三相异步电机转速与制动研究毕业论文

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题 目：关于三相异步电机转速与制动的研究

学习中心： 层 次： 高中起点专科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009年 春 季 学 号： xxxxxx xxxxxxxxx 学 生： xxx xxxxx 指导教师： xxxxxxxxxxxx 完成日期： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

关于三相异步电机转速与制动的研究

内容摘要

三相异步电动机是生产中不可或缺的机械，在工业生产中,有许多工艺要求拖动系统能快速起动、制动和频繁正反转，此类系统要求电机四象限运行。本文首先对三相异步电机的变频调速原理进行了分析，然后对三相异步电机的制动方式进行了简要介绍，在此基础上，对电压型变频器再生能量产生机理进行了较深入的理论探讨,揭示了回馈状态下各物理量之间的关系,并设计了一种能量回馈控制系统，该系统使得变频器可以实现四象限运行,节能效果明显。

关键词：异步电动机；变频调速；制动；

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目 录

内容摘要 ........................................................................................................................... I 引 言 .............................................................................................................................. 1 1 异步电动机调速的原理及方法 ................................................................................ 2

1.1 工作原理 .......................................................................................................... 2 1.2 变频调速控制方式 .......................................................................................... 2

1.2.1 电源频率低于工频范围调节 ................................................................ 2 1.2.2 电源频率高于工频范围调节 ................................................................ 3 1.2.3 转差频率控制 ........................................................................................ 4

2 制动 ............................................................................................................................ 4

2.1 电机制动方式简介 .......................................................................................... 4

2.1.1 反接制动 ................................................................................................ 4 2.1.2 能耗制动 ................................................................................................ 4 2.1.3 电磁制动 ................................................................................................ 5 2.1.4 串接制动 ................................................................................................ 6 2.1.5 发电制动 ................................................................................................ 6 2.2 变频调速系统中电机的制动 .......................................................................... 6

2.2.1 变频调速异步电机再生制动状态分析 ................................................ 7 2.2.2 变频调速器再生能量的产生机理 ........................................................ 7 2.2.3 再生能量回馈状态下的理论计算 ........................................................ 8 2.2.3.1 惯性体的运动能量计算 ..................................................................... 8 2.2.3.2 变频器驱动电机再生制动时的能量计算 ......................................... 8 2.2.3.3 制动转矩计算 ................................................................................... 8 2.2.3.4 变频器参数设定与制动能力分析 ..................................................... 9 2.2.3.5 回馈能量计算 ................................................................................... 10 2.2.4 再生能量回馈系统设计 ...................................................................... 10 2.2.5 实验结果 .............................................................................................. 12

3 小结 .......................................................................................................................... 12 参考文献 ........................................................................................................................ 14

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引 言

实际的生产过程离不开电力传动。生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。直流电动机可方便地进行调速, 但直流电动机体积大、造价高, 并且无节能效果。而交流电动机体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻, 是生产过程中广泛使用的机械，因此交流电动机的调速具有重大的实用性。使用调速技术后, 生产机械的控制精度可大为提高,并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量, 而且可对诸多生产过程实施自动控制。通过大量的理论研究和实验, 人们逐渐认识到：对交流电动机进行调速控制, 不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能, 而且在许多场合中, 还具有非常显著的节能效果。

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1 异步电动机调速的原理及方法

三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场, 这个旋转磁场的转速称同步转速, 记为n1 ，实际电动机转速n 要低于同步转速, 故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。

1.1 工作原理

异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系

（1）

式中，f——电源交变频率，p——电机定子磁极对数 电机学中还常用转差率s参量，其定义为： 电机的实际转速

（3） （2）

从式( 3) 可知, 异步电动机调速可以从改变电源平率、改变电机定子极对数、改变转差率等方面来进行调节。因此，电机的调速方法有很多，串级调速、变频调速、能耗转差调速等。随着电力电子技术、计算机控制、微电子等高技术的发展, 交流调速取代直流调速已成为发展趋势。电机的交流变频调速技术是现代工业节电和改善工艺流程以提高产品质量的一种主要手段。

