电机和拖动基本知识第一讲Word下载.docx

1、Ts（起动转矩）：Ts / Te 1 过载倍数。 图1-1 电动机的固有机械特性（2）人为机械特性a. 降低定子电压 b. 转子回路串电阻c-1 恒转矩负载 c-2 恒功率负载c. 变频调速机械特性 图1-2 电动机的人为机械特性3电动机的拖动转矩 （Nm） 式中： Pe电动机额定功率（W）； Ne电动机额定转速（r/min），e-电动机额定角转速（rad/s）。* 旋转体的机械功率等于转矩及转速的乘积！二、电力拖动的基本知识1. 直线运动的运动方程式 （ F=ma） 牛顿第二定律F 拖动力（N） Fz阻力（N） 惯性力（N）2. 转动惯量（kgm2）m或G旋转部分的质量（kg）或重量（N）

2、R或D 惯性（旋转）半径或直径（m） g 重力加速度，g=9.81m/s2，G=mg GD2称为飞轮矩（N GD2=4gJ3. 旋转运动的运动方程式Td 电动机产出的拖动转矩（Nm） Tz 负载（阻力）转矩（N Jd/dt 惯性转矩，或称加速转矩 （：旋转运动的角速度rad/s）若以 =2n/60代入，则可得运动方程的实用形式： （ 4g60/2=375具有加速度量纲 ）可见： 1）当Td=Tz，dn/dt=0，则n=0或n=常数，电动机静止或等速旋转，电机拖动系统处于稳定运转状态；2）当TdTz，du/dt0，则电机拖动系统处于加速状态；3）当TdTz，du/dt0，则电机拖动系统处于减速状

3、态。4. 拖动电动机出力校验起动时间： 22秒！若t 22秒，则电动机可以拖动风机起动，不会因为发热而烧毁；否则，要选大一档的电机。5. 拖动负载的转矩特性a） 反抗性恒转矩特性 b） 位能性恒转矩特性c） 通风机负载特性（平方率负载） d） 恒功率负载特性（ 1、理想的 2、实际的 ）e.） 机床平移机构实际的负载特性图1-3 拖动负载的转矩特性三、 电动机的起动1. 三相笼型异步电动机的起动方法（1）直接起动直接起动也就是全压起动，是一种最简单的起动方法。显然，这时起动电流比较大，可达额定电流的47倍，根据对国产电动机的实际测量，某些笼形异步电动机甚至可达到812倍！同时，起动电流的大小及

4、电动机起动时所带的负载的大小有直接的关系。对于需经常起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机发热，使绝缘老化，影响电动机的寿命；同时电动机绕组（特别是端部）在电动力的作用下，会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机，甚至会使转子笼条断裂和及端环的焊接处开裂；过大的起动电流，也会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响到接在同一电网的其他异步电动机的工作，有时甚至会使它们停下来或无法带负载起动，这是因为电动机的起动转矩 Tst 及最大转矩 Tm 均及电网电压的平方成正比，若电网电压降低太多，会使Tst 和 Tm 降到低于Tz ，电动机就会停转。一般规定，异步电动机的功率低于7.5 kW 时允许直接

5、起动，当电动机功率大于 7.5 kW，而电源的总容量较大，能符合下式的要求时，电动机也允许直接起动。如果不能满足上式的要求，则必须采用降压起动的方法，将起动电流 I1st 限制到允许的数值。（2）降压起动由于电动机的起动转矩 Tst 及最大转矩 Tm 都及定子所加电压的平方成正比，任何降压起动的方法都只适合于可轻载起动的电动机，一般允许的起动转矩为额定转矩的60%以下。对于需重载起动的电动机，则只能采用如变频起动等能保证足够起动转矩的起动方法。a） 定子串电阻（包括水电阻）降压起动方法:电阻上有能量消耗，但起动阶段的功率因素较高。b） 定子串电抗器降压起动方法:电抗器本身的功率消耗较小，但有励

