交流电动机及变频调速技术

交流电动机及变频调速技术

周国兴教授

交流电动机及变频调速技术

周国兴教授

第一章 交流电动机与电力拖动基础知识

第一节 交流电机的工作原理 -----异步电动机和同步电动机

一．三相异步电动机

旋转速度为：p

f

n 601=

图1 异步电动机

旋转方向由A,B,C 相序而变。

②表示为鼠笼，感应出电势 e 2=BL v,方向右手定则判断。

2

i 2BLi F =(左手)，产生力矩使转子跟随旋转

磁场方向，旋转速度为12n n <，所以叫异步电机。

①三相交流电

U a

U b U c

三相对称绕组

a i

b i c

i 旋转磁场Φm

当Hz f 50= 3

21

===p p p

分

转分转分转/1000/1500/3000111===n n n

若12n n =，02=e ，02=i ，就没有力矩了。 所以12n n <， = 21n n - 转差率：%100121⨯-=

n n n s ，如%41000

960

1000=-

二．三相同步电机

这种电动机定子与异步电动机一样，只是将转子表面贴有（或嵌有）永磁铁（铷铁硼）。因此，转子就没有滑环和电刷了。见图3。

因为同步电动机的特性好，再加上永磁的磁场可以设计得较高，因此同步电动机的功率密度可以做得较大。也就是同容量的永磁同步电动机比异步电动机小很多。另外，可以做成多极，扁形，适宜制成低速大力矩的无齿轮系统，目前已广泛用于电梯。

如 通力电梯中 16极，P=8 ,m p r n n ..10021==.

n 定子与异步电机一样为三相对称绕组。

a

i b i c i 旋转磁场Φm 转子为直流励磁的电磁铁。如图示： 因此，转子就跟随定子旋转磁场，以同样的速度n1旋转，所以叫同步电动机。 这种转子励磁的同步电机，目前主要用于发电机，及大功率的同步电动机。 目前有一种转子为永磁的同步电动机，称为永磁同步电动机，在中小功率和伺服电机方面发展很有前途。 图3 图2

所以 Hz n p f 03.1360

100

860.1=⨯==

（变频器输出） 这样的电梯曳引机就没有齿轮箱了。

第二节 交流异步电机的参数和机械特性

一．等值电路

图4 等效电路图

所以，异步电机有定子，转子和励磁共6个参数。这些参数难以检测，而且是非线性的，又可能随时而变化，这就是异步电动机难以控制的原因。

几个公式：

111111111Z I E x I j r I E U +-=++-= m m m m w f Z I jx r I E φ1100144.4)(==+=

12sf f =（转子频率） '2

01I I I += 所以，当负载增加时，2n ↓，→s ↑→↑2E →↑2I →↑1I 产生足够力矩满足负载需要。

二．异步电动机的功率关系

1．输入功率 1111cos 3ϕI U P =

2．去掉：定子损耗 12

1·

3r I 励磁损耗 m m r I ·32

剩下电磁功率e P 通过感应传递到转子。 3．机械输出功率e P P =2 —— 减掉转子损耗。

一个电动机名牌上标明10KW ，即是轴上能输出额定功率10KW 。 其效率 η=1

2

P P

4．几个力学公式：

① 功率：)(9550

)(55.9602·

·kw Tn

w Tn n T T P ==

==πω

式中：T ……Nm ，n=转/分 或 )()

()

(975)(·)()(·

9550kgm rpm n kw P Nm rpm n kw P T ==

② 力矩平衡：dt dn

GD T T f d ·375

2

=

-，d T 电动机力矩，当 f d T T > 加速 f

d T T = 恒速

f

d T T < 减速

∴

2

)

(375GD

T T dt

dn

f d -=

)

(375)()(3751222f d f d T T n n GD T T n

GD t --=

-∆=∆ 根据上式,可以计算电动机的起、制动时间和加速、减速时间。 注意： 负载力矩f T 的⊕或

与负载性质和工作状态有关。

三、异步电动机的机械特性（)(T f n =的关系曲线）

1．机械特性曲线上4个点的说明：

点①同步转速点（即理想空载转速点）；

点②额定工作点或工作点； 点③最大力矩工作点（极限）； 点④起动点，这时的力矩即为起动力矩；

2． 21U T ∝，因此定子电压

下降会造成力矩以平方 关系的下降

3．起动点，电流很大，但Q T 并

不大。

GD 2= GD 2d + GD 2f

负载折算到电动机轴上的GD 2 f 一般情况下不知道，可以认为GD 2 f ≤GD 2d

四．异步电动机调速方法：

)1(60)1(1

1111S p

f S n sn n n n n -=

-=-=∆-=

调速方法

图5：异步机机械特性 4．m ax T 为最大力矩点，超过这一力矩电机就堵转 调极对数p ——双速，多速电动机

调频率1f 平滑调速

调转差率S （包括定子调压，转子调电阻），很少用了

图6 变频调速