三相感应电机（精选4篇）
三相感应电机 篇1
1 引言
直接转矩控制技术能够取得很高的转矩控制性能,在交流传动系统中得到了广泛的应用。其独特的零速满转矩输出特性以及对速度传感器依赖性低的特点使其成为挖掘机、网电修井机等大型机电设备的首选技术方案。
传统的直接转矩控制系统包含两个滞环比较器,将电机转矩、定子磁链的给定值与实际值之差限定在滞环范围内,逆变器只有在差值达到滞环比较器容差上下限时开关状态才会改变,这显然造成了逆变开关频率的不固定,会产生大量电磁干扰,同时影响散热[1]。另外,传统直接转矩控制系统还采用开关选择表进行最优电压矢量的选择,而这正是其控制电机输出转矩脉动过大的主要原因。有学者将传统磁链轨迹的6扇区细分为12个扇区,通过工作矢量在转矩调节作用效果上的差异对转矩调节信号进一步划分,增加了控制余地[2]。这种方法可以适当降低转矩脉动,但其本质仍是基于开关选择表的控制,优化能力有限。在此基础之上,还有学者提出使用模糊控制技术的策略。此方案可以进一步优化转矩脉动,但仍是以开关选择表为基础,另外,模糊控制器结构复杂,为实际应用增加了难度[3]。
针对上述问题,本文引入了一种基于空间矢量调制的三相感应电机直接转矩控制系统。该系统摒弃了传统的滞环控制器与开关选择表,代之以2个PI调节器及1个SVPWM发生器,控制过程中无需查表,可由基本电压矢量合成任意所需矢量,有效地对转矩与定子磁链同时调节。所需矢量的合成采用5段式合成方式,在确保了直接转矩控制优秀性能的前提下,可以有效减小转矩与磁链的脉动。同时在每个载波周期内,系统能够保证逆变单元开关管各通断1次,使得开关频率近似保持恒定,增强了系统的鲁棒性。
2 SVM-DTC系统方案
实现SVM-DTC方案的结构主要包括磁链闭环控制结构、磁链转矩无差拍控制结构以及转矩闭环控制结构。磁链闭环控制结构方案要用到定子磁链与转子磁链观测器,因此,要掌握所有的电机参数,这会使得系统过分依赖电机参数,抹煞了直接转矩控制技术的优点,同时控制结构中缺少转矩闭环,降低了系统的鲁棒性。磁链转矩的无差拍控制方案要求非常精确的数学模型,稍有偏差就会导致输出电压的震荡,影响系统的稳定性。目前常用的方案为转矩闭环控制方案,其结构如图1所示[4]。
这种方案采用转矩闭环得到转矩误差值,经过1个PI调节器配合定子磁链角度与给定定子磁链可以得到1个预测磁链,然后通过与实际磁链的比较得到1个参考电压矢量实现转矩与磁链的补偿。在SVM模块中,通过基本的电压矢量能够合成任意矢量,以所需矢量在静止坐标系下的两分量作为输入信号从而能够实现其合成。这种方案比较简单,但是利用转矩参与到了磁链的补偿过程,这样使得磁链的调节受到转矩影响。因此,本文采用了一种定子磁链定向控制方案,通过磁链、转矩的实际值与给定值之差直接得到参考电压矢量,从而能够实现电压与转矩的精确补偿,其结构如图2所示[5,6]。
2.1 参考电压矢量
本文提出的SVM-DTC采用的是基于静止坐标系下定子磁链定向的控制方案,如图2所示,控制系统中采用了转矩与磁链2个闭环,其输出分别经过PI调节器可得到定子电压分量ud,uq,其中ud只影响定子磁链的幅值,而uq只对转矩的调整起作用,二者实为1个电压矢量的2个分量,而该矢量能够同时补偿电机电磁转矩和定子磁链误差,此电压矢量即为参考电压矢量。
此时的矢量是基于dq旋转坐标系下的矢量,但由于基本矢量的分析都是在静止坐标系下进行的,我们有必要将其变换到αβ静止坐标系下。dq - αβ的变换公式如下:
式中:θ为定子磁链轨迹的角度。
根据参考电压矢量在静止坐标系下的分量即可求得矢量相位角,从而判断其所在扇区。相位角计算公式如下:
2.2空间矢量调制原理
直接转矩控制系统以两电平逆变器可输出的6个工作电压矢量为据对参考电压的工作区间进行了扇区划分,其划分情况如图3所示。通过这样的扇区划分,无论所需矢量落在哪一区域,都可以由相邻两矢量配合零矢量合成,这是空间矢量调制的基本思想。
以扇区S1为例,如果参考电压矢量Vref落在S1扇区内,那么就可以利用v1,v2配合零电压矢量对其进行合成,见图4。