变频调速是改变电动机定子电源的频率, 从而改变其同步转速的调速方法。交流变频调速具有系统体积小, 重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单, 通用性强, 使传动控制系统具有优良的性能, 同时节能效果明显,产生的经济效益显著。尤其当与计算机通信相配合时, 使得变频控制更加安全可靠,易于操作( 由于计算机控制程序具有良好的人机交互功能) , 变频技术必将在工业生产发挥巨大的作用, 让工业自动化程度得到更大的提高。

1.2 变频调速控制方式

式( 3) 可知, 异步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种： 1.2.1 电源频率低于工频范围调节

电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为:

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（4）

式中f1——定子绕组中感应电动势的频率, 与电源频率f 相等, Hz; K1——电机定子绕组的绕组系数, 其值取决于绕组结构, K1<1; N1——电机定子绕组每相串联的线圈匝数; Ф——电机每极磁通;

定子电压U1 与定子绕组感应电动势E1 的关系为

(5) 式中Z1——定子绕组每组阻抗

I1——定子绕组相电流 若忽略定子压降I1Z1, 则 把该式整理成

则

(6)

(7) (8) (9)

电动机的电磁转矩M与( U1/f1) 2 成正比,若下调频率f1, 同时也下调U1, 使( U1/f1) 比值保持恒量, 则磁通Ф不变, 因此转矩也保持常值,此时电动机拖动负载的能力不发生改变, 这种控制方式称为恒磁通调压调频调速, 也叫恒转矩调速。

1.2.2 电源频率高于工频范围调节

由于使频率f1增加,U1/f1变小, 而U1不能高于额定电压, 在该控制方式中, 保持U1不变, 由于频率变高, 由式( 9) 知道, 定子磁通Ф变小, 电磁转矩M也变小, 但电源频率增加, 设电动机转动角速度w=2πn, 电机的功率是电磁转矩M与角速度ω的乘积：

P=M·ω (10)

调节过程中, 使频率f与转矩的变化成一定协调关系, 从而保持电机功率P 为恒量, 即功率不发生变化, 这种升频定压调速为恒功率调速。

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1.2.3 转差频率控制

三相异步电动机中,定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场, 转速为n1, 电机转子实际转速为n, ( n1- n) 是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。对频率、电压进行谐调控制, 使U1/f1 不变, 此时, 磁通Ф也不变, 在Ф不变的条件下,电磁转矩M与( n1- n)2 成正比。对频率f 进行调节, 即调节( n1- n) , 因此, 在实现转速调节时也实现了转矩的调节。

2 制动

电机的制动包括反接制动、能耗制动、电磁制动、串接制动、发电制动等。以下首先简要介绍电机制动方式，然后重点研究变频调速系统中电机的再生制动。

2.1 电机制动方式简介

2.1.1 反接制动

当异步电动机转子的转向与定子旋转磁场的转向相反时, 其运动状态称为反接制动。电路原理如图1。按下SB2 , KM1 自锁, 电机运转, 同时速度继电器KS 闭合, 为反接制动做准备。按下SB1 ,KM1 断电, KM2 自锁。此时定子旋转磁场与转子转向相反, 进入制动状态, 当转速低于某一值,KS 断开, 反接制动结束。

图1 反接制动原理

该方式制动转矩大, 制动迅速, 控制设备简单, 但制动冲击较大, 对传动机构有害, 容易使电机反转, 而且制动时电机从电源吸收并传递到转子的电磁功率以及从转轴上吸收的机械功率全部转化为热能, 对电机不利, 不适合制动频繁的场合。 2.1.2 能耗制动

如图2所示, 当定子绕组脱离交流电源时, 立即将其绕组切入直流电流, 使

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定子产生静止磁场。控制电路与反接制动一样, 按下SB2 , 电机起动,按下SB1 , 电机制动。

图2 能耗制动原理

该方法可以通过改变直流电流的大小, 调节制动转矩的大小。它制动准确、平稳、能量消耗较小, 但是控制设备相对复杂, 故适合于要求制动平稳、准确和起动频繁并容量较大的电机。 2.1.3 电磁制动

