三相電動(dòng)機(jī)調(diào)速與制動(dòng)問(wèn)題

三相電動(dòng)機(jī)調(diào)速與制動(dòng)問(wèn)題

摘要:三相異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械。三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有變極調(diào)速、變頻調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中變轉(zhuǎn)差串調(diào)速包括繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速和降壓調(diào)速。三相異步電動(dòng)機(jī)有三種制動(dòng)狀態(tài)：能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋這三種制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性曲線、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及用途、特點(diǎn)等均與直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)狀態(tài)。本文主要針對(duì)變頻調(diào)速及能耗制動(dòng)作出了詳細(xì)研究.

1.電動(dòng)機(jī)調(diào)速

在電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中，特別是在寬調(diào)速和快速可逆拖動(dòng)系統(tǒng)中，多采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，其原因是直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能。但是，直流電動(dòng)機(jī)存在價(jià)格高、維護(hù)困難、需要專門的直流電源等一系列缺點(diǎn)。相比之下，交流電動(dòng)機(jī)具有價(jià)格低、遠(yuǎn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都希望盡可能采用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。近年來(lái)，由于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得+交流調(diào)速技術(shù)日益成熟，交流調(diào)運(yùn)裝置的容量不斷擴(kuò)大，性能不斷提高，使得交流調(diào)速已顯示出逐步取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

可知，異步電動(dòng)機(jī)有下列三種基本調(diào)速方法

改變定子極對(duì)數(shù)多調(diào)速；

改變電源頻率／I調(diào)速；

改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。

其中改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速，包括繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子申接電阻調(diào)速、變級(jí)調(diào)速及定子調(diào)壓調(diào)速。

變頻調(diào)速

改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉(zhuǎn)速，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子每相電壓為

式中為氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。

如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)鐵芯磁路飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)，這是不允許的。因此，降低電源頻率時(shí)，必須同時(shí)降低電源電壓，已達(dá)到控制磁通的目的。對(duì)此，需要考慮基頻以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況。

基頻以下變頻調(diào)速

為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率時(shí)，保持為常數(shù)，使氣隙每極磁通為常數(shù)，應(yīng)使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

上式對(duì)s求導(dǎo)，即，有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為

由上式可知：當(dāng)常數(shù)時(shí)，在較高時(shí)，即接近額定頻率時(shí)，，隨著的降低，減少的不多；當(dāng)較低時(shí)，較??；相對(duì)變大，則隨著的降低，就減小了。顯然，當(dāng)降低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特征如圖1-1所示。這相當(dāng)于他勵(lì)直流電機(jī)的降壓調(diào)速。

基頻以下調(diào)速基頻以上調(diào)速

圖1-1變頻調(diào)速的機(jī)械特性

基頻以上變頻調(diào)速

在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，也按比例身高電源電壓時(shí)不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當(dāng)于它勵(lì)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速。

保持=常數(shù),升高頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

上式求，得最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為

由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)?/p>

因此，頻率越高時(shí)，越小，也越小。保持為常數(shù)，升高頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖1-1所示

變頻調(diào)速的特點(diǎn)和性能

1.變頻調(diào)速設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，容量有限。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器向著簡(jiǎn)單可靠、性能優(yōu)異、價(jià)格便宜、操作方便等趨勢(shì)發(fā)展；

2.變頻器具有機(jī)械特性較硬，靜差率小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍廣，平滑性高等特點(diǎn)；可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；

3.變頻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率較小，則轉(zhuǎn)差功率損耗較小，效率較高；

4.可以證明：變頻調(diào)速時(shí)，基頻下的調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；基頻調(diào)速以上時(shí)，近似為恒功率調(diào)速方式；

5.變頻調(diào)速器已廣泛用于生產(chǎn)機(jī)械等很多領(lǐng)域內(nèi)。

2電動(dòng)機(jī)制動(dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)除了運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)外，還時(shí)常運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，Tem與n同方向，Tem是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能并轉(zhuǎn)換成機(jī)械能從軸上輸出，其機(jī)械特性位于第一或第＝象限。運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，Tem與n反方向，Tem是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)從軸上吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電能，該電能或消耗在電機(jī)內(nèi)部，或反饋回電網(wǎng)，其機(jī)械特性位于異步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的目的是使電力拖動(dòng)系統(tǒng)快速停車或者使拖動(dòng)系統(tǒng)盡快減速，對(duì)于位能性負(fù)載，制動(dòng)運(yùn)行可獲得穩(wěn)定的下降速度。

能耗制動(dòng)

如果三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組斷開三相電源后，則電機(jī)內(nèi)無(wú)磁通勢(shì)。從而電磁轉(zhuǎn)矩＝0，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，自然停車，這是自然制動(dòng)過(guò)程。

能耗制動(dòng)的電路原理圖如圖2-1所示，三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組切斷三相交流電源后，同時(shí)，在定子繞組任意兩相上接入直流電流，即接通開關(guān)2K，從而在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的空間位置固定的磁通勢(shì)，最大幅值為。在三相交流電源切斷后的瞬間，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由于機(jī)械慣性其轉(zhuǎn)速不能突變，而繼續(xù)維持原逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。此時(shí)，直流電流產(chǎn)生的空間固定不轉(zhuǎn)的磁通勢(shì)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)；旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，轉(zhuǎn)速大小為。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子繞組有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生電流和電磁轉(zhuǎn)矩，根據(jù)左手定則可知，的方向與磁通勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是一樣的，但與轉(zhuǎn)速的方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，直到轉(zhuǎn)速時(shí)，磁通勢(shì)與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止，＝0,＝0,,減速過(guò)程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)停車。如果負(fù)載是反抗性負(fù)載，則電機(jī)轉(zhuǎn)速將停車。如果負(fù)載是位能性負(fù)載，則電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)必須立即用機(jī)械抱閘，將電機(jī)軸剎住停車。

圖2-1能耗制動(dòng)接線圖

由于制動(dòng)過(guò)程，轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，因此，稱為能耗制動(dòng)。

結(jié)論

本文主要研究了三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速和能耗制動(dòng)。變頻調(diào)速是現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的主要方向，它可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，適用于恒轉(zhuǎn)矩和恒功率負(fù)載。能耗制動(dòng)廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場(chǎng)合，也可應(yīng)用于起重機(jī)一類帶位能性負(fù)載的機(jī)械上，用來(lái)限制重物下降的速度，使重物保持勻速下降。

參考文獻(xiàn)

[1]曹承志．電機(jī)、拖動(dòng)與