浅析电气传动技术的发展.docx

1、浅析电气传动技术的发展目录目录 1摘要 2第1章 绪论 311电气传动技术的发展概况 312 定子调压调速 413 串级调速 414 变极调速 515 变频调速 516普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题 6第2章 变频调速技术及其应用 621变频调速技术的意义与应用 622异步电动机的变频变压调速(VVVF) 723变频器的基本结构与SPWM变频器的原理 7231变频器的基本结构 7232 SPWM变频器的原理 8第3章 普通交流异步电动机变频调速性能 1131普通交流异步电动机的T形等效电路 1132交流异步电动机起动频率范围的确定 1133交流异步电动机起动原理 12第4章 普通交流

2、异步电动机变频调速最佳调速范围 1441变频调速对普通交流异步电动机的影响 1442电动机性能的测试方法及设备 16结论与讨论 18参考文献 19摘要普通交流异步电动机变频调速系统被广泛应用，但是，普通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的，在频率改变时，电动机的参数和性能都将发生改变。由于异步电动机本身的非线性性，加上工作频率的改变，使其建模非常困难，因此，长期以来，在设计普通交流异步电动机变频调速系统时，只是凭借经验确定一些重要参数。本论文计算分析了在基频以下、以恒压频比方式供电下，变频调速时普通交流异步电动机启动电流、转矩的变化规律，并提出了根据电动机负载确定其最佳启动频率范围的方法。然后

3、，以具体的普通交流异步电机变频调速系统为研究对象，重点测试了变频调速时异步电动机的各项性能数据，并据此提出了普通交流异步电动机变频调速的最佳调速范围，从而为普通交流异步电动机变频调速系统的设计提供了重要的理论依据。关键词：普通交流异步电动机(TM)变频调速系统(TP) 最佳启动频率(TM) 最佳调速范围(TM) 、第1章 绪论11电气传动技术的发展概况电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置几部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能、机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气

4、传动按照电动机的种类划分，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动等。电气传动又可分为不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速。直流电气传动和交流电气传动在19世纪后期先后诞生。但在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局：约占电气传动的80不变速传动系统都采用交流传动，20调速系统一般采用直流调速。虽然直流电机中励磁电流和电枢电流相互独立，比交流电机具有更好的控制性能，容易得到满意的动静态性能。而与此相反，交流电机虽然机械结构简单，但它是一个非线性、强耦合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制较为困难。但是随着生产技术的不断发展，直流电机传动的薄弱环

5、节逐步显露出来：直流电机由于换向器的存在降低了功率重量的比值，限制了电机的容量和速度，而且直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢的，转予发热多，效率低，磨损大，可靠性差。随着20世纪70年代计算机和微处理器技术的迅速发展，电力电子技术的日新月异，现代控制理论和智能控制理论的成熟，交流电气传动逐渐占据了主导地位。采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应等良好性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美 目前，从几百瓦的家用电器到几兆瓦的工业

6、调速装置，都可以采用交流调速方案。交流调速系统由最初的只用于风机、水泵的软启动和开环变频调速等一般应用场合，扩展到各种高精度、快速响应的高性能指标的电气传动控制领域。目前，电气传动系统中新的格局已经形成：交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。12 定子调压调速异步电动机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压将改变电动机的机械特性，从而实现电动机的调速。定子调压调速是一种比较简便的调速方式，可以在异步电动机的定子回路中串入饱和电抗器降压、串入电阻降压或在定子侧加调压变压器等方式来实现调压调速。在电力电子技术高速发展的今天，可以使用“交流开关”状态的双向晶闸管来实

7、现交流调压调速。定子调压调速的主要优点是：方法简单，调速平滑，加上闭环控制时能达到理想的调速精度。其主要缺点是调整范围窄，一般不能低于电动机同步转速的8085”。，电动机转子的损耗比较大等。13 串级调速在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过交流装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。串级调速可分为两类：一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变器来实现调速。串级调速的主要优点是：可以将滑差能量以电能的形式回馈至电网，在整个调速范围内系统总效率较高，可达90。；调

8、速平滑；装置容量与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，设备费用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转子短接状态下运行。串极调速的主要缺点是：功率因数低，可能要低于06；晶体管串级调速装置有谐波危害：当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有可能停止运行：最大力矩降低约17左右。，电气制动的特性不够理想，线路相对较复杂等。14 变极调速变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。这是一种不连续的调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。从电机构造上看，定子

