機端電壓和感應電勢的關系式： 1 1 1 1 1()U E r jx I? ? ? (212) 式中 : 1U 定子 相電壓； 1r 定子電阻； 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 15 1x 定子阻抗； 1I 定子電流。 當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小， 1U 和 1E 可以看成近似相等，所以保持 fV =常數(shù)即可。 由 于 fV 比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當頻率較低時， 1U 與 1E 都變小，定子漏阻抗壓降 (主要是定子電阻壓降 )不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。 變頻后的機械特性如圖 。 圖 電動機低于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性 從圖 中可以看出，當電動機向低于額定轉速 0n 方向調(diào)速時 ,曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉矩卻隨著電動機轉速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。 臨界轉矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量 m? 保持恒定，調(diào)速時就要求感應電動勢 1E 與電源頻率 1f 的比值不變，為了使控制容易實現(xiàn)，采用電源電壓 U ≈ 1E 來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例大小決定了它的影響。當 1f 的數(shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例相對較小， U ≈ 1E 所產(chǎn)生的誤差較少；當 1f 的數(shù)值較低時，定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓 U 中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足 U ≈ 1E 。此時如果仍以 U 代替安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 16 1E ，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應電 動勢 1E 減小，11fE 的比值減小，造成磁通量 m? 減小，因而導致電動機的臨界轉矩的下降。 變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的 fV 轉矩補償法。 fV 轉矩補償法的原理是：針對頻率 f 降低時，電源電壓 U 成比例地降低引起的U 的下降過低，采用適當?shù)奶岣唠妷?U 的方法來保持磁通量 m? 恒定，使電動機轉矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉矩提升（ Torque Boost）。 帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖 中的 b 線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為 a線。 定子降壓補償只能補償于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉速方向調(diào)速時的機械特性 不能補償。 圖 壓頻比控制特性曲線 補償后的機械特性曲線如圖 。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 17 圖 補償后的機械特性曲線 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率 Nf 向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓 NU ，由式（ 210）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下，轉子升高時轉矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。 變頻后的機械特性如圖 。 圖 電動機高于額定轉速方向調(diào)速時的機械 特性 當電動機向高于額定轉速 0n 方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。 造成這種現(xiàn)象的原因是：當頻率 1f 升高時，電源電壓不可能相應升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 18 以，磁通量 m? 將隨著頻率 1f 的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉矩下降，造成電動機的機 械特性變軟。 以上調(diào)速方式相應的特性曲線如圖 所示。 恒轉矩調(diào)速 恒功率調(diào)速 圖 注：圖中曲線 1—— 在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線 2—— 在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 fV 比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按fV 比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。另 一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的導通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉矩脈動，在一定條件下這將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。 其它控制方式 轉差率控制方式是 fV 控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時轉差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉速與所需轉差頻率之和決定。它是解決 fV 控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉差角頻率，還要針對具體電機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而此方法的