由于电动机转速n与旋转磁场转速n1不同步,故称为异步电动机。
1.2异步电机的三种运行状态
根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态。
(1)电动机运行状态
当定子绕组接至电源,转子就会在电磁转矩的驱动下旋转,电磁转矩即为驱动转矩,其转向与旋转方向相同,此时电机从电网电功率转变成机械功率,由转轴传输给负载。
电动机的转速范围为n1>n>0,其转差率范围为0<s≤1。
(2)发电机运行状态
异步电机定子绕组仍接至电源,该电机转轴不再接机械负载,而用同一台原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速(n>n1)并顺旋转磁场的方向旋转。
显然,此时电磁转矩方向与转子方向相反,起着制动作用,为制动转矩。
为克服电磁转矩的制动作用而使转子继续旋转,并保持n>n1,电机必须不断从原动机吸收机械功率,把机械功率转变为输出的电功率。
因此成为发电机运行状态。
此时,n>n1,则转差率s<0。
(3)电磁制动运行状态
异步电机定子绕组仍接至电源,如果用外力拖着电机逆着旋转磁场的旋转方向转动。
此时电磁转矩与电机旋转方向相反,起制动作用。
电机定子仍从电网吸收电功率,同时转子从外力吸收机械功率,这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗。
这种运行状态称为电磁制动状态。
此种情况下,n为负值,即n<0,则转差率s>1。
由此可知,区分这三种运行状态的依据是转差率s的大小。
①当0
1.3转差率
同步转速n1与转子转速n之差(n1-n)和同步转速n1的比值称为转差率,用字母s表示,即
S=(n1-n)/n1(1-2)
转差率s是异步电动机的一个基本物理量,它反映异步电动机的各种运行情况。
对异步电动机而言,当转子尚未转动(如起动瞬间)时,n=0,此时转差率s=1;当转子转速接近同步转速(空载运行)时,n≈n1,此时转差率s≈0。
由此可见,作为异步电动,转速在0~n1范围内变化,其转差率在0~1范围内变化。
异步电动机负载越大,转速就越慢,其转差率就越大;负载越小,转速就越快,其转差率就越小。
故转差率直接反映了转子转速的快慢或电动机负载的大小。
异步电动机的转速可以由(2-1)推算。
n=(1-s)n1(1-3)
2设计方案选择及分析
2.1三相异步电动机的调速方法
异步电机的调速方法有不少,根据异步电机的转速公式
n=n1(1-s)=60f1/p(1-s)(2-1)
可知:
异步电动机有以下三种基本调速方法:
(1)改变定子极对数p调速。
(2)改变电源频率f1调速。
(3)改变转差率s调速。
2.2调压调速
调压调速是变转差率调速的一种。
调压调压是异步电动机调速中比较简便的一种方法。
由电机原理可知当转差率s基本保持不变时,电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比,因此,改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性,从而达到调节电动机转速的目的。
改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。
目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。
它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间,通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。
晶闸管三相交流调压电路的连结方式很多,各有其特点。
这里采用三相全波星型联接的调压电路。
如图2.1所示。
图2.1三相交流调压电路
电机绕组星型联接时的三相分支双向控制电路用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在每相的绕组上。
调压时用相位控制。
当负载电流流通时,至少有一相的正向晶闸管和另一相的反向晶闸管同时导通,所以要求各晶闸管的触发脉冲宽度都大于60°。
或者采用双脉冲触发。
最大移相范围为150°.移相调压时,输出电压中含有奇次谐波,其中以奇次谐波为主。
如果电机绕组不带零线,则三次谐波电势虽然存在,却不会有三次谐波电流。
由于电机绕组属于感性负载,电流波形会比电压波形平滑些。
但仍含有谐波,从而产生脉动转矩和附加损耗等不良影响,这是晶闸管调压电路的缺点。
2.3调压调速特性及其调速性能
调压调速的机械特性如图2.2所示。
由图可以看出,随着定子电压的降低,机械特性变软,而且最大转矩也减小很多,这样就降低了电机的过载能力。
若负载稍有波动,电机就可能停转。
因此对于恒转矩负载,其调速范围很小。
若用于通风机类负载,可以得到较大的调速范围。
图2.2电机调压调速机械特性
但在低速时磁通量较小,会使转子电流较大,电机发热问题就会变得严重。
为了克服上述调压调速中存在的问题,通常采用以下方法。
(1)采用转子电阻较大的高转差率笼型电动机、实心转子电动机或双层转子电动机,以获得较宽的调速范围。
(2)对于笼型的电动机可采用速度负反馈闭环调压调速系统。
如图2.3所示。
这时的机械特性硬度较大,可以得到平滑调速和较大调速范围。
ASR-速度调节器;TG-测速发电机;AT-触发装置
图2.3速度负反馈闭环调压调速系统
速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理:
将速度给定值与速度反馈值进行比较,比较后经速度调节器得到控制电压,再将此控制电压输入到触发装置,由触发装置输出来控制晶闸管的导通角,以控制晶闸管输出电压的高低,从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。
因此,改变了速度给定值就改变了电动机的转速。
