交流调速基础和原理概要

Es 4.44 f1N1mkw1
N1---定子每相绕组串联匝数 kw1---与绕组有关的常数
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感应电机中主磁通所经过的磁路
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1.1.3 异步电动机的等效电路、功率及转矩 1）等效电路 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：(1) 忽略空间 和时间谐波； (2)忽略磁饱和； (3)忽略铁损。则异步电机的 稳态等效电路如下所示： Rs Lls
交 流 变 频 调 速 技 术 (c) 转差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速 高低，转差功率基本不变，因此效率更高。如变极对数调速、 变压变频调速两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是
有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以
构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子 电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，
输入功率 电磁功率
Pe pcu 2 P
P P2 p J
总机械功率
转子铜耗 总机械功率 转差功率
pcu2
其中
'2 ' Ps sP e m1I r Rr
P
'2 m1I r
Ps sP e pCu 2
P2为实际输出机械功率。
1 s ' Rr (1 s) Pe s
n0 n s n0
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主磁通和定子感应电动势
主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通， 它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、转子 齿、转子轭等五部分．感应电机中主磁通所经过的磁路如下页 图所示。 气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 φm 将在定 子每相绕组中感生电动势有效值 Es 。
等效电感，即励磁电感； – Us、1 —定子相电压和供电角频率； – s —转差率。 该等效电路可用于分析异步电动机的机械特性。
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交 流 变 频 调 速 技 术 2）异步电动机的功率方程，电磁功率和转差功率 感应电动机从电源输入的电功率：
P1 m1U s I s cos s
m1是电机的相数。 消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗： 消耗于定子铁心变为铁耗(忽略)：
*1.5 交流电动机串级调速原理
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第１章 交流调速原理及基础 1.1 异步电动机工作原理及特性
1.1.1 交流电动机的分类 交流电动机分类： （1）异步电动机(Induction Motor) 笼形异步电动机 绕线转子异步电动机（双馈电机） （2）同步电动机(Synchronous Motor) 直流励磁同步电动机 永磁同步电动机 正旋波永磁同步电机 梯形波永磁同步电机 （3）变磁阻电动机 开关磁阻电动机(Switch Reluctance Motor) 步进电动机
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1.2 交流调速原理及分类
1.2.1 交流电动机调速的概念 调速：是在负载没有改变的情况下，根据生产过程需要人为地强 制性地改变拖动系统的转速。 速度改变：是由于负载变化而引起拖动系统转速改变。 调速范围：指电动机在额定负载时所能达到的最高转速 nLmax与 nLmax 最低转速 nLmin 之比，即
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1.1.2 异步电动机的结构及工作原理
定子铁心 定子 定子绕组 机座 异步电动机 转子铁心 绕线型 结构 转子 转子绕组
笼 型 结构
转轴
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交 流 变 频 调 速 技 术 笼型绕组
导条
端环
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交 流 变 频 调 速 技 术 异步电动机的工作原理 交流异步电动机的工作原理是由于定子绕组在接通电源后， 建立旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子中感应电动势并产 生电流．这样转子电流与磁场相互作用，就产生电磁转矩，从 而实现能量变换。 由于转子中的电流是感应产生的，因此异步电动机又称为 感应电动机。 对于异步电动机，转子转速总是低于旋转磁场的转速，即 同步转速，因为如果两者相同，则转子导体和旋转磁场间相对 静止，转子就不会切割磁力线，导体的感应电动势为零，因而 就不会产生电磁转矩。
设备成本最高。
目前，交流变压变频调速应用越来越广泛，因此我们开 始本门课程。
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1.2.3
同步电动机调速系统的基本类型
同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动 机调速系统只能是转差功率不变型的，而同步电机转子的极对 数又是固定的，因此只能靠变压变频调速。 按频率控制方法分类：他控变频调速和自控变频调速。 他控变频同步电机调速系统：用独立的变压变频装置给同步电 机供电的系统叫他控变频调速系统。 自控变频同步电机调速系统：用电动机本身轴上所带转子位置 检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压 变频装置换相时刻的系统叫自控变频调速系统。
Pmech Ps
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交 流 变 频 调 速 技 术 从能量转换的角度上看，转差功率是消耗掉还是得到回 收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把 异步电机的调速系统分成三类 。 (a) 转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，如降电 压调速、转差离合器调速和转子串电阻调速都属于这一类。 这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增 加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。 可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应 用价值。 (b) 转差功率回馈型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子 侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多， 串级调速方法属于这一类。这类系统的效率较高，但要增加 28 一些设备。
pcu1
2 m1I s Rs
2 pFe m1I 0 Rm
从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：
' R Pe m1 E g I r' cos 2 m1 I r'2 r s
Pe P 1 pcu1 p Fe
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功率方程为：
P1 pcu1 pFe Pe
Llr′ Is Us I0
Eg Lm
Rm