设定在一个采样周期Ts内,v1作用时间为T1,v2作用时间为T2,零矢量的作用时间为T0,那么首先T1,T2,T0与Ts应满足下式关系:
其次,根据电压作用的伏秒平衡原理,通过下式关系即可得到v1与v2的作用时间:
其中,v1,v2的幅值应为直流母线电压值的2/3。其他扇区各矢量作用时间可通过类似的方法求得。值得注意的是,当所需合成的参考电压矢量的幅值超过基本工作矢量的幅值时,以此方式求得的T1和T2时间之和可能会超过1个采样周期,这时,需要对求得的电压作用时间进行修正,修正公式如下:
2.3 参考矢量的 5 段式合成
作为一种调制形式,空间矢量调制的最终输出也应该是一系列的脉宽调制波,波形与工作电压矢量的作用顺序紧密相关。为了保证在每一个载波周期内,逆变器开关管能够实现各通断1次,需要采用零矢量分散合成方案对参考电压矢量进行合成。一般按照对称原则,工作矢量分成3段作用,配合开关变化最小原则在工作矢量中插入合适的零矢量,电压矢量作用顺序如图5所示。其中,在工作矢量与参考矢量的各交点对称地插入零矢量,这种方案使得参考矢量的合成过程以零矢量开始,也以零矢量结束[7]。
如果在传统3段式合成方案的基础上进行修改,即将电压合成的过程进一步细化,可以得到一种5段式的合成方案,其合成方式如图6a所示。5段式方案所合成的矢量更加逼近于所需矢量,其工作矢量在合成轨迹上与参考矢量的分离幅值较3段式方案更小,从而使得转矩与磁链的脉动更加减小。按照零矢量分散原则以及开关最小原则,图6b画出了各基本电压矢量在5段式合成方案中的作用时间顺序,以1和0分别代表开关管的通断。如图6所示该合成方式在每个载波周期仍然以零矢量开始和结束,1个采样周期(2个载波周期)内,逆变单元开关管各通断2次,保证了开关频率的近似恒定。
2.4 电机转速辨识
本系统中采用的感应电机转速辨识办法为模型参考自适应法(MRAS)。电机的转速可通过2个能够确定转子磁链在静止坐标系下分量的模型来获得,这2个模型分别为转子磁链的电压模型与电流模型,其中电压模型方程为
电流模型方程为
式中:Ls,Lr,Lm分别为电机定子绕组自感、转子绕组自感及定转子绕组间互感;Rs,Rr分别为定子电阻与转子电阻;Tr为转子电磁时间常数;σ为漏磁系数;p为微分算子;为辨识转速。
转速辨识方案结构如图7所示[8]。
由于电流模型中有转速参与了转子磁链的计算,所以将其选为自适应模型,相应的电压模型即选为参考模型。将2个模型的输出进行比较可得到一调谐信号,该信号经PI调节即可得到辨识转速。通过不断调整使调谐信号接近于0,此时的辨识转速与实际转速也就近似相等。调谐信号生成机制如下:
采用此调谐信号配合PI控制器可以得到一非线性闭环系统,响应快速且稳定,同时系统算法中不涉及转子电阻,转子电阻的变化对转速辨识不产生影响。
3 仿真结果分析
本文通过使用Matlab/Simulink组件对系统进行了建模仿真,其中感应电机选用额定功率为37 k W的较大功率电机,初始给定转速800r/min,初始给定转矩100 N·m。0.5 s时,电机给定转速下降至0 r/min;0.75 s时,给定转速升至500 r/min;1 s时,改变给定转矩为300 N·m。仿真全程给定磁链幅值为1 Wb,时长1.2 s。系统的转矩响应、转速响应以及定子磁链轨迹分别如图8~图10所示。
本文同时对传统直接转矩控制系统、基于12扇区划分的直接转矩控制系统进行了仿真,并分别取相同时段的电机转矩、电机单相电流以及磁链幅值进行对比。
图11为3种控制方案下0.35~0.45 s期间的电机电磁转矩,此时给定转矩为100 N·m。由于12扇区控制方案对转矩的控制选择余地更宽,所以其转矩脉动也明显小于传动控制方案,而SVM-DTC采用了5段式合成技术,其转矩脉动相比前两者有了显著改善。
图12为3种控制方案在0.4~0.5 s期间的电机定子磁链幅值,此时给定转矩为100 N·m,给定转速为800 r/min。定子磁链幅值的波动直接影响了电机转矩响应波形的脉动,其3种控制方案的波动比较结果也与图11的转矩脉动比较结果一致。由于SVM-DTC系统合成的电压矢量直接针对磁链与转矩的所需变化量进行补偿,该控制方案下的转矩与磁链脉动要比仅采用6个工作电压矢量进行补偿的控制方案大为优化。
