電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與應(yīng)用.

1、1.1直流電機(jī)工作原理21.2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)31.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速51.3.1改變電樞回路電阻調(diào)速51.3.2 變電樞電壓調(diào)速61.3.3改變勵(lì)磁電流調(diào)速82.1異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)92.2交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速112.2.1交流調(diào)速裝置與特點(diǎn)112.2.2變頻調(diào)速132.2.3 V f比恒定控制142.2.4其他控制方式183.1總結(jié)與心得體會(huì)19181.1直流電機(jī)工作原理圖1.1直流電機(jī)原理圖電樞繞組通過電刷接到直流電源上， 繞組的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相聯(lián)。電流從 電刷A流入電樞繞組，從電刷B流出。電樞電流la與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力 F，其方向可用左手定則判定。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩T，使電動(dòng)機(jī)電

2、樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。如上圖a所示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到上圖b所示位置時(shí)，由于換向器的作用，電源電流 la仍由電刷 A流入繞組，由電刷B流出。電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)。電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，割切磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢（用右手定則判定） 的方向與電樞電流la和外加電壓U的方向總是相反的，稱為反電動(dòng)勢 Ea。它與 發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢E的作用不同。發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢是電源電動(dòng)勢，在外電路產(chǎn)生 電流。而Ea是反電動(dòng)勢，電源只有克服這個(gè)反電動(dòng)勢才能向電動(dòng)機(jī)輸入電流?？梢?，電動(dòng)機(jī)向負(fù)載輸出機(jī)械功率的同時(shí)， 電源卻向電動(dòng)機(jī)輸入電功率，電 動(dòng)機(jī)起著將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者的電磁轉(zhuǎn)

3、矩 T的作用是不同的。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻 轉(zhuǎn)矩，它與原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T1的方向是相反的。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn) 矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載損耗轉(zhuǎn) 矩To相平衡，即T= T2十T。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新 的平衡?？梢姡绷麟姍C(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然然都產(chǎn)生電動(dòng)和電磁轉(zhuǎn)矩，但兩者作用截然相反。1.2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)我們討論電機(jī)及其它電器的結(jié)構(gòu)，目的在于了解它們各主要部件的名稱、 作 用、相互組裝及動(dòng)作關(guān)系。以利正確選用和使用。電機(jī)的結(jié)構(gòu)是由以下幾方面的

4、要求來確定的。首先是電磁方面的要求：使電機(jī)產(chǎn)生足夠的磁場，感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢，通過一定的電流，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn) 矩，要有一定的絕緣強(qiáng)度。其次是機(jī)械方面的要求：電機(jī)能傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，保 持機(jī)械上的堅(jiān)固穩(wěn)定。此外，還要滿足冷卻的要求，溫升不能過高；還要考慮便 于檢修，運(yùn)行可靠等。從電機(jī)的基本工作原理知道，電機(jī)的磁極和電樞之間必須有相對運(yùn)動(dòng)，因此， 任何電機(jī)都有固定不動(dòng)的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩部分組成， 在這兩部分之間的間隙 叫空氣隙。下面介紹直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖 1.1是直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖1.2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1風(fēng)扇2 機(jī)座3 電樞4 主磁極 5 刷架6換向器7 接線板8 出線盒9換向磁極10 端蓋 主磁

5、極：主磁極的作用是產(chǎn)生主磁通，主磁極鐵心包括極心和極掌兩部分。 極心上 套有勵(lì)磁繞組，各主磁極上的繞組一般都是串聯(lián)的。直流電機(jī)的磁極如圖所示。 極掌的作用是使空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布最為合適。改變勵(lì)磁電流If的方向，就可改變主磁極極性，也就改變了磁場方向。換向磁極：在兩個(gè)相鄰的主磁極之間中性面內(nèi)有一個(gè)小磁極， 這就是換向磁極。它的構(gòu) 造與主磁極相似，它的勵(lì)磁繞組與主磁極的勵(lì)磁繞組相串聯(lián)。 換向磁極的作用是 產(chǎn)生附加磁場，改善電機(jī)的換向，減小電刷與換向器之間的火花，不致使換向器燒壞主磁極中性面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度本應(yīng)為零值， 但是，由于電樞電流通過電樞繞 組時(shí)所產(chǎn)生的電樞磁場，使主磁極中性面的磁感應(yīng)強(qiáng)度