6、磁或控制的功率消耗，且功率因数较低，成本较高。c） 自耦变压器降压起动方法:是有级的，一般有0.65Un，0. 80Un 抽头。（见图1-4）d） 星形三角形（YD）起动方法: （见图1-5）图1-4 电动机自耦变压器降压起动 图1-5 电动机星形三角形起动只适用于空载或轻载起动的负载，且只适用于接法运行的电动机。因为当电动机的定子绕组由接法改为Y型接法以后，加在绕组上的电压为原来的1/3，则电动机产生的转矩为原来的1/3，所以只适用于起动转矩为额定转矩的1/3以下的负载，且通过开关控制，有二次冲击。e） 延边三角形起动方法:（见图1-6）图1-6 电动机延边三角形起动f） 电子式晶闸管移相控

7、制软起动器 （见图1-7）图1-7 电子式晶闸管移相控制软起动3. 变频软起动：是电动机最好的软起动方式，它的优越性有：a） 可实现平滑的连续升频软起动；b） 可实现无起动过电流；c） 对电网和生产机械无冲击；d） 可减小电路容量，在同样的电源容量下即可增加电动机的装机容量,节省电网投资。2. 三相绕线转子异步电动机的起动方法（1） 转子串联电阻起动绕线转子异步电动机转子串电阻起动，不仅可以达到减小起动电流的目的，还可以增大起动转矩，减少起动时间。因此，绕线转子电动机比笼型异步电动机有较好的起动特性，适用于功率较大的需重载起动的场合，如球磨机等。（2） 转子绕组串联频敏变阻器起动转子串联电阻起

8、动时，电阻上有功率损耗，转子串联频敏变阻器起动就象定子串联电抗器起动一样，损耗很小，且具有结构简单、价格便宜、制造容易、运行可靠、维护方便、能自动操作等多种优点，已获得大量应用。（3） 同步电动机的起动方法同步电动机相对于异步电动机来说有很多的优点，但是同步电动机起动困难。为了解决同步电动机的起动问题，在同步电动机的结构上采取了一些措施，把类似于异步电动机的鼠笼型转子绕组，装到了同步机的极靴上，鼠笼式绕组的导条用的是电阻率较高的的黄铜或铝青铜，在异条的两端用端环联成一体，叫做起动绕组。有了起动绕组以后，当定子绕组接上电源，便能产生异步转矩，使同步电动机转起来，这个过程及鼠笼式异步电动机的起动过

9、程是一样的。但是，异步电动机的转速是达不到同步速的，不过及同步速已经很接近了（95% -97%同步速），我们称之为亚同步速。当同步电动机用异步起动，当它的转速达到亚同步速时，立即给它的励磁绕组通入励磁电流，将它牵入同步，这就是同步电动机的异步起动方法。同步电动机起动时，由异步牵入同步的过程是一个复杂的过渡过程，还不一定能够成功。一般地说，在牵入同步前转差率越小，同步电动机的转动惯量越小，负载越轻（一般是空载起动），牵入同步就越容易。还有，在起动时，励磁绕组也不能开路，否则，在大滑差时，旋转磁场会对它感应出一个较高的电动势，这个电动势有可能会损坏它的绝缘。但是，起动时如果把励磁绕组短路的话，又会

10、在励磁绕组内产生一个比较大的感应电流，这个电流及气隙磁场作用会产生单轴转矩，单轴转矩太大，有可能会使同步电动机的转速起动不到同步速。解决这个问题的办法是在励磁绕组回路里串联一个电阻R后再闭合，这样就可以大大地减小单轴转矩。一般这个电阻R=10Rf即可，Rf是励磁绕组的电阻。自上世纪八十年代以来，由于电力电子技术的高速发展，对于大型同步电动机的起动可以采用一种软起动的方式：使用由晶闸管元件组成的高电压、大容量变频起动装置，通过调节整流器输出的直流电压大小，采用自控式逆变（LCI）方式改变同步电动机的输入频率，使电动机始终在同步状态下从静止起动加速，平滑地加速到电机的同步转速，再将电机并入电网运行