图13为3种控制方案下0.85~0.95 s期间的电机C相定子电流,此时给定转矩为100 N·m,给定转速为500 r/min。尽管基于12扇区的控制方案在电机转矩与定子磁链方面都较基本控制方案有所改善,但是通过图13可以发现其相应开关频率也更高,这体现了逆变开关频率不固定的缺陷。相比较而言,由于SVM-DTC系统开关频率固定,其电流谐波含量也较基于开关矢量表的前两者控制方案大大减小。
4 结论
针对三相感应直接转矩控制系统存在的电机转矩脉动过大及逆变开关频率不固定的缺点,本文给出了一种基于空间矢量调制的直接转矩控制系统,并对其工作原理进行了阐述分析。通过对该系统进行建模仿真,结果表明该系统能够实现转矩与转速的快速响应,并实现零速满转矩输出特性。另外,与传统直接转矩控制系统及基于12扇区的改进直接转矩控制系统相比,此系统可以有效降低电机转矩与定子磁链脉动,且逆变开关频率固定,能够大大减小电机定子电流谐波,是更为优秀的控制方案。但是这种方案下的逆变开关周期为采样周期的二分之一,逆变器频率过高,该问题需要通过选择合适的采样频率来解决。
三相感应电机 篇2
三相异步电机结构简单、制造方便、运行性能好,并可节省各种材料、价格便宜,因而广泛地应用于国民经济的各个部门。电机的性能在很大程度上取决于电机的尺寸,合理的电机尺寸可以有效提高电机的动稳态特性。电机的气隙磁场是电机进行机电能量转换的重要场所,而气隙长度是其主要影响因素之一。因此,研究气隙对电机运行的影响具有重要的意义。
如果想知道气隙对电机性能的影响,那么必须要对电机内部的电磁场进行计算。数值法是将所要计算的电磁场区域剖分成许多网格或单元,然后再经过数学处理进而建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知参数的方程组。通常用于解决电机电磁场问题的数值解法包括有限元法和差分法,用有限元法求解时单元的剖分灵活性大,适用性强,求解的精度高。因此,本文选择Ansoft公司机电系列软件中的Maxwell 2D建立三相异步电机模型并对其进行瞬态场仿真分析,采用有限元法对电机内部磁场进行计算。
1、电机的有限元分析过程
本文应用Ansoft软件进行分析,其基本步骤如下:(1)创建项目;(2)建立模型;(3)赋属性;(4)设边界:(5)剖网格;(6)加激励;(7)计算;(8)后处理。
电机的气隙磁场是电机进行机电能量转换的重要场所,而气隙长度δ是影响气隙磁场的主要因素之一。本文通过仿真,对比分析气隙长度分别为δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm五种情况对电机性能的影响。
1.1 建立模型
本文选取三相异步电机的基本尺寸如表1所示。该电机定子绕组为单层绕组,采用三相60°相带,线规为Φ1.3mm铜线,2股并绕作为一匝,每槽28匝,单层绕组,节距为1-9。定子绕组采用三角形接法。电机极数为4极,额定功率11kW,三相电压源为50Hz,380V,同步转速是1500rpm。材料设置为:铁心--热轧硅钢片D23,转轴--不锈钢材料,机座--铸铁材料。
首先在RMxprt模块中建立基本电机模型,再导入Maxwe11 2D中进行有限元分析。建立的电机1/2几何模型及其网格剖分模型如图1,2所示。
1.2 有限元分析设置
本文应用Ansoft Maxwell软件的2D Transient分析模块。首先对创建的模型定子、转子、气隙等添加材料属性,对定转子铁芯、定子绕组、转子鼠笼绕组分别赋予材料为D23＿50、copper、cast＿aluminum＿75C。
其次对于模型添加了Vector Potential Boundary (狄里克莱边界条件)和Master/Slave Boundary (主从边界条件)。模型中所加电源为理想正弦电压,其周期为0.02 s。
