单相异步电动机论文

异步电动机直接转矩控制原理与展望一、引言电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立，不存在耦合关系，能够获得很好的调速范围和调速精度，静、动态特性均比较好而获得广泛应用。交流（异步）电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统的应用受到限制。直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。1．交流传动的发展简述首先是变压变频调速系统（VVVF），后来出现了矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）调速系统。由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。但实际上由于转子磁链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。1985年，德国的和日本的先后提出直接转矩控制理论。直接转矩控制在定子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的bang-bang控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用。2．矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）的简略对比（1）控制原理：FOC是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q轴和d轴定子电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。其实质是通过坐标变换重建的电动机数学模型等效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。DTC是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制。（2）控制性能：FOC的调速范围较宽（1：20～200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。DTC的调速范围较窄（1：15～100），调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象，但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。图1异步电动机的空间矢量等效电路直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。二、数学模型1．异步电动机转矩的数学模型异步电动机的空间矢量等效图如图1所示该等效电路是在正交坐标系（α-β坐标系）上描述异步电动机的。其中：US（t）-----定子电压空间矢量iS（t）-----定子电流空间矢量ir（t）-----转子电流空间矢量ΨU（t）----定子磁链空间矢量Ψr（t）----转子磁链空间矢量ω-----电角速度则异步电动机在定子坐标系上各方程可表示如下：电压方程： （1）（2）磁链方程： （3）（4）转矩方程： （5）若用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变成如下形式：（6）或 (7)θ是磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机，而转子磁链的幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可通过改变磁通角θ来实现。2．异步电动机磁链的数学模型目前磁链模型主要有三种，分别适用于不同转速下应用。（1）u-i模型在30%额定转速以上，采用u-i模型，其表达式为：（8）从此式可看出，在计算过程中唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻。同样，定子电压us（t）和转子电流is（t）也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式（5）就可计算出电动机的转矩。此模型中关键是要准确确定定子磁链，即要求定子电压和定子电阻压降之间的差值存在且误差可忽略，而只有在30%额定转速以上时才能达到这一要求。（2）i-n模型在30%额定转速以下，由于定子频率很低（仅有几赫兹），电动机端电压很小，定子电阻RS的变化导致u-i模型中积分项is（t）RS误差较大，故采用i-n模型，其表达式为：（9）（10）在30%额定转速以下范围，磁链只能根据转速来正确计算。在i-n模型中正是用定子电流与转速来确定定子磁链。该模型在这个转速范围内是合适的。但要注意在使用i-n模型时要求准确测量角速度ω，这是因为角速度的测量误差首先引起转子磁链的误差，再由转子磁链