11、。这种起动装置的容量只需要电动机容量的1/4即可。起动加速时功率消耗小，并且可以用在多台同步电动机循环起动的场合，用一套起动装置顺次起动数台同步电动机，以便节省投资。电动机是在同步转速下并入电网，对电网系统不存在冲击，因此是一种比较理想的起动装置。例如我国上海宝钢一号高炉的大型鼓风机电机就是用一台同步电动机驱动的，它的容量为12000kW，它使用了一套4800kW的晶闸管变频器作为起动装置，使电动机能在高效率、高功率因数下起动，起动时间短，运行可靠。四、电动机的调速由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0及电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：（r/min）异步电动机的转差率S的定义式为：

12、则可得异步电动机的转速表达式为：可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：改变定子绕组的磁极对数P（变极调速）；改变供电电源的频率f1（变频调速）；改变异步电动机的转差率S调速。改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，上节提到的绕线式电机转子串电阻调速和定子调压调速就属于这种调速方式。交流异步电动机的各种调速方式的区别主要表现在调速过程中是否改变转差功率和对转差功率的处理方式上：1.

13、转差功率不变型在电动机调速的过程中，保持转差功率不变，而通过改变交流异步电动机的同步转速， N0=（60f）/p，从而使电动机的转速得到调节。由电动机同步转速N0的表达方式可见，要改变同步转速N0，可以通过改变电动机的极对数P，或者改变动机的供电频率来实现。（1） 变极调速 改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速改变，从而改变异步电动机的转速n。大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。变极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。这是因为鼠笼型电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须

14、同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，这就使得变极时复杂多了。用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用42、84等倍极比的双速电机，而采用64、86、108极的双速电机，这及风机水泵的调速范围一般不需要很大有关。另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如86、1081210极等），由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种特性的双速电机。由于叶片式泵及风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有较高的效率及功率因数，具有更为显著的节能效果。双速电机的优点是调速效率高，可靠性高，投资省。其缺点是

15、有级调速，不能在整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节流损耗。双速电动机在变速时电力必须瞬间中断，对电动机及电网都有冲击作用；高压电动机若需经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善和提高。图1所示为定子绕组的连接方法改变时定子极对数改变的原理。 图1-8. 改变定子绕组的联接方式改变定子的极对数a） 2p=4 b） 2p=2 c） 2p=2（2） 变频调速通过改变电动机的供电频率f来实现调速，是无极的，连续的，是目前交流电动机最好的调速方式。转差功率不变型调速方式属高效调速方式，因为在调速过程中不产生新的转差功率，因而不会有附加的功率损耗产生

16、。由前所述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是通过采用可关断的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。由于大功率电动机一般都采用3KV、6KV供电，所以必须采用高压变频器进行调速运行。 目前高压变频器在世界上不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高压使用条件的情况下，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，但都较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的第三代完美无谐

17、波变频器；罗克韦尔（AB）公司生产的BULLETIN1557和Power Flex7000变频器；瑞典ABB公司生产的ACS1000变频器；德国西门子公司生产的SimovertMv变频器；意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERT TH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的北京利德华福公司，合康亿盛公司，国电四维公司，成都东方日立公司，成都佳灵公司，上海科达公司，中山明阳公司，广州智光公司和深圳科陆公司等生产的高压变频器。但归纳起来主要有两种：一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器件的多电平技术。1）多重化技术所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率

18、单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图1-9为6KV变频器的主电路拓扑图，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12的相位差。图1-10中以中间接法为参考（0），上下方各有两套分别超前（+12、+24）和滞后（-12、-24）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。

19、图6. 多重化变频器拓扑图图7.五功率单元串联变频器的电气图1-9 6KV变频器的主电路拓扑图 图1-10 输入移相变压器的连接方式图1-9中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图1-11。每个功率单元输出电压为1、0、-1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为5、4、3、2、1和0。图1-12为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功

20、率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A1A5 5个功率单元，经叠加可得图1-18所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉波变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%，堪称完美无谐波（Perfect Harmony）变频器。它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的

21、IGBT开关频率若为600HZ，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6KHZ。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96%以上。图1-11 功率单元