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I’r Rr ′/s
1
异步电动机的稳态等效电路
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• 参数定义
– Rs、Rr′ —定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻； – Lls、Llr′ —定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；
– Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的
L
nLmin
调速的平滑性：是指相邻两级转速的接近程度。 调速特性： ① 静态特性：主要是指调速后机械特性的硬度。工程上常用静 差度δ 来表示。 n0 n N 100% n0 24 ② 动态特性：指过渡过程中的性能。
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1.2.2 异步电动机的调速方法
(1) 异步电机的转速表达式
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交流变频调速技术
大连海事大学轮机工程学院船电教研室 朱景伟 2011 年 1 月 Email: zjwdl@yahoo.com.cn
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本课程的性质与任务
本课程是为船舶电子电气工程专业本科学生开设的一门 专业课。通过本课程的学习，使学生较全面地了解交流变 频调速的类型和应用领域，掌握交流变频调速的各种控制 方法和控制技术。为后续课程《船舶电力拖动系统》的学 习，打下坚实的理论和实践的基础。
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交 流 变 频 调 速 技 术 同步转速与转差率 异步电动机的定子通以三相交变的电流后，定子将产生旋 转磁场，该磁场以同步转速n0旋转。电机转子的实际转速 n 总 是小于同步转速。两者的差值叫转差。
60 f1 n0 np
f1---定子供电电源频率，Hz np---电机极对数 同步转速和实际转速的差值与同步转速的比值叫转差率。
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课程主要内容 1 交流调速原理及基础
2 基于稳态模型的异步电动机变压变频调速系统
3 基于动态模型的异步电动机变压变频调速系统
4 同步电动机变压变频调速系统
5 变频调速的工程实用技术
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教
材： 交流调速系统 冯垛生 主编 机械工业出版社 参考书： (1) 电力拖动自动控制系统, 李华德,李擎,白晶编著 机械工业出版社 (2) 电力拖动自动控制系统, 陈伯时主编 第３版 机械工业出版社 学时分配：36学时 (讲课 34，实验 2) 考 核：考试成绩: 80% 平时成绩: 10% 实验成绩: 10%
异步电动机的机械特性曲线
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起动点：图中的 S 点，在起动 点上，电动机已接通电源， 但尚未起动。对应这一点的 转速 n ＝ 0 (s ＝ 1) ，电磁转矩 称起动转矩Tst。
异步电动机的机械特性曲线 临界点：临界点K是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运 行区和非稳定运行区的分界点。
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1.1.5 异步电动机的运行 (1) 电动机稳定运行状态: 当电动机稳定运行时 T = TL
(2) 电动机工作点的动态调 整过程:
稳定运行时的机械特性曲线
由于负载波动使负载转矩增大为TLˊ。此时电磁转矩T＜ TLˊ，电动机将减速。转速的下降又使电动机的电磁转矩增 大，当T = TLˊ时，转速不再下降，电动机在图中的C点稳定 运行，即 T＜ TLˊ→n↓→T↑→T = TLˊ 22
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(3) 异步电动机的起动
电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，叫做起动 过程。电动机起动时起动电流很大，可以达到额定电流的5～7 倍，而起动转矩Tst却并不很大，一般Tst ＝(1.8～2)TN。 (4) 异步电动机的制动 电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转 方向相反，就称作制动状态。制动有再生制动、直流制动和反 接制动。 再生制动:当转子转速 n 超过旋转磁场转速 n0 ，此时旋 转磁场切割转子绕组的方向与电动状态时相反，电磁转矩T 就 变成了制动转矩 。实例有：起重机械在重物下降时，重物的 重力加速度可能使电动机的转速超过同步转速 。 直流制动 :直流制动也叫能耗制动，是在定子绕组中通入 直流电流，使电动机产生一个制动转矩。 23
60 f 1 n (1 s ) np
可见，异步电机有三种调速方法：
(r/min)
调定子供电频率f1 —可以在宽广的范围内连续、平滑、 高效率地调速，是最有效的调速方法。 调极对数np —可以在二种或三种速度之间切换,调速 不平滑，但高效率。 调转差率s —效率最差的调速方法，但是技术简单。
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3） 异步电动机的转矩方程 总电磁转矩：
Te T0 T2
Te
总机械功率
实际输出转矩：
T2
m
m P2
P
' Te CT m I r cos 2
式中
CT 为转矩系数。
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交 流 变 频 调 速 技 术 1.1.4 异步电动机的机械特性
源自文库
机械特性：是指电动机在运 行时，其转速与电磁转矩 之间的关系。 即:n＝f (T ) 理想空载点 : 图中的 E 点，在 这点上，电动机以同步转 速n0 运行 (s＝0) ，其电磁 转矩T＝0。
其中∆pJ 为机械损耗和附加损耗功率。
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异步电动机的功率流程图
输入功率P1
定子铜 损和铁 损P1 PΩ =（1-S ）Pe 机械和 附加损 耗PJ
电磁功率 Pe=P1- P1 机械功 率 PΩ 输出功 率 P2
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转差功率 PS= S Pe
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实验内容 实验题目：交流变压变频调速系统实验
实验内容：系统接线；观察 SPWM 和 SVPWM 变频调速
系统各测试点波形。在加减速情况下，记录空间电
压矢量的变化情况。
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第１章
交流调速原理及基础
本章主要内容
1.1 异步电动机的工作原理及特性 1.2 交流调速原理及分类 1.3 交流调速的发展及特点 1.4 交流电动机调压调速原理
交 流 变 频 调 速 技 术 (2) 常见的交流调速方法有： ① 降电压调速(变压调速）； ② 转差离合器调速； ③ 转子串电阻调速； ④ 绕线电机串级调速或双馈电机调速； ⑤ 变极对数调速；
⑥ 变压变频调速等等。
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交 流 变 频 调 速 技 术 按照交流异步电机的原理， 从定子传入转子的电磁功率 可分成两部分：一部分是拖 动负载的有效功率，称作机 械功率；另一部分是传输给 转子电路的转差功率，与转 差率 s 成正比。 电磁功率：Pe = PΩ+ Ps 总机械功率：PΩ = (1 – s) Pe 转差功率：Ps = sPe ~ Pm