9、绕组有单绕组和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少，用铜省，而且可以实现双速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。变极调速是一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是：无跗加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。其主要缺点是：不能连续调节转速。15 变频调速改变异步电动机定子的电源频率，就可以改变同步转速，从而改变电动机的转速，这种调速方式能达到无级调速，主要用于鼠笼型异步电动机，如风机、水泵、压风机及空调等。变频调速的主要优点：起动电流小，在异步电动机的各种调速装置中变频调速效率最高。特别是半导体变频装置更具有设备体积小、可靠性高、调速精

10、度高、特性硬、省电的特点在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。16普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题当频率改变时，会对交流异步电动机产生系列的影响：损耗增加，效率下降：在工频以下，以恒转矩方式调速时，交流异步电动机的过载能力将会下降；在低频时交流异步电动机的散热能力变坏，交流异步电动机温度会过高等。由于交流异步电动机本身就是一个非线性、强耦合、多

11、变量的对象，且更为严重的是，由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显。例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上因而其建模非常困难，要从理论上准确的计算出交流异步电动机在不同频率和负载下的效率、温升，功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。第2章 变频调速技术及其应用21变频调速技术的意义与应用根据资料显示，各类电动机所耗电能占全部工业用电的60以上，其中美国、法国等发达国家的比重超过三分之二，在我国的几个主要电网中电动机所耗电能的比

12、重也在65左右。在一般的中小型工厂中，工作运行的三相异步电动机大约在数十台到数百台之间，而在大型工厂中往往有数千台电动机在运行。所以提高电机的工作效率，采用节能技术是其经济运行的有效途径。因此世界各国都在研制并推广各类节能技术与设备以促进电动机的经济运行。相关数据表明，我国各类工矿企业中风机、水泵类机械设备每年的耗电量约占全国总发电量的三分之一左右，而变负荷运行的又占了其中的70。又有实际资料显示，家用空调、楼房供水系统、企业的各类电机在大多数情况下只有60负载”，因此，若采用变频调速技术，风机、水泵类电机的节能调速的潜力将非常大，每年可以节电几百亿度。在众多调速技术中，交流变频调速技术是各类

13、工业设各高效率运行，节能降耗的有效手段。22异步电动机的变频变压调速(VVVF)在异步电动机的调速系统中，变压变频调速系统(Variable Voltage Variable Frequency System)是控制性能最好，效率最高的系统。异步电动机中，转子转速低于气隙旋转磁场的旋转速度即同步转速，故在转子回路中，将产生转差电动势，该电动势产生转子电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。异步电动机定子每相绕组感应电动势有效值公式，具体如图1。图1 调速方式相应的特性曲线23变频器的基本结构与SPWM变频器的原理231变频器的基本结构变频器的主要任务就是把恒压恒频(Constant Vo

14、ltage Constant Frequency，CVCF)的交流电转换成变压变频(Variable Voltage Variable Frequency，VWF)的交流电，以满足交流电动机变频调速的需要。从结构上分，变频器可以分为交交变频器(直接变频器)和交一直一交变频器(间接变频器)。交一交变频器是将恒压恒频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成，当输入信号是一组频率和幅值均可调的三相正弦信号时，则变频器输出三相交流电，在这种变频器供电下，电动机的输出转矩脉动小、损耗小，但是其最高输出频率有限。交一直一交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经逆变器将

15、直流变换成调压调频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网频率。这种控制方式中，调压与调频分别在两个环节上进行，现在普遍采用不可控整流器整流，用PWM逆变器同时调压调频的交一直一交变频器“”。其基本结构如图2所示：图2 交一直一交变频器的基本结构232 SPWM变频器的原理PWM逆变器可以分为变幅和恒幅两种方式。目前工业上广泛采用恒幅PWM逆变器，主要是通过对逆变电路的开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或其它波形。它的优点是主回路简单，而且可以直接地控制本身输出电压的大小、频率，使其调节速度快，系统的动态

16、性能好。图3为三相桥式逆变器主电路图，他由6只大功率晶体管VTIVT6(或其它快速功率开关器件)和快速续留二极管VDlVD6组成。这是一种交一直一交电压型逆变器，整流器是二级管组成的桥式电路，输出恒定不变的直流电压，中间环节为电容滤波，通过调节逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率，实现调压调频的目的。逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率的调节，是通过各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断而实现的。图3三相桥式逆变器主电路图为了得到PWM波形，采用基准波信号与载波信号相比较的方法。高频对称的载波信号HC与具有要求输出频率同步的基准波ur比较，两个波形的交点决定半导体器件的开关状态。在控制回路中，采用三角形

