电机调速的功率控制原理

电机调速的功率控制原理 目 录 摘 要……………………………………………………………………………………2 前 言……………………………………………………………………………………3 第一章 功率控制与转矩控制 …………………………………………………………3 第一节 功率控制 …………………………………………………………………4 第二节 转矩控制 …………………………………………………………………5 第二章 功率控制的方法与性能 ………………………………………………………6 第一节 定子伪电枢功率控制 ……………………………………………………7 第二节 转子功率控制 ……………………………………………………………9 功率控制的理想空载转速，效率与机械特性 ………………………………10 第三章 第四章 异步机调速的分类与方法 ……………………………………………………11 第五章 应用 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ………………………………………………………………………12 第一节 变频器供水系统 …………………………………………………………12 第二节 变频器调速供水的节能分析 ……………………………………………15 结束语 …………………………………………………………………………………16 致 谢 …………………………………………………………………………………17 参考文献…………………………………………………………………………………18 摘 要 根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率 控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。转矩控制 仅适于恒功率调速，它只是电机调速的局部，而不是调速的普遍规律。变频调速所依 据的是转矩控制，实际执行的却是功率控制，因此才没有影响到应用的正确性。随着 近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，提出调速的实 质和关键在于电磁转矩控制。本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩 调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过 电功率控制轴功率。 关键字: 电机调速 功率 控制原理 An excerpt In this article,according to the universal principle of the electrical machine power conversion,I proposed and the demonstrated that the essence of speed control with permanent torque lies in controlling power of the shaft of the electrical machine,The rotational speed adjustment isthe response of power control ,The key is how to control shaft powerthrough changeing electric power. [ Key word ]: Speed control of Electrical machine Power Principle of control 2 前 言 电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。 本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。 转矩控制仅适于恒功率调速，它只是电机调速的局部，而不是调速的普遍规律。变频调速所依据的是转矩控制，实际执行的却是功率控制，因此才没有影响到应用的正确性。 一 功率控制与转矩控制 根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。 直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，而且功能独立，无疑符合以上定义。而交流(异步)电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。 根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，因此，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢(转子)输送电磁功率，却不产生轴功率，因此定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。 从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为: ,,,Ω (1) M 或 Ω,,,, (2) M 公式(,)除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。 3 (一) 功率控制 功率控制是以轴功率,为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁M 转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。 即 ,,,fz (,) 当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电 磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变其量值。 电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的 结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。 设电机调速前的稳态转速为Ω，轴功率为,，调速后的稳态转速为Ω，相应1M12的轴功率变为,。 由于电磁转矩: M2 ,,,,Ω (,) M 故调速时，电磁转矩变为: ,,,,Ω M2 由于受惯性的作用，在,,0的调速瞬时Ω,Ω，故 1 ,,,,Ω M21 t=0 此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩,,,,Ω不等，转矩平衡被破坏并产1M11生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω向Ω过渡，其变化规律为: 12 Ω,(Ω,Ω),,,/T，Ω (,) 1122 电磁转矩则为:,,,,(Ω,Ω),,,/T，Ω M2122 随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即: ,,,,Ω,,fz， M22 转速稳定在Ω不变，电机调速结束。 2 上述的调速过程可以由图,的框图说明。 4 图, 功率控制的调速流程 功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。 (二) 转矩控制 根据公式(,)，电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。 电磁转矩的独立控制方法主要依据转矩公式: ,,,ΦmI (直流机) (,) MS 或 ,,,Φm，COSφ(交流机) (,) M22 受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即: 5 ,,,fz 由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。 转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的 是功率控制，故不赘述。 二 功率控制的方法与性能 电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以三相异步机为例，图,是其等效三端口网络。 图,.异步机的等效网络 其中电枢(转子)除产生轴功率输出外，还产生以感应电压U和电流i为参量22的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称,s口。 如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，,s口为封闭不可控的。反之为绕线型，,s口则是开启可控的， 转子可以通过,s口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制;另一种是通过,s口直接控制电枢轴功率。 前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。 6 (一) 定子伪电枢功率控制 图,.异步机定子功率控制调速 作为伪电枢，定子向电枢(转子)传输的电磁功率: ,em,,,?, (,) 11 电枢的轴功率则为: ,,,em,?, (,) M2 故 ,,,,(?,，?,) (10) M112 可见，控制伪电枢的输入功率,1或增大其损耗?,1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。 控制,1调速的唯一方法是调压??变频， 即所谓的变频调速。由于: ,,,,ICOSφ (11) 11111 故对于电压源供电调节端电压,是控制功率,的必须手段。问题的关键是为什11 么不能单纯调压，而必须辅以变频,这是定子除了伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。 前已叙及，功率控制的要点有: 1 、保持主磁通量不变 2 、作用对象是电枢或伪电枢 3 、控制目标是轴功率 7 如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量: Φm,,,4.44,,r, 111 ,,,,f 11 ?,,,f (12) 11 恒频调压的结果，主磁通Φm将随,下降而减小，形成了前述的转矩控制。更1 主要的是此时不但未能控制功率,，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。 1 设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩: ,,,fz,const 又 ,,,Φm，COSφ M11 ,,Φm，COSφ (13) M22 设功率因数不变，定转子电流，、，将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果12 功率,不变，但定转子损耗: 1 ?,,,，r 1112 1 ?,,,， r 22221 将按电流的平方律增大。根据式(,,)，轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。 为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。 于是变频调速建立了一条重要 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 ，就是调压变频，且保证,,,(压频比)为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，虽然结果无误，但理论上必须加以澄清。 8 (二) 转子功率控制 对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口?,s口直接控制轴功率。方法是由,s口移出或注入转差功率。需要指出: 1、 所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以?,。 2 2、 转差功率有电能与热能之分，分别记以,es和,rs，两者性质不同，对调速的影响也不同。 图,.异步机转子功率控制调速 当在转子的,s口引入电转差功率,es时，转子的轴功率: ,,(,em?,es),?, (,,) M2 式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从,s口移出，正号表示从,s口注入。,es属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率,M发生变化，电机转速得到相应调节。 电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。 当,s口引入的是热转差功率,rs时， 转子的轴功率则为: ,,,em,(?,，,rs) (,,) M2 显然热转差功率的引入，增大了电枢(转子)的损耗，轴功率随,rs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。 9 三 功率控制的理想空载转速，效率与机械特性 根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有: Ω,,em,, (,,) 0 由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω就决定于某一负载条件下电磁功0 率的大小。 功率控制调速的电枢功率可以综合表达为: ,,Σ,em,Σ, (,,) M2 相应的转速: ,,,,Σ,em,,,Σ,,, (,,) M2 Ω,Ω,?Ω (,,) 0 其中Ω0,Σ,em,,为功率控制调速的理想空载转速，因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功 Σ,率。又，?Ω,,, 为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机2 转速降。 电机调速的效率表达为: η,,,(,,Σ,) M1i ,,,(,em,?,) M2 因此，在一定的轴功率,M输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。 公式(,,)同时刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率Σ,em时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随Σ,em连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。 