出处：三相异步电动机的原理与结构 摘要：作电动机运行的三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运三相异步电动机而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。关键词 三相异步电动机；基本结构；工作原理；选用一、三相异步电动机的基本结构1、定子（静止部分）（1）定子铁心作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。构造：定子铁心一般由毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽，半开口型槽，开口型槽。（2）定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。（3）机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。2、转子（旋转部分）（1）三相异步电动机的转子铁心：作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。（2）三相异步电动机的转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。3、三相异步电动机的其它附件端盖：支撑作用。轴承：连接转动部分与不动部分。轴承端盖：保护轴承。风扇：冷却电动机二、三相异步电动机的工作原理定子绕组接上三相电源后，电动机便产生旋转磁场，所谓旋转磁场就是指电动机内定子和转子之间气隙的圆周上按正弦规律分布的，能够围绕着电动机在空间不断旋转的磁场。转子与旋转磁场之间存在相对运动。转子导条被旋转磁场的磁力线切割而产生感应电动势，它在转子绕组中感应出电流，两者相互作用产生电磁转矩，使转子转动起来。从而将电能转化为转轴的机械能。当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。三、三相异步电动机的选用三相异步电动机应用广泛，是一种主要的动力源。在此，要特别强调合理选择电动机的额定功率，如额定功率选择过大，不仅造成设备投资费用增加，而且电动机长期处于低效率低功率因数点运行，是很不合理很不经济的。1、三相异步电动机的选用要点(1)根据机械负载特性、生产工艺、电网要求、建设费用、运行费用等综合指标，合理选择电动机的类型。(2)根据机械负载所要求的过载能力、启动转矩、工作制及工况条件，合理选择电动机的功率，使功率匹配合理，并具有适当的备用功率，力求运行安全、可靠而经济。(3)根据使用场所的环境，选择电动机的防护等级和结构形式。(4)根据生产机械的最高机械转速和传动调速系统的要求，选择电动机的转速。(5)根据使用的环境温度，维护检查方便、安全可靠等要求，选择电动机的绝缘等级和安装方式。(6)根据电网电压、频率、选择电动机的额定电压以及额定频率。2、三相异步电动机的选用步骤：选电动机类型→选电动机容量→校核启动转矩最大转矩→等效发热校核→经济性综合指标校核→电动机机械特性与负载特性对比→电动机电压等级与频率→决定核→电动机机械特性与负载特性对比→电动机电压等级与频率→决定3、三相异步电动机的维护保养启动前的准备和检查(1)检查电动机和启动设备接地是否可靠和完整，接线是否正确与良好。(2)检查电动机铭牌所示额定电压，额定频率是否与电源电压、频率相符合。(3)新安装或者长期停用的电动机(停用三个月以上)，启动前应检查绕组相对相、相对地的绝缘电阻值。(用1000伏兆欧表测量)。绝缘电阻应该大于兆欧。如果低于这个值，应该将绕组烘干。(4)对绕线型转子应该检查其集电环上的电刷以及提刷装置是否能正常工作，电刷的压力是否能符合要求。电刷压力为 N/cm。(5)检查电动机的转子转动时候灵活可靠，滑动轴承内的油时候达到规定的油位。(6)检查电动机所用的熔断器的额定电流是否符合要求。(7)检查电动机的各个紧固螺栓以及安装螺栓是否牢固并符合要求。4、运行中的故障处理(1)启动时的故障当合上断路器或自动开关后，电动机不转，只听到嗡嗡的声响，或者不能转到全速，这种故障原因可能是：定子回路一相断线，如低压电动机熔断器一相熔断，或高压电动机短路器以及隔离开关的一相接触不良，不能形成三相旋转磁场。转子回路断线或接触不良，使转子绕组内无电流或电流减小，因而电动机不转或者转动很慢。在传动机械中，有机械上的卡阻现象，严重时电动机就不转，且异常声响。电压过低使电动机转矩减小，启动困难或不能启动。电动机定子，转子铁心相摩擦，增加了负载，使转动困难。运行人员发现上述故障时，对高压电动机来讲，应立即拉开电动机的断路器以及隔离开关，检查其定子、转子回路。(2)定子绕组单相接地故障。电动机绕组由于受到各种因素的侵蚀，使其绝缘水平降低。此外，由于电动机长期过负荷运行，会使绕组的绝缘体因长期过热而变的焦脆或脱落。这都会造成电动机定子绕组的单相接地。(3)三相电动机单相运行的故障三相电动机在运行中，如果一相熔断器烧坏或接触不良，隔离开关，熔断器，电缆头以及导线一相接触松动以及定子绕组一相断线，均会造成电动机的单相运行。运行人员根据电动机所产生的异常现象，确认电动机为单相运行时，则应切断电源，使其停止运行。并用兆欧表测量定子回路电阻值，若电阻值很大或无穷大时，则说明该相断线。然后检查定子回路中的熔断器，断路器，隔离开关，电缆头以及接线盒内接线接触是否良好。四、三相异步电动机的铭牌每台电动机的机壳上都有一块铭牌，上面标明该电动机的规格、性能及使用条件，它是我们正确使用电动机的依据。这里对铭牌上主要的技术参数介绍如下。1、型号为了适应不同用途和工作环境需要，三相异步电动机制成不同系列和型号，不同型号的电动机的机座长度、中心高度、转速等技术参数不相同，使用或选购时应注意型号或根据需要查阅相应产品目录和技术手册。2、功率电动机在铭牌规定的运行条件下，正常工作时的输出功率(kw)。3、电压电动机定子绕组的额定线电压(v)。4、电流电动机在额定工作状况下运行时流入定子绕组的线电流(a)。5、转速电动机在额定工作状况下运行时转子每分钟的转数(r/min)。6、接法电动机的接线盒有六个接线端子，需要改变转子当前的转向时，只要把电动机的三根电源线中的任意两根对调一下，就能改变电动机的转向。结论：实践证明，在工农业生产中，根据实际需要，科学地选用三相异步电动机可以提高生产效率，收到很好的经济效益。在运行中对电动机进行科学的维护保养，使电动机长期处于非常好的技术状态，延长使用寿命，提高工农业生产的的效率。是非常有必要的。参考文献:[1] 才家刚.电动机使用与维理技术. 北京：水利水电出版社，1998.[2] 付家才.电机工程实践技术.北京：化学工业出版社，2003[3] 张曾常.电机绕组接线速成.北京：机械工业出版社，1996[4] 松柏.三相电动机修理自学指导.北京：北京科学技术出版社，2001