如图3 所示, 在转子上装上制动部件, 转子制动部件极靴上固定永磁体, 机座上安装定子制动部件, 其上放置制动绕组, 并将制动绕组短路。当转子部件运转时, 将在定子制动部件中产生旋转磁场, 类似发电机, 该磁场是阻碍转子运动的, 若电机失电, 将会迅速停机。

图3 电磁制动结构

此结构机械上较为复杂, 但是无外围控制电路, 属于非机械接触的软制动, 冲击较小, 电气故障很低, 免维护。但因为制动转矩较小, 实用于转动惯量较小的小功率电机。

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2.1.4 串接制动

随着大功率电子元件的成熟,诞生了此种制动方式。电路如图4。将电机定子绕组末串联一全波整流电路VC,把整流后的电源送到与电机转子有机械机构联系的电磁铁YA上,通电时,电磁铁YA吸合,机械机构释放,电机运转,失电时,机械机构同步复原,迅速刹车。

该结构制动反应迅速、控制精度高、能耗小、冲击较小、无外围控制设备、制动简单、运行可靠, 同时可以弥补普通异步电动机起动电流大的缺点, 起到分压、降压起动的良好效果,是一种新型制动方式,几乎适合于所有的异步电机。

图4 串接制动原理

2.1.5 发电制动

该制动方式适合于变极、变频调速系统。适用于当转子转速超过同步转速的时候(即电机由高速到低速运行过程中)。当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时,电机处于再生发电状态,如果处理不当,将在直流侧出现过高的泵升电压,限制了通用变频器的应用范围。比较理想的方式是通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网,在能源资源日趋紧张的今天,这项研究具有十分重要的现实意义。下文将进行详细介绍。

2.2 变频调速系统中电机的制动

在变频调速系统中,电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的,在频率减小的瞬间,电机的同步转速也随之下降,而由于机械惯性的原因, 电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速时,转子电流的相位几乎改变了180度,电机从电动状态变为发电状态；与此同时,电机轴上的转矩变成了制动转矩,使电机的转速迅速下降,电机处于再生制动状态。下文在分析变频调速系统中的再生能量产生机理,揭示再生制动下各物理量之间的关系的基础上,设计了一种新型能量回馈控制系统。

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2.2.1 变频调速异步电机再生制动状态分析

当电机工作于再生发电状态时,电机内部将发生以下变化过程:变频器拖动电机降速,电机转子的旋转速度超过给定频率下的同步转速,也即超过电机内部同步旋转磁场的转速。造成转子切割磁力线的方向反向,转子导体上感应电势以及感应电流的方向反向。由于转子电流中的励磁分量不会发生变化(电机不可能使励磁电流反向,因为它需要从变频器侧吸收励磁电流以建立电机内部磁场,维持电机的运转) ,所变化的只是转子电流中的转矩分量,而转子电流转矩分量的变化又引起了定子电流转矩分量的变化。其结果是:定子电流的合成量(即平时所说的定子电流)和电机的转矩反向,从坐标上看,即电机的机械特性曲线从第一象限运动到第二象限。

2.2.2 变频调速器再生能量的产生机理

图5所示为变频器拖动电机运行时泵升电路的等值电路。为说明泵升电压产生机理, 假定电容电压Uc、绕组反电动势E、电阻r、电感L为常数。

可得回路方程。电动状态时:

（11）

再生发电状态时:

（12）

图5 泵升电路等值电路图

电动状态时E和I反向,回路电压为Uc-E,若ΔI保持不变,泵升时间Δt随E的升高而增大；再生发电状态时E和I同向，回路电压为Uc + E,在ΔI相等的情况下,泵升时间Δt随E的升高而减少。从能量关系看,电动状态时Uc 和E同时吸收电感放出的电能；而再生发电状态时只有Uc 吸收能量,它不仅吸收电感放出的电能，而且连制动时产生的电能也一并吸收了。如果没有吸收再生能量的环节，将导致电容

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