三相電動機調速與制動問題的研究“免費論文}

關于三相電動機調速與制動問題的研究“免費論文}

三相電動機調速與制動問題的研究  

 

 

 

摘要:三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產機械。三相異步電動機的調速方法有變極調速、變頻調速和變轉差率調速。其中變轉差串調速包括繞線轉子異步電動機的轉子串接電阻調速、串級調速和降壓調速。三相異步電動機有三種制動狀態：能耗制動、反接制動(電源兩相反接和倒拉反轉)和回饋這三種制動狀態的機械特性曲線、能量轉換關系及用途、特點等均與直流電動機制動狀態。本文主要針對變頻調速及能耗制動作出了詳細研究.

 

 

 

 

 

 

1.電動機調速

 

 

 

在電力拖動調速系統中，特別是在寬調速和快速可逆拖動系統中，多采用直流電動機拖動，其原因是直流電動機具有良好的調速性能。但是，直流電動機存在價格高、維護困難、需要專門的直流電源等一系列缺點。相比之下，交流電動機具有價格低、遠行可靠、維護方便等一系列優點，因此在各個應用領域都希望盡可能采用交流電動機拖動。近年來，由于電力電子技術和計算機技術的發展，使得+交流調速技術日益成熟，交流調運裝置的容量不斷擴大，性能不斷提高，使得交流調速已顯示出逐步取代直流調速的趨勢。

 

 

 

根據異步電動機的轉速公式

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-5626.png" width="235" height="42" />

 

 

 

可知，異步電動機有下列三種基本調速方法

 

 

 

(1 )改變定子極對數多調速；

 

 

 

(2) 改變電源頻率／I調速；

 

 

 

(3) 改變轉差率s調速。

 

 

 

其中改變轉差率s調速，包括繞線轉子電動機的轉子申接電阻調速、變級調速及定子調壓調速。

 

 

 

 

 

 

1.1 變頻調速

 

 

 

改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8802.png" width="18" height="24" />，可以改變同步轉速 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3699.png" width="13" height="16" />，從而改變轉速。如果頻率 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29333.png" width="18" height="24" />連續可調，則可平滑的調節轉速，此為變頻調速原理。

 

 

 

三相異步電動機運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30881.png" width="174" height="24" />

 

 

 

式中 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3284.png" width="20" height="24" />為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢； 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-25643.png" width="18" height="24" />為定子電源頻率； 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19843.png" width="22" height="24" />為定子每相繞組匝數； 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-469.png" width="26" height="24" />為基波繞組系數， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6273.png" width="26" height="24" />為每極氣隙磁通量。

 

 

 

如果改變頻率 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-27523.png" width="18" height="24" />，且保持定子電源電壓 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22430.png" width="20" height="24" />不變，則氣隙每極磁通 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9561.png" width="26" height="24" />將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-439.png" width="18" height="24" />時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26849.png" width="26" height="24" />的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調速和基頻以上調速兩種情況。

 

 

 

（1）基頻以下變頻調速

 

 

 

為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6086.png" width="18" height="24" />時，保持 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4702.png" width="45" height="24" />為常數，使氣隙每極磁通 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-5629.png" width="26" height="24" />為常數，應使電壓和頻率按比例的配合調節。這時，電動機的電磁轉矩為

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19550.png" width="240" height="189" />

 

 

 

上式對s求導，即 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21563.png" width="52" height="41" />，有最大轉矩和臨界轉差率為

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20629.png" width="255" height="124" />

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8427.png" width="147" height="53" />

 

 

 

由上式可知：當 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7211.png" width="60" height="24" />常數時，在 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28755.png" width="18" height="24" />較高時，即接近額定頻率時， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16915.png" width="96" height="24" />，隨著 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16981.png" width="18" height="24" />的降低， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-125.png" width="20" height="24" />減少的不多；當 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-27375.png" width="18" height="24" />較低時， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22474.png" width="60" height="24" />較��； 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31699.png" width="13" height="24" />相對變大，則隨著 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16985.png" width="18" height="24" />的降低， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16273.png" width="20" height="24" />就減小了。顯然，當 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23424.png" width="18" height="24" />降低時，最大轉矩 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31520.png" width="20" height="24" />不等于常數。保持 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30564.png" width="60" height="24" />常數，降低頻率調速時的機械特征如圖1-1所示。這相當于他勵直流電機的降壓調速。

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4317.png" width="494" height="196" />

 

 

 

        （a） 基頻以下調速（ 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31383.png" width="60" height="24" />常數）           （b）基頻以上調速（ 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-14377.png" width="20" height="24" />=常數）

 

 

 

圖1-1 變頻調速的機械特性

 

 

 

（2）基頻以上變頻調速

 

 

 

在基頻以上變頻調速時，也按比例身高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30627.png" width="26" height="24" />不變，頻率 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22352.png" width="18" height="24" />越高，磁通 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2540.png" width="26" height="24" />越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當于它勵電動機弱磁調速。

 

 

 

保持 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-14692.png" width="26" height="24" />=常數,升高頻率時，電動機的電磁轉矩為

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24710.png" width="221" height="96" />

 

 

 

上式求 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16638.png" width="53" height="41" />，得最大轉矩和臨界轉差率為

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29283.png" width="242" height="64" />

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18725.png" width="147" height="53" />

 

 

 