进行负载仿真时,在运动数据信息中的Initial Position初始位置选项中设置旋转运动的初始位置角为15度,此角度为A相换相点。将初始速度、主动惯量、阻尼系数、及负载转矩分别设置为0rpm,0.028kg.m2,0.00884N.m.sec/rad和-83.44Nm,此处负载转矩设为负数,是因为计算时电机逆时针正向旋转,输出正向电磁转矩,因此,负载转矩为反向转矩,负号代表方向。
最后添加求解设置,本文设定分析时间及求解步长依次为0.2s、0.0002s,即求解1000步。设置信息保存开始及终止时间为0s和0.2s,场信息保存时间步长设置为0.005s,即场求解25步保存一次。其他采用默认设置。
2、仿真结果分析
气隙长度δ是电机的重要尺寸之一,它与电机的运行性能、成本密切相关。图3至图7分别是δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的气隙磁密、定子绕组电流、负载转矩、涡流损耗、功率因数和效率曲线。
由图3可以看出,随着气隙长度的增加,气隙磁密呈现减小的趋势。这是因为气隙长度δ小,极间漏磁通就少,气隙有效磁通就大。
模型根据对称性简化,减少计算量,本文只取A相电流进行分析。五种气隙下的空载定子电流比较如图4所示。由于定子绕组的三相电流为正弦交流电,在初始时刻电流很不稳定,幅值很大,最大幅值远远超过稳定时刻的电流。五个波形分别对应δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的电流波形图。从图中很容易看出,随着气隙的增大,定子电流也逐步增加。
从图5中可以看出,启动时有较大的脉动幅度,最大幅值远远超过稳定时刻的值。在100ms之后趋于稳定,且气隙增大时转矩脉动有下降的趋势。
当气隙中谐波磁场相对磁极表面运动时,就会在极面感生涡流,产生涡流损耗。由于上述仿真情况下只是气隙不同,所以涡流损耗的差异是由气隙造成的。气隙愈大导致磁阻也愈大,使得气隙磁场中的谐波含量减少从而引起损耗改变。从图6可见,随着气隙的增大,涡流损耗明显减小。
如图7所示,随着气隙长度逐渐增加,功率因数和效率同时下降。气隙愈大,磁阻也愈大。磁阻大时,产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。励磁电流是无功电流,该电流增大会使电机的功率因数降低。
3、结论
本文运用Ansoft Maxwell软件建立了三相异步电机的有限元仿真模型,对比分析了在不同气隙大小时的电机性能。得出如下结论:随着气隙长度的增大,定子电流也逐步增加,同时气隙磁密、负载转矩涡流损耗、功率因数和效率均呈现下降趋势。因此本文认为在保证定子绕组电流足够的前提下,应尽量减小电机的气隙长度,以使电机性能达到最佳。
参考文献
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三相感应电机 篇3
在供电系统中, 低压用户一般采用三相四线制或三相五线制进行供电, 计量用户的用电量一般采用三相四线制有功电能表。目前, 还有一定的用户采用感应式三相三元件有功电能表计量用电量, 因此, 电能表的正确安装接线是非常关键的。感应式三相三元件有功电能表的核心部件是三相电流线圈和三相电压线圈, 使用时必须正确安装接线在线路上, 才能正确计量电力用户的实际用电量, 合理交纳电费。三相四线制的正确接线图如图1所示。其中, 1、3, 4、6, 7、9是电流线圈, 2、10, 5、10, 8、10是电压线圈。
用电量计算:
当三相负载对称时 (以下都以三相负载对称分析) , Uu=Uv=Uw=Up (相电压) , Iu=Iv=Iw=Ip (相电流) , ψ1=ψ2=ψ3=ψ (相电压与相电流的相位角) , 则用电量:
即用电量 (W) 等于有功功率 (P) 乘时间 (t) 。由此可见, 电能表是用电负荷有功功率的积算, 其单位是千瓦小时 (kwh) , 负载运行时间越长, 电能表记数越大, 即电能表记数与负载运行时间成正比。
在工程上, 由于各种原因, 电能表出现各种错误接线, 没有如实计量用户的实际用电量, 使国家受到一定的经济损失。造成电能表计量错误的主要原因是错误接线使总的有功功率不正确。在此, 作者根据工作经验, 分析在工程安装中电能表常见的错误接线及造成的结果进行分析, 与同行一起探讨。
