交流电 及变频调速技术 周国兴教授 第一章 交流电 与电力拖动基础知识 第一节 交流电机的工作原理 异步电 和同步电 一．三相异步电 U a i ①三相交流电 Ub 三相对称绕组 ia b 压 U ic c 旋转磁场Φm _ 60 f 旋转速度为：n1 = p 图1 异步电 p 1 n1 = 3000转/ 分 当f 50Hz p 2 n1 =1500转/ 分 p 3 n1 =1000转/ 分 旋转方向由A,B,C 相序而变。 ②表示为鼠笼，感应出电势 e =BLv,方向右手定则 。 2 i2 F BLi 2 (左手) ，产生力矩使转子跟随旋转 n n  磁场方向，旋转速度为 ，所以叫异步电机。 2 1 若n2 = n1 ，e2 = 0 ，i2 = 0 ，就没 矩了。 n  n n n −n 所以 2 1 ， = 1 2 n −n 1000 −960 转差率：s = 1 2 100% ，如 = 4% n 1000 1 二．三相同步电机 定子与异步电机一样为三 相对称绕组。 i a i 旋转磁场Φm b i _ c 转子为直流励磁的电 磁铁。如图示： 因此，转子就跟随定子 图2 旋转磁场，以同样的速 度 n1 旋转，所以叫同 步电 。 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 。 目前有一种转子为永 磁的同步电 ，称为 永磁同步电 ，在中 小功率和伺服电机方 图3 面发展很有前途。 这种电 定子与异步电 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 的特性好，再加上永磁的磁场可以设计得较高，因此同 步电 的功率密度可以做得较大。也就是同容量的永磁同步电 比 异步电 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。 n n r p m 100 . . 如 通力电梯中 16 极，P=8 , . 1 2 p.n 8 100 所以 f = 1 = =13.03Hz （变频器输出） 60 60 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 难以 的 。 几个公式：       U =−E +I r + jI x =−E +I Z 1 1 1 1 1 1 1 1 1 = ( + ) = =4.44 E I r jx I Z f w 1 0 m m 0 m 1 1 m f2 = sf1 （转子频率）    I = I + I 1 0 2 所以，当负载增加时，n2  ，→ s  → E  → I  → I 产生足够力矩满足 2 2 1 负载需要。 二．异步电 的功率关系 1．输入功率 P = 3U I cos 1 1 1 1 2 2 ．去掉：定子损耗 3I ·r 1 1 2 励磁损耗 3I ·r m m 剩下电磁功率 通过感应传递到转子。 P e 3 ．机械输出功率 —— 减掉转子损耗。 P P 2 e 一个电 名牌上标明10KW，即是轴上能输出额定功率10KW 。 P 其效率 = 2  P 1 4 ．几个力学公式： Tn Tn ① 功率： = 2n P T·=T · 60 = 9.55 (w) = 9550 (kw) 式中：T……Nm ，n=转/分 9550 ÷975=9.8 P kw P kw ( ) ( ) T Nm 或9550· ·( ) 975 ( )kgm n rpm n rpm ( ) ( ) 经验 GD 2 dn T −T = · T ② 力矩平衡： ， 电 力矩， 负载力矩 T d f 375 dt d f 2 2 2 GD = GD d+ GD f 当 Td T f 负载折算到电 轴上的 Td =T f 恒速 GD2 f 一般情况下不知道， T T d f 可以认为GD2 f ≤GD2d dn = 375(Td −T f ) ∴ dt GD 2 2 2 GD n GD (n −n ) t = = 2 1 375(Td −T f ) 375(Td −T f ) 根据上式,可以计算电 的起、制动时间和 、 时间。 T  注意： 负载力矩 的 或 与负载性质和工作状态有关。 f n f T ( ) 三、异步电 的机械特性（ 的关系曲线．机械特性曲线 个点的说明： ① n 0 1 ② 点①同步转速点（即理想空载转 ne 速点）； s max ③ 点②额定工作点或工作点； 2T T max ③ 点③最大力矩工作点（极限）； S Smax 点④起动点，这时的力矩即为起 + Smax S 动力矩； 2 T U  2． 1 ，因此定子电压 一般运行在①→②→③点直线 为 能稳定运行下降会造成力矩以平方 ④ 1 关系的下降 0 Te TQ T max T T 3．起动点，电流很大，但 并 Q 不大。 图5：异步机机械特性 4． 为最大力矩点，超过这一力矩电机就 T max 四．异步电 调速方法： 60 f1 n = n1 −n = n − sn = n (1 − S) = (1 − S) 1 1 1 p 调极对数 ——双速，多速电 p 调速方法 调频率f1 平滑调速 S 调转差率 （包括定子调压，转子调电阻），很少用了 图6 变频调速 五、电气制动方法 ① 电源反接制动（起重机上有用，制动电流很大，必须采取技术措施） ② 回馈制动：n  n1 ， 过程，车辆下坡，重物下放 。如电梯上从6 极绕组 切换到24 极绕组时， 回馈制动。 n 1000rmp 960rmp 6p 240rmp 24 p T 图7 ：回馈制动过程 1 转子转速 n1 （24 极），发电状态 4 右手判定电势方向，左手判定力矩方向。 