由于 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26812.png" width="18" height="24" />較高， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-12371.png" width="17" height="24" />、 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28841.png" width="20" height="24" />和 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3017.png" width="34" height="24" />比 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-432.png" width="13" height="24" />大的多，則上式變為

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30487.png" width="181" height="49" />

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19132.png" width="225" height="47" />

 

 

 

因此，頻率越高時， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18606.png" width="20" height="24" />越小， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26342.png" width="20" height="24" />也越小。保持 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31751.png" width="26" height="24" />為常數，升高頻率調速時的機械特性如圖1-1(b)所示

 

 

 

 

 

 

1.2變頻調速的特點和性能

 

 

 

1.變頻調速設備（簡稱變頻器）結構復雜，價格昂貴，容量有限。但隨著電力電子技術的發展，變頻器向著簡單可靠、性能優異、價格便宜、操作方便等趨勢發展；

 

 

 

2.變頻器具有機械特性較硬，靜差率小，轉速穩定性好，調速范圍廣（可達10：1），平滑性高等特點；可實現無級調速；

 

 

 

3.變頻調速時，轉差率 較小，則轉差功率損耗較小，效率較高；

 

 

 

4.可以證明：變頻調速時，基頻下的調速為恒轉矩調速方式；基頻調速以上時，近似為恒功率調速方式；

 

 

 

5.變頻調速器已廣泛用于生產機械等很多領域內。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 電動機制動

 

 

 

三相異步電動機除了運行于電動狀態外，還時常運行于制動狀態。運行于電動狀態時，Tem與n同方向，Tem是驅動轉矩，電動機從電網吸收電能并轉換成機械能從軸上輸出，其機械特性位于第一或第＝象限。運行于制動狀態時，Tem與n反方向，Tem是制動轉矩，電動機從軸上吸收機械能并轉換成電能，該電能或消耗在電機內部，或反饋回電網，其機械特性位于異步電動機制動的目的是使電力拖動系統快速停車或者使拖動系統盡快減速，對于位能性負載，制動運行可獲得穩定的下降速度。

 

 

 

 

 

 

2.1 能耗制動

 

 

 

如果三相異步電動機定子繞組斷開三相電源后，則電機內無磁通勢。從而電磁轉矩 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1404.png" width="16" height="18" />＝0，電動機在負載轉矩作用下，自然停車，這是自然制動過程。

 

 

 

能耗制動的電路原理圖如圖2-1所示，三相異步電動機定子繞組切斷三相交流電源后（1K斷開），同時，在定子繞組任意兩相上接入直流電流 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1543.png" width="20" height="24" />( 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1876.png" width="20" height="24" />也稱直流勵磁電流)，即接通開關2K，從而在電機內形成一個不旋轉的空間位置固定的磁通勢600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11661.png" width="25" height="30" />，最大幅值為 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-25522.png" width="21" height="24" />。在三相交流電源切斷后的瞬間，電動機轉子由于機械慣性其轉速 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4419.png" width="14" height="16" />不能突變，而繼續維持原逆時針方向旋轉。此時，直流電流 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31040.png" width="14" height="18" />產生的空間固定不轉的磁通勢600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3372.png" width="25" height="30" />相對于旋轉的轉子是一個旋轉磁通勢；旋轉方向為順時針，轉速大小為 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21484.png" width="14" height="16" />。這種相對運動導致了轉子繞組有感應電動勢600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1423.png" width="23" height="33" />，并產生電流600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30384.png" width="21" height="33" />和電磁轉矩 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2591.png" width="16" height="18" />，根據左手定則可知， 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28809.png" width="16" height="18" />的方向與磁通勢600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7068.png" width="25" height="30" />相對于轉子的旋轉方向是一樣的，但與轉速 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32291.png" width="14" height="16" />的方向相反，電動機處于制動運行狀態，電機轉速迅速下降，直到轉速 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28477.png" width="38" height="20" />時，磁通勢600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-17936.png" width="25" height="30" />與轉子相對靜止，600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9890.png" width="23" height="33" />＝0, 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-27518.png" width="21" height="33" />＝0, 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26656.png" width="41" height="20" /> , 減速過程結束，電動機將停轉，實現了快速制動停車。如果負載是反抗性負載，則電機轉速 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21446.png" width="38" height="20" />將停車。如果負載是位能性負載，則電機轉速 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-25253.png" width="38" height="20" />時必須立即用機械抱閘，將電機軸剎住停車。

 

 

 

600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7497.png" width="289" height="283" />

 

 

 

圖2-1    能耗制動接線圖

 

 

 

由于制動過程，轉軸的機械能轉換成電能消耗在轉子回路的電阻上，因此，稱為能耗制動。

 

 

 

結論

 

 

 

 

 

 

本文主要研究了三相異步電動機變頻調速和能耗制動。變頻調速是現代交流調速技術的主要方向，它可實現無級調速，適用于恒轉矩和恒功率負載。能耗制動廣泛應用于要求平穩準確停車的場合，也可應用于起重機一類帶位能性負載的機械上，用來限制重物下降的速度，使重物保持勻速下降。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

參考文獻

 

 

 

[1] 曹承志．電機、拖動與控制．機械工業出版社．2004年1月．100-140頁．

 

 

 

[2] 紹群濤．電機及拖動基礎．機械工業出版社．2008年5月．196-209頁．

 

 

 

[3] 黃立培．變頻器應用技術及電動機調速．人民郵電出版社．1998年7月．49-54頁．

 

 

 

 

 

 

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