三相異步電機(jī)的調(diào)速控制

1、三相異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制1 .摘要 32 .前言 33 .三相異步電機(jī)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(dòng)機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型 6.4 .三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法與特性 7.4.1 調(diào)速方法分類(lèi)7.4.2 變頻調(diào)速原理和機(jī)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(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速 115結(jié)束語(yǔ) 1.2.6.參考文獻(xiàn)1.3.131 .摘要介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)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(diǎn)變頻調(diào)速的原理、機(jī)械特性，最后粗略介紹了下基于PLC的電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。2

2、 .前言直流電動(dòng)機(jī)可方便地進(jìn)行調(diào)速，但直流電動(dòng)機(jī)體積大、造價(jià)高，并且無(wú)節(jié)能效果。而交流體積小、價(jià)格低廉、運(yùn)行性能優(yōu)良、重量輕，因此對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的謝速具有重大的實(shí)用性。使用調(diào)速技術(shù)后，生產(chǎn)機(jī)械的控制精度可大為提高，并能夠較大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量而且可對(duì)諸多生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施自動(dòng)控制。 通過(guò)大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到：對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，不僅能使電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能，而且在許多場(chǎng)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(hù)功能完善、工作安全可靠、操作過(guò)程簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，使傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，

3、同時(shí)節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。尤其當(dāng)與計(jì)算機(jī)通信相配合時(shí)，使得變頻控制更加安全可靠，易于操作（由于計(jì)算機(jī)控制程序具有良好的人機(jī)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(dòng)化程度得到更大的提高。3 .三相異步電機(jī)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(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子是靜止不動(dòng)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)a.定子定子由鐵芯、繞組與機(jī)座三部分組成。定子鐵芯是電動(dòng)機(jī)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(gè)整體，固定于基座上。定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分，由許多線圈連接而 成，每個(gè)線圈的兩個(gè)有效邊分別放在兩個(gè)槽里。機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)磁路的一部分， 轉(zhuǎn)子鐵芯、氣隙與 定子鐵芯構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的完整磁路。 異步電動(dòng)機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)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(duì)變電型#繞線式和鼠籠式兩種電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的工作原理，是基于電磁感應(yīng)原理-定子磁場(chǎng)（定子繞組內(nèi)三 相電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)）

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(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和變壓器相似，即電能從電源輸入定子繞組（原繞組），通過(guò)電磁感應(yīng)的形式，以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作媒介，傳送到轉(zhuǎn)子繞組（副 繞組），而轉(zhuǎn)子中的電能通過(guò)電磁力的作用變換成機(jī)械能輸出。由于在這種電動(dòng) 機(jī)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(dòng)機(jī)又稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。3.3異步電動(dòng)機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階的、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。實(shí)際研究異步電動(dòng) 機(jī)數(shù)學(xué)模型一般常作如下假設(shè)：1 .電動(dòng)機(jī)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(dòng)勢(shì)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(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響，忽略鐵耗的影響。異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可由以下四組微分方程來(lái)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(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)瞧浔旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)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(shí)值iA,iB,iC,ia,ib,ic -定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)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(yùn)動(dòng)方程式2.Te =375 dt式中，Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，GD2為電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的飛輪轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中GD2 =4GJ由以上方程式可知，異步電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)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(chǎng)與定、轉(zhuǎn)子之間的相互影響。4

10、 .三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法與特性4.1 調(diào)速方法分類(lèi)由公式4樹(shù)=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(dòng)機(jī)在一定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)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(duì)數(shù) p、改變轉(zhuǎn)差率S （即改變電動(dòng)機(jī)機(jī) 械特性的硬度）和改變電源頻率 f等。交流調(diào)速的分類(lèi)如下：（變極調(diào)速鼠籠電機(jī)調(diào)壓調(diào)速交流調(diào)速三營(yíng)差率5滑差電機(jī)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(jī)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(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速不用

11、調(diào)節(jié)同 步轉(zhuǎn)速，低速時(shí)電阻能耗大，效率較低；只有審級(jí)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(dòng)機(jī)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(jī)械特性由式（1）及下圖5可知，異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。變頻調(diào)速是目前交流電動(dòng)機(jī)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(jī)電傳動(dòng)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(shí)的人為機(jī)械特性在進(jìn)

12、行異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量 6m為額定量不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果增大磁通，又會(huì)使鐵心 飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)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(dá)到控制磁通Gm的 目的。對(duì)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(shí)，必須同時(shí)降

13、低Eg,使Eg/fi=常值(5)即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接 控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，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(shí)， 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(shí)，可以人為的把電壓 Uf臺(tái)高一些，以便近似的 補(bǔ)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(shí)，頻率可以從石。向上增高，但電壓U¥不能超過(guò)電機(jī)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(jī)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(lái)可得圖所示的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào) 速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流， 即電機(jī)都能在溫升允許情況下 長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通包 定時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)矩降 低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速是進(jìn)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(shí)的機(jī)械特性n = f 1),如圖8所示圖8變頻調(diào)速的機(jī)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(shí)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(gè)領(lǐng)域。以它們?yōu)橹鲗?dǎo)的現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)正以史無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的 變頻調(diào)速控制。用八段速、無(wú)極調(diào)速及采用光電編碼器的閉環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。如圖9所示圖9電動(dòng)機(jī)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(gè)頻率， 通過(guò)PLC的八個(gè)控制按鈕輸入分 別控制一種頻率的輸出，

16、即實(shí)現(xiàn)一個(gè)按鈕控制一種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。(2)無(wú)極調(diào)速控制控制方案采用PWM技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單， 靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)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(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程：PLC控制電動(dòng)機(jī)按一速度運(yùn)轉(zhuǎn)，用光電編碼器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后與電動(dòng) 機(jī)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若有偏差則通過(guò) PID算法將誤差消除，使電動(dòng)機(jī)能按照 預(yù)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。5 .結(jié)束語(yǔ)與普通異步電動(dòng)機(jī)不同，變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電，其運(yùn)行性能 與電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)要同 時(shí)兼顧電機(jī)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)變得靈活， 但同時(shí)也增加了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行