17、载波信号UC和正弦波的参考信号or相比较，在uc和ur的交点处发出调制信号，去驱动图3所示逆变器主回路的各晶体管的基极的方法称为正弦波脉宽调制法(SPWM)。其波形生成如图4所示。图4 PWM波形从图中可以看出，当改变参数信号的幅值时，相电位脉冲的脉宽随之改变，从而改变了主回路基波相电压的大小。当改变参考信号ur的频率时，输出电压的频率随之改变。如果同时改变参考电压的幅值和频率，就可以实现变频调速系统常数的调速要求。这种调制方式的特点是在半个周期内，脉冲间中心线等距，脉冲等幅调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。第3章 普通交流异步电动机变频调速性能31普通交流异步电动机的T形等效电路根

18、据电机学原理，在下列假定条件下：a忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；b忽略磁饱和：c忽略铁损；可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现只取A相进行计算分析。A相的T形等效电路如下图5所示嘲：图5 电动机的T形等效电路图32交流异步电动机起动频率范围的确定为了优化变频调速系统，获得良好的启动加速性能，有必要确定正确的初始起动频率范围变频器实现电动机的软启动具有两个约束条件：(1)启动转矩应该足够的大。(2)启动电流尽量的小，不能高于变频器功率开关的动作电流。根据启动转矩与启动电流相对于转矩提升电压和启动频率的变化规律，启动频率范围应为同时满足电动机启动转

19、矩要求和变频器对启动电流要求的启动频率范围。即：(1) 从肩动转矩与负载转矩的比值对于启动频率的曲线中找出数值大于12的频率范围。(2) 从启动电流与额定电流之比值对应于启动频率的曲线中画出数值小于15的频率范围。(3) 求出以上两部分的公共部分，既是所求的启动频率范围。现以YIOOLl4，Uo=0时为例，来说明如何确定启动频率范围。若在特定工况下YIOOLl4电机的启动负载为4.11，则启动转矩应该大于412=48(nm)，YIOOLl4电机的额定电流为50(A)，其启动电流应该小于15X5=75(A)则从电动机的启动转矩特性曲线和启动电流特性曲线中可以找出启动转矩大于48和启动频率范围4.

20、9，两者的交集即为启动频率的范围。电动机的最佳启动频率范围为710(Hz)。3.3 交流异步电动机起动原理 电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。三相交流异步电动机转子转动的原理，当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 按其功能可

21、分为驱动电动机和控制电动机；按电能种类分为直流电动机和交流电动机；从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机；按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机；按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等；按绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级等。 3.4 交流异步电动机检验标准 电动机的检验标准在国际上广泛采用的是国际电工委员会(IEC)的现行有效标准。我国电动机生产的国内标准主要是国家标准和行业标准。常用的标准有：GB755旋转电机基本技术要求；GB10068旋转电机振动测定方法及限值；GB100

22、69旋转电机噪声测定方法及限值；GB1032三相异步电动机试验方法；GB1029三相同步电机试验方法；GB5171小功率电动机通用技术要求；JB1136微型单相交流串激电动机和试验方法；ZBK22007-88Y系列三相异步电动机技术条件等。 检验电动机的性能检验分为检查试验和型式试验两大类。 (1)检查试验项目包括： A.绕组对接地端及绕组相互之间的绝缘电阻的测定； B.耐电压试验； C.绕组在实际冷态下直流电阻的测定； D.电动机的空载试验； E.电动机的堵转试验； F.空载特性及运行平滑程度检查(轴承应平稳轻快，无停滞现象，声音均匀和谐而无有害杂音)； G.相序检查； H.直流，单相串激，

23、交流整流子电机的火花试验； I.直流电动机固有转速调整率的测定； J.铭牌和接地标志检查； K.外观及外部装配质量检查(油漆、吊环、螺栓、接线盒等)； L. 包装检查(内外包装强度，防潮措施，包装内的定位措施，随机文件及附件，中性包装因素的考核)； M.各类电机产品技术条件规定的其他检查试验项目。 N.各类电机产品技术条件规定的其他检查试验项目。 (2)遇到下述情况之一者,必须进行型式试验： 制造厂家首次试制或小批量生产时； 电动机设计或工艺发生重大变动时； 当出厂试验结果与从前进行的型式试验结果发生不可容许的偏差时； 成批的电动机定期抽试,至少每年一次。 (3)产品型式试验内容： 温升负载试