说明：转子感应电 生的力矩是 转子的惯性速度 1 的，所以很快制动 ，直到转子转速 n1 。（24 极） 4 ③ 能耗制动：定子绕组某两相突然送入直流电，形成电磁铁，转子的惯性使转 子绕组中产生电 生制动力矩。 见图：用右手 转子感应电势（电流）方向。 左手 力矩为 电机转子原有的惯 性运行方向，所以很快制动，能量消耗 在转子电阻中。 准确停车 也叫直流制动 防止倒溜 图8：能耗制动 第三节 同步电 转子直流励磁式和转子永磁式两类 一．励磁式同步电 （为图2 ） 60 f 定子为三相对称绕组，送入三相电流后产生旋转磁场，其转速为n1 = ； p 转子因为是电磁铁，所以就跟随着定子旋转磁场转动，且n2 = n1 ，所以称同步电 。 图9 从矢量图上的几何关系，可知 定子电流 及其分量 i I I = ·cos i s sm s s  = cos−1 sm s I s i i s = ·in st s s 转子励磁电流 I fm = i f ·cosf i −1 iR − sm  cos f I f = ·sin I i ft f f    +  +   t 定子电流 与 轴夹角 ， i A s f s i = −i ft st  与 的夹角即为功率因数角 ，且 。 Us is   − 90 s  因此我们可以在 系统中，可以设定 的励磁分量 ，以调节 角，即调节 i i s sm 功率因数。如希望 =0 ，即cos=1 。 i sm 这就是励磁同步电 至今在大型电力拖动系统中，还是有市场的 之 一，它一方面可以作功，同时也能调节功率因数。 同步电 力矩T = C  ·i 。这就是同步电 可用矢量变换的办法进行 m R st 力矩 的原理。 二．永磁式同步电 （图3 ） 目前常用的为铷铁硼（Nd.Fe.B ）永磁材料，1983 年制成这种材料。全球85% 的储量在中国，因此我国有发展永磁同步电机的有利条件。 图10   dt 我们要设法检测转子的位置 。然后希望 与d 轴，即与M 轴的夹 I  s  角  90 ，这样： s I = I = I = I ·cos  0 ，即定子电流没有励磁分量。 sm d m s s I = I = I ·sin  I ，即定子电流完全为力矩分量。 st Q s s s ∴T C ·I C ·I =  =  m R st m R s 所以永磁同步电 ，必须有转子位置检测器。随时检测到转子的位置    dt 。 i I ·cos(=+ )90 −sin I  然后 定子电流矢量： a s s i I   = − sin( −120 ) b s i I   − sin( −240 ) c s 以这样的三相电流作为指令，组成一个电流跟踪型变频调速系统，如图11： PI 调节器 直流 图11：电流跟踪型正 永磁同步电机调速系 统 从图 11 可见：这种自控式电流跟踪型正 永磁同步电机调速系统，有以下优 点： 1）、 系统组成很简单，不用普通的PWM 形成器，而用电流跟踪的办法通过 二位式调节器实现PWM 。而且不需矢量 这么复杂的坐标变换。 2 ）、电机轴上装转子位置检测器，检测转子永磁极的位置，然后指令变频器工作， 使定子电流矢量 与转子位置夹角 = 70 →90 既不容易失步，又能产生较大的 I s s 力矩，使动态性能大大提高。 3 ）、由于电机本身的特点，功率密度高，体积比同容量异步电机小30%左右，转 子没有发热损耗，效率高10%，无滑环、可靠性也好。 4 ）、便于制成扁型多级结构，低速性能好，过载倍数大，宜于无齿轮直接转动。 5 ）、对电梯、起重类负荷，出现停电或超速时，只要把定子三相绕组自行短接， 就能实现低速“溜车”， 产生 事故。 第二章 变频调速基本知识 第一节 变频调速原理 一、什么叫变频调速? 60f n − (1 ) s ，改变电源频率就能使电 平滑调速，如6P 电机 p 50Hz n =1000rpm 1 25Hz n =500 rpm 1 5Hz n =100 rpm 1 5Hz 1Hz n =20 rpm 1 图12：变频调速 所以平滑调节电 的供电频率，就能平滑调节其速度。 二、为什么变频调速能节能？ 运行在转差率s 很小的条件下 从图 12 可见，异步电 的变频调速机械特性平行下移。都工作在转差率 S 很小的条件下，如6p 电机，频率从50Hz 调节到5Hz 转速从960rpm 下降到96rpm 1000 −960 100 −96 n （恒转矩），他们的转差率 ， 都不大。 S = = = 4% 1000 100 如果采用其它调速方法改变 S ，如定子调压，从 960rpm 调到 96rpm 时 1000 960 − S 0.9 90% ，这时的n =1000 −96 = 900rpm ，因此转子感应很大 1000 的电压，形成很大的电流而发热。 三、怎样实现变频？ 工业用电频率一般为 50Hz，要得到一个频率可以连续调节的变频电源，过 去曾使用变频发电机组。随着技术的进步，现在 大功率半导体开关器件来实 现电子式变频，常用的是AC →DC→AC 模式，即交——直——交模式。 1 2 如单相变频电路，见图13 图13：单相变频原理图 开关管1、2 和3、4 ，两组轮流导通，就把直流变成交变的 。这也就是 交流了。如果 工作周期，也即可以改变输出频率。 图14 为典型的三相桥式180°变频器（常用） R

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