如图,给出了两种调速的定性曲线。 10 图, ,.电磁功率调速特性 ,.转速降调速特性 综上所述，可以得出以下结论: 1、 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。 2、 电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。 四 异步机调速的分类与方法 与按n, 60f1/p?(1-S)表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下: 性质/ 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 控制点/变量 方法 要点 11 五 实 例 当一台泵能够满足管网最大压力时，可以采用一台变频器控制一台泵方式工作。 (一) 变频器供水系统 压力传感器装于用户端管网上，用于检测用户端水压。压力设定值与所测管网压力在调节器中进行比较，其误差信号作为变频调速的速度给定。变频调速器输出频率可变的电力给水泵电机，使水泵转速相应变化。管网压力保证了恒定。 1、 水泵控制主回路 12 (1) 变频器的选择 变频器类型的选择要根据负载的要求来进行，泵类负载的转矩与转速成平方比，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型U/f变频器。泵类一般运转方式为连续型，变频器容量的计算式如下: P?KP,ηCOSφ CNM -3 P?k?3 UI×10 CNMM I?kI CNM 式中 P——负载所要求的电动机的轴输出功率KW， M η——泵用电动机的效率(通常约0.85) COSφ——电动机的功率因数(通常约0.75) U——电动机电压V M I——电动机电流A，功频电源时的电流 M K——电流波形的修正系数(PWM方式时取1.05-1.0) P——变频器的额定容量KVA CN I——变频器的额定电流 CN 变频器的过载能力较小，允许过载时间亦很短，但泵类负载除起动外无瞬时过载问题，变频器传动时最大轴功率基本上等于电动机的额定功率。当泵低速运行时，散热能力变差，但温升不会有太大变化，对于最大轴输出功率无影响。 对于交直交变频器，功率因数取决于谐波而不是电容含量。变频器设计时，如果电网对谐波污染要求比较严格，要求变频器有很高的功率因数，则根据产品说明书要求校合电源侧电感量，如不满足则附加电抗器。 (2)逻辑继电设计 通过继电器可以作到工频、变频转换(KM0)，一备一用(KM1—4)，参见相关 图集。也可以选择I/O点数为20点的PLC实现逻辑控制及信号指示与报警，PLC的梯形图由相关图集中所列逻辑关系移植过来，简单方便。结合变频器的相关继电输出口就能实现技术要求。 系统起动后，若1#泵速度升至最大时用户端管网压力仍未达到设定值，2#泵起 13 动并全速运行。若压力超过设定值，变频器调节1#泵速度使压力恒定。若压力升高到一定值，变频器频率已减小至最低，则可以让2#泵退出。为了达到此目的，利用变频器的继电器输出功能，当频率大于设定值时，继电器输出，接通继电逻辑回路，控制第二个电动机起动，退出情况与此相反。 (3)变频器参数设置及调节器参数设置 变频器参数设置如下:最大频率50HZ，最小0HZ，基本频率50HZ，额定电压380V，总加速时间 15S，减速时间15S，电动机平滑起动，电子热保护 1.05，转矩限制1.5，瞬停再起动功能有，转矩矢量控制无，其余功能遵照变频器出厂设定。调节器参数设定如下: 由于被控对象模型复杂，管网恒定值要求不高，PI 参数确定时，可先不考虑管网的影响(管网波动，水流变化的滞后)，忽略起动最初影响，忽略压力测量变送器的滞后环节，因为变频器与电动机的开环机械特性与直流机的开环特性非常接近，所以把变频器与泵用电动机看做一个和直流电动机功率一样的电动机，基于此可以方便确定K、T，是一个二阶系统，由此可定系统图。 P S 另外，T ，K的确定可以由实验取得，做变频器电动机的阶跃响应曲线辩识过程SP 数学模型，可以认为是一个二阶惯性环节，是一个自衡对象。就可以求得这两个参数,得出系统图如下，可以初略算出K、τ。T，T为变频器起动上升时间，K为信号放 12P大倍数。 系统原理图如下: 原理图中相关参数:α=0.01 mA/r/min(电动机为1500r/min) 。 当PI参数计算取得后，在实际调试过程中，应根据所带负载进行调整，可先使泵空载运行，改变给定值，如果系统稳定，再使水泵带载运行调整，使系统稳定并有一定的灵敏度。 14 二 变频调速供水的节能分析 当前给水工程中应用的变频调速装置，根据控制方式不同，有恒压变量与变压变量之分。对于恒压变量供水来说(图1)，从工作点从A变到工作点B，H/H=1,水泵轴AB功率按下式计算: N=ρgQH/η 232 ρ——水的密度，Kg/m; g——重力加速度，m/s;η——水泵效率。 N——水泵的轴功率，Q——管网流量， H——水泵扬程。 由于A，B为非相似工况点，转速的降低将导致水泵效率下降。对于恒压变量供水 ˊ来说，当系统Q=0.8Q时， ˊˊˊˊˊ N=ρgQH/η=ρg0.8QH/η,0.8N 即当水泵流量减小20%时，节能小于20%，这取决于水泵的效率与转速的关系。 32222 如果水系统是变压变量供水，H/H= SQ/SQ= Q/Q，N?Q，则节约能量为51%ABABAB 左右。 变频器的输入功率因数比较高，根据电源侧的电抗情况，加入交流电抗器或直流电抗器，可以使变频器的功率因数达到0.92以上，与泵用电动机的功率因数0.85左右相比，节约电能也非常可观。 15 六 结论 1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。 2. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。 3.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢， 并最终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。 4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。采用恒压供水，水泵起动为软起动，对电网影响小，可以减小变压器的容量，可以减少机械传动的设备损坏，节约电能。据相关资料，一般两年节约的电能费用就能收回设备投资。特别适合负载周期变化特别大的场合，例如生活小区，白天与深夜的需水量就特别大。对于短时制的工作也非常明显。 16 七 参考文献 1， 《拖动自动控制系统》 陈伯时 2， LBP系列变频调速供水设备说明书 3， 《电机与拖动基础》 林瑞光 浙江大学出版社;2002 4， 《水泵及水泵站》 湖南大学姜乃昌; 武汉建筑材料工业学院陈锦章编，1985年。 17 八 致 谢 在这几个月的论文设计过程中，得到了指导老师的积极帮助和指导，使我受益非浅，并能在学院规定的时间内顺利完成相应的毕业设计(论文)课题，在此对李忠富老师表示感谢。 在设计过程中同时也得到了所在单位柳钢动力厂供水工段技术员董进成的积极帮助，在设计上提供了有力的数据参数，并耐心的给予讲解其中的工作原理，在此也一并提出感谢。 18