24、验； 噪声、振动的测定； 防护等级报告检查； 产品技术条件要求的其他型式试验项目。第4章 普通交流异步电动机变频调速最佳调速范围41变频调速对普通交流异步电动机的影响普通交流算参电动机囊频谪速春统是由普通交流异步电动机和变频器组成的调速系统。变频调速与传统酌调压调速方法有本质的不同，变频调速是通过改变定子供电频率，1，从而改变旋转磁场的同步转速以调节电动机的转速，同时，为了保持主磁通不变，需要调节电源电压，使电压和频率比保持不变。但是，普通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的，这就决定了它不能完全适应变频调速的要求。因而，在变频调速时，电动机的性能会受到一定的影响，其调速的范围也将受到限制。普

25、通交流异步电动机通过变频器提供电源，因而其运行状态和性能都与变频器提供的电源质量紧密相关。由于变频器开关元件的非线性工作特性，使得其输出含有高次谐波，而商次谐波将引起电动机损耗的增加，主要表现在定子铜耗、转子铜耗、铁耗及附加损耗的增加啪1。其中影响最为显著的是转子铜耗。因为，异步电动机是以接近于基波频率的转速旋转的，因而，对高次谐波电压来说，电机总是以转差接近1的状态旋转，所以转子铜耗非常大，而且在这种状态下还必须考虑由于集肤效应所产生的实际阻抗增加而引起的铜耗，在普通异步电动机中，为了改善起动性能设计了集肤效庆显著的转子槽形，在这时，转子铜耗的增加就更大。所以高次谐波引起的电动机损耗的增加将

26、使电动机效率下降，电动机温度升高。1、旋转磁场定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如下图所示。旋转磁场的旋转方向与旋转磁场三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下

27、，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。电动机长期稳定运行时，电磁转矩T和机械负载转矩T2相等，即T=T2。2、 转差率旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。在正常运行范围内，异步电动机的 电磁力产生转差率很小，仅在001-006之间。三相交流异步电动机-机械特性T-S的曲线图力图；T-n的曲线图，即为电动机的机械特性曲线。在机械特性图中，存在两个工作区：稳定运行区和不稳定运行区。在机械特性曲线的AB段，当作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载

28、的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。机械特性曲线的BC段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。 三相交流异步电动机-机械特性T-S的曲线；T-n的曲线，即为电动机的机械特性曲线。 在机械特性图中，存在两个工作区：稳定运行区和不稳定运行区。在机械特性曲线的AB段，当作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。机械特性曲线的BC段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中

29、，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起来。 2.结构及各部分的作用 一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。 定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑。电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势，实现电能量转换。机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。电动机运行时，因内部损耗而发生的热

30、量通过铁心传给机座，再由机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为散热片状。 电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是作为电动机磁路的一部分。转子绕组的作用是感应电动势，通过电流而产生电磁转矩。转轴是支撑转子的重量，传递转矩，输出机械功率的主要部件。 当电动熟在低频运行时，电雁随频率而下降，将使电动机的最大输1ti转矩变电源年的高次谐波所增加的损耗就会产生更显著的影响。而且普通异步电动机自带凤机的冷却方式在转速降低时冷却风量与转速成比例地减少，损耗增加而散热能力变差，这也将使电动机的低速温升急剧增加，使之在低频下的性能变坏，使用的寿命缩短。由于交流

31、异步电动机本身就是一个非线性、强耦合、多变量的对象，同时受温度和频率改变、磁路饱和效应以及电源高次谐波的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显，且不宜确定，因而其建模非常困难，要从理论上准确的计算出电动机在不向频率和负载的各种损耗，效率以及功率因数和临界转矩也是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。交流异步电动机变频调速范围的确定，主要依据是电动机在不同频率下的机械特性，以及电动机的效率和功率因数：由于变频器供电下，电动机的参数很难确定，所以我们想绕开复杂的理论计算，而利用理想化的T型等效电路，推导出电动机理想的机械特性，然后通过对变频调速系统的实际测试，得到电机实际的机械特性和各项性能数据，并进行比较分析，为交流异步电动机变频调速系统的设计提供理论依据，并根据电机的各项性能，得出普通交流异步电动机变频调速的最佳调速范43普通交流异步电动机变频调速性能测试虽然，在理论上，电动机在不同频率下的机械特性曲线基本平行，但是这并没有计及高次谐波、磁路饱和以及其它使电动机参数发生改变的因数，如温度，为了获得在变频调速下电动机的实际机械特性曲线，以及电动机主要性能数据，我们以YIOOLI一4电动机和松下VF-8X组成变频调速系统，