1 电流线圈进出线接反及结果
电能表在应用中, 其三相电流线圈应分别与三相负载串联, 而且电流线圈的进端接电源, 出端接负载, 电能表铝盘才能正转并正确记数。如果电流线圈的进出线接线不正确, 将会出现不正常记数。
1.1 一相电流线圈接反
假设第一相电流线圈进线、出线接反, 则该相的相电压与相电流的相位差是180°-ψ1, 此时, 三相功率分别为:
三相对称负载总有功功率:
这是, 总功率等于一相负载的功率, 所以, 电能表只计量一相负载消耗的电能, 电能表铝盘比正常转动较慢, 电能表计量的用电量只是用户实际用电量的三分之一, 用户少交纳了三分之二的电费。
1.2 两相电流线圈接反
假设第一相和第二相电流线圈进出线接反, 则其相电压与相电流的相位差是180°-ψ, 三相功率分别为:
三相对称负载总有功功率:
这是, 总功率等于一相负载功率的负值, 所以, 电能表铝盘缓慢反转, 负载工作越长, 电能表记数越来越少。
1.3 三相电流线圈接反
如果电流线圈全部反接, 每相的相电压与相电流的相位差是180°-ψ, 则三相功率分别为:
三相对称负载总有功功率为:
这是, 总功率等于三相负载功率的负值, 所以, 负载运行时电能表铝盘快速反转。
2 电压线圈与电流线圈不同相
电能表是计量有功功率在一定时间内消耗的电能, 有功功率的大小等于同相的相电流与相电压的乘积, 所以, 三相电能表在安装接线时应把同一个元件的电流线圈和电压线圈分别与同一相负载串联和电源并联, 如果电流线圈和电压线圈不接在同一相负载和电源上, 会使电能表记数不正常。
2.1 两相电流线圈与电压线圈不同相的错误接线
以第一相和第二相为例, 第一相电压线圈接到第二相电源, 第二相电压线圈接到第一相电源, 设以第一相电压为参考向量, 其初相为零, 因为三相电源的相间互相间隔120°的电气角度, 所以三相负载的有功功率分别为:
三相对称负载总有功功率为:
三相总功率为零, 用电量W=P×t=0×t=0, 所以, 负载虽然运行消耗了电能, 但电能表铝盘不转动, 没有计量用户用电量。
2.2 三相电流线圈与电压线圈不同相的错误接线
三个电压线圈都与电流线圈不同相, 第一相电压线圈接到第二相电源, 第二相电压线圈接到第三相电源, 第三相电压线圈接到第一相电源。设第一相电压为参考向量, 其初相为零, 因为三相电源的相序互相间隔120°的电气角度, 所以三相负载的有功功率分别为:
三相对称负载总有功功率为:
总有功功率有无功部分, 无意义, 因此电能表计量电能无意义。
3 结束语
综上所述, 电能表各种错误接线都会造成其铝盘的不正常转动, 使电能表没有正确记数负载运行实际消耗的电能, 收费部门受到一定的经济损失, 使发电、供电、用电三个方面不平衡, 所以, 电能表在三者之间的地位是十分重要的。因此, 在工程施工中, 要避免以上的各种错误接线, 在安装电能表时, 首先要了解电能表的电流线圈接线端子和电压线圈接线端子的位置, 再看懂安装接线图, 最后将电流线圈和电压线圈正确连接到电路中, 使其能如实计量负载运行时的用电量。
摘要：随着国民经济的飞速发展, 电能普遍使用于各行各业中, 消费电能需要交纳电费, 电能表是计量电力用户消耗电能的仪表, 是用户交纳电费的依据。如果安装接线不正确会造成电能表记数异常。文章主要对感应式三相三元件有功电能表常见错误接线进行了分析, 并推出错误接线造成电能表不正常记数的原因。
关键词：三相三元件,有功电能表,错误接线,结果
参考文献
节能三相交流电机 篇4
(专利申请号:200910008296.0)
节能三相交流电机 (三相异步电机、三相同步电机) 因结构简单、运行可靠、维修方便, 使用广泛, 在使用中可节约50%～60%电能。功率由小到大, 电压380V到6000V。具备生产三相交流电机能力的工厂无须再增加设备均可制造。本发明研制节能三相交流电机20多年, 充分运用杠杆原理及电机磁场电动势, 调整电机的电、磁、力。热忱欢迎海内外朋友对本发明进行认证。
[施之仿供稿江苏阜宁县阜城镇城河路211号彩票站转224400] (2)