由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。
同时当负载发生变化时,通过速度负反馈,能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小,由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移,使调压器的输出电压提高,导致电动机的输出转矩增大,从而使速度回升,接近给定值。
这种调速方法既不是恒转矩调速,也不是恒功率调速。
如果拖动恒转矩负载,而转速又较低时,损耗将增加,不宜于长期低速运行。
如果拖动风机类负载,随着转速的降低负载转矩减小,电动机输出转矩也相应减小,从而减小了损耗,所以这种调速方法更适合于与风机类负载相配合。
异步电动机调压调速通常适用于绕线型异步电动机。
2.3.1闭环调压调速特性
以前用饱和电抗器,现在广泛采用晶闸管调压电路。
在前面所述的开环系统的调速中,其机械特性软,调速范围较窄。
加转速负反馈系统环节后成了调压调速的闭环控制系统。
调速范围变大了。
测速发电机TG测得电动机转速即测速发电机的u∝n,当n↑→u↑,将u与给定电压比较得到一个电压变化值,将这个变化值作为放大器的输入端,经放大后的输出为触发器的发出信号,使触发器发出发出一定相位的脉冲,晶闸管调压器就输出一定值的电压,调节给定电压的大小就可以得到不同输出电压,从而达到调速的目的。
3基于MATLAB软件的仿真
根据自动控制系统的理论,传统惯用的自耦调压器与饱和电抗器已过时,这里采用三对反并联的晶闸管分别串联在三相交流电源线路中,再接到交流电机定子绕组上,通过控制晶闸管的导通角,得到可调的交流调压电源,这样来改变电机的端电压,实现其调压调速的目的。
这里主要介绍异步电机速度负反馈闭环调压调速的仿真。
3.1异步电机开环调压调速系统的仿真
根据电机拖动的理论,当异步电机拖动恒转矩负载时,改变定子端电压的人为机械特性,其稳定工作点的转差率的变化范围不大。
调速范围也很小。
异步电机开环调速系统的稳定精度也不高,所以这种开环调压调速系统应用不多,只作为讨论闭环调压调速系统的仿真基础。
交流电机开环调压调速系统的仿真模型如图3.1所示,
图3.1异步电机开环调压调速系统的仿真模型
其三相交流调压器子系统Subsystem如图3.2所示。
由图3.1可知,输出的转速信号没有反馈到输入端,所以系统是开环的。
由图3.2可以清楚地看到,三对反并联的晶闸管分别串联在三相交流电源线路上,同步6脉冲触发器的输出脉冲出发六个晶闸管,触发器的同步电压取自于三相电源的线电压。
交流电机拖动恒定负载。
测量信号分配器仅仅测量电机转速并输出,三相电源与交流电机定子电压用示波器检测波形。
图3.2Subsystem子系统
仿真模型中使用的模块与提取路径是:
异步电机AsynchronousMachine:
Simulink\SimpoweSystem\Machines\AsynchronousMachine
异步电机测试信号分配器MachineMeasurementDemux:
Simulink\SimpoweSystem\Machines\MachineMeasurementDemux
晶闸管Thy1-Thy6参数设置如图3.3所示。
图3.3调压器晶闸管的参数设置
测量信号分配器的参数设置如图3.4所示。
图3.4测量信号分配器的参数设置
在仿真参数设置里,仅仅设置仿真开始时间为0,停止时间为3秒,其他参数采用系统默认设置。
3.2异步电机速度负反馈闭环调压调速系统仿真
将以上开环系统的转速输出端信号反馈到输入端与给定值进行比较的控制即构成速度反馈控制系统,这就是反馈控制系统。
交流电机速度反馈闭环调压调速系统的仿真模型如图3.5所示。
仿真模型的模块提取路径及其参数设置如下
传递函数模块TransferSimulink\Continuous\TransferFcn
增益模块GainSimulink\CommonlyUsedBlocks\Gain
代数求和模块SumSimulink\CommonlyUsedBlocks\Sum
常数模块ConstantSimulink\CommonlyUsedBlocks\Constant
输出转速模块Out1Simulink\CommonlyUsedBlocks\Out1
晶闸管Thy1-Thy6参数设置如图3.3所示,测量信号分配器的参数设置如图3.4所示。
图3.5异步电机速度反馈调压调速系统的仿真
在仿真参数设置里,仅仅设置仿真开始时间为0,停止时间为3秒,其他参数采用系统默认设置。
对图3.5的模型进行仿真,电机以转速输出但无示波器显示。
使用输出转速模块将仿真输出信息返回到Matlab命令窗口中,操作同上,输出转速仿真波形如图3.6所示。
由图可知,电机转速平滑上升并趋于稳速运行,即系统的实际速度能够对给定速度的较好跟踪。
图3.6速度反馈调压调速系统输出转速波形
结束语
二十一世纪,工业化正在突飞猛进的向前发展,随着我国工业的不断成熟,机械化程度加深。
对调速系统的性能和精度要求越来越高。
有不少方法可以实现电机调速。
研究电机调速,找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源,所以研究调压调速就显得很有必要。
异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统,该系统具有良好的运行、控制及经济性能,显示出巨大的发展潜力。
走高效节能的路子是工业化发展的必然,怎样才能运用有限的的资源创造出更多的利益,是社会普遍关注的问题。
只有不断完善各种技术,找出最佳的方法才能创制出更多的利益。
本论文能顺利的完成,首先应该感谢尹进田老师。
在这次论文的写作过程种遇到不少问题,多亏尹老师的悉心指导我才顺利完成这次论文。
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