22、电路 图1-12 五功率单元串联输出电压波形2）多电平技术我国标准中压电压等级为6KV和10KV，若直接变频，即使用4.5KV6KV耐压的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本增加，可靠性大为降低。为了避免功率器件的串、并联使用，世界上很多公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。如西门子公司研制的HV-IGBT耐压可达4.5KV，ABB公司研制的新型功率器件一集成门极换流晶闸管（IGCT），耐压可达6KV，并在致力于研制耐压9KV的IGCT器件。在研制高耐压器件的同时，对变频器的主电路拓扑的研究也有所突破，多电平技术就是使用有限耐压的功率器件，直接应用于6KV电压的主电

23、路拓扑技术。图10是ABB公司ACS1000型12脉冲输入三电平高压变频器的主电路结构图。 整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图1-13可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。若采用6KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达4.16KV，采用5.5KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达3500V，将Y型接法的6KV中压电动机改为接法，刚好适用此电压等级，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这

24、个方案可能是最经济合理的。若要输出6KV电压，还必须进行器件串联。由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。为此，图1-13所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组接成三角形，其次级绕组则一组接成三角形，另一组接成星形。整流变压器两个次级绕组的线电压相同，但相位则相差30角，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12波头的整流输出波形，比6个波头更平滑，并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。采用12

25、相整流电路减少了特征谐波含量，由于N=KP1（P为整流相数、K为自然数、N为特征谐波次数）。所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。输出线电压波形见图11。因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功

26、率因数和效率都会相应降低。图1-13三电平IGCT变频器主电路结构图图1-14 三电平PWM变频器输出线电压波形图3）两种类型变频器的性能比较现对多重化变频器（CSML）和三电平（中性点钳位）变频器（NPC）进行性能比较，两种高压变频器各有优缺点，分别体现在以下各方面：器件数量以6KV输出电压等级的变频器为例，采用NPC方式，逆变器部分需36个耐压为3300V的高压IGBT，或者采用24个耐压为5000V的IGCT。采用CSML方式，需要15个功率单元，共计60个耐压为1700V的低压IGBT。从器件的数量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低压IGBT，相对于高压功率器

27、件而言，低压器件的技术更加成熟、可靠，成本也较低。均压问题：均压问题（包括静态均压和动态均压）是影响高压变频器可靠性的重要因素，采用NPC方式，当输出电压等级较高（如6KV）时，单用12个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，器件直接串联必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，大大影响系统的可靠性。采用CSML方式，不存在均压问题，唯一存在的问题是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，机械能转化为动能，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，但这个问题很容易解决，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延

28、长减速时间，以防止直流母线电压“泵升”，即所谓的过电压失速防止功能，这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。对电网的谐波污染和功率因数 由于CSML方式输入整流电路的脉冲数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势是明显的，因此在综合功率因数方面也有一定的优势。输入波形 NPC方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而6KV等级的CSML方式输出相电压为11电平，线电压为21电平。而且，后者的等效开关频率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在输出波形质量方面优势也是明显的。dv/dt NPC方式的输出电压跳变台阶为一半的高压直流母线电压，对于6KV输出变频器而言，为4000V左右，CSML方式

29、输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1000V，所以二者在输出dv/dt方面的差距也是明显的。系统效率就变压器及逆变电路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考虑到输出波形的质量的差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率0.5%左右。若采用特殊变频电机，两种变频器的效率基本接近，但由于输出波形方面的优势，采用CSML方式时，电机运行效率相对较高。但由于IGBT导通压降大，效率较低，而IGCT则损耗较小，因而器件效率较高。四象限运行 NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备；而CSML

30、方式则无法实现四象限运行，只能用于风机、水泵类负载。冗余设计 NPC方式的冗余设计很难实现。而CSML方式可以方便地采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大地有利于提高系统的可靠性。可维护性 除了可靠性以外，可维护性也是衡量高压变频器优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和两个交流输出端子，以及一个光纤插头，就可抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。综上所述，三电平电压源型变频器结构简单，且可做成四象限运行的变频器，应用范围较宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器。在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。多重化PWM电压源型