6、不能為零值。 于是使轉(zhuǎn)到 中性面內(nèi)進(jìn)行電流換向的繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢， 使得電刷與換向器之間產(chǎn)生較大 的火花。用換向磁極的附加磁場來抵消電樞磁場， 使主磁極中性面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度接 近于零，這樣就改善了電樞繞組的電流換向條件， 減小了電刷與換向器之間的火 花。電刷裝置：電刷裝置主要由用碳一石墨制成導(dǎo)電塊的電刷、 加壓彈簧和刷盒等組成。固 定在機(jī)座上（小容量電機(jī)裝在端蓋上）不動(dòng)的電刷，借助于加壓彈簧的壓力和旋轉(zhuǎn) 的換向器保持滑動(dòng)接觸，使電樞繞組與外電路接通。電刷數(shù)一般等于主磁極數(shù)，各同極性的電刷經(jīng)軟線匯在一起，再引到接線盒 內(nèi)的接線板上，作為電樞繞組的引出端。機(jī)座：機(jī)座用鑄鋼或鑄鐵制成。用來固定主磁

7、極、換向磁極和端蓋等，它是電機(jī)磁 路的一部分。機(jī)座上的接線盒有勵(lì)磁繞組和電樞繞組的接線端，用來對外接線。端蓋：端蓋由鑄鐵制成，用螺釘固定在底座的兩端，蓋內(nèi)有軸承用以支撐旋轉(zhuǎn)的電 樞。轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分。它由電樞鐵心、繞組、換向器等組成。 電樞鐵心：電樞鐵心由硅鋼片沖制迭壓而成，在外圓上有分布均勻的槽用來嵌放繞組。 鐵心也作為電機(jī)磁路的一部分。繞組：繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或電磁轉(zhuǎn)矩， 實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要部件。它是由許多 繞組元件構(gòu)成，按一定規(guī)則嵌放在鐵心槽內(nèi)和換向片相連， 使各組線圈的電動(dòng)勢 相加。繞組端部用鍍鋅鋼絲箍住，防止繞組因離心力而發(fā)生徑向位移。換向器：換向器由許多銅制換向片組

8、成，外形呈圓柱形，片與片之間用云母絕緣。為了使電機(jī)安全而有效地運(yùn)行，制造廠對電機(jī)的工作條件都加以技術(shù)規(guī)定。 按照規(guī)定的工作條件進(jìn)行運(yùn)行的狀態(tài)叫做額定工作狀態(tài)。電機(jī)在額定工作時(shí)的各種技術(shù)數(shù)據(jù)叫做額定值，一般加下標(biāo) e表示。這些額定值都列在電機(jī)的銘牌上， 使用電機(jī)前，應(yīng)熟悉銘牌。1.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)是指將直流電送到直流， 把直流電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 這 里首先要介紹如何將市電的交流電轉(zhuǎn)換成需要的直流電。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n =la電樞電流(A);勵(lì)磁磁通(Wb;R電樞回路總電阻(Q);CE電勢系數(shù),pN_7片，p為電磁對數(shù),a為電樞并聯(lián)支路數(shù),N為導(dǎo)體數(shù)。由式1可以看出，式中Ua、

9、Ra三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其 中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra； (2)改變電樞供電電壓Ua； (3)改變勵(lì)磁磁通01.3.1改變電樞回路電阻調(diào)速各種直流電動(dòng)機(jī)都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，如圖1(a)所示。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為乞-皿+心)n %式中Rw為電樞回路中的外接電阻(Q)。何(bj圖1(a)改變電樞電阻調(diào)速電路 圖1(b)改變電樞電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw) 增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。其機(jī)械特性如圖1(b)所示。Rw的改變可用接觸器或主令開

10、關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為 2:1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕 載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。1.3.2改變電樞電壓調(diào)速連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。如前所述，改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)組 供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。 下面分別介紹這 三種調(diào)速系統(tǒng)。1) .米用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法：G M系統(tǒng)。圖2 發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路(b)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖2(a)所示，通過改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IF來改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓 Ua,從 而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。在不同的

11、電樞電壓Ua時(shí)，其得到的機(jī)械特性便是一簇 完全平行的直線，如圖2(b)所示。由于電動(dòng)機(jī)既可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，又可 以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，如圖2(a)中切換接觸器ZC和FC,就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限內(nèi)。由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一 臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(LF)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝 需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便。為克服這些缺點(diǎn)，50年代開始采用水銀整流器(大容量)和閘流管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。目前已被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。2) .采用晶閘管變流器供電的

12、調(diào)速方法簡稱：V-M系統(tǒng)0 (b)圖3 (a)晶閘管供電的調(diào)速電路(b)晶閘管供電時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性有閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖 3(a)所示。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。在此調(diào)速方法 下可得到與發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖 3(b)中。圖3(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較 硬，改變延遲角a時(shí)，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的 完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具 有反電勢負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。變電樞電壓調(diào)速是直流

13、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變， 只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在 額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響(也就是假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng) 或?yàn)榉忾]自冷式)，則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱 這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制 系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50:1150: 1,甚至更大。3) 、直流斬波器或脈寬調(diào)速圖4直流斬波器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形Ud=(To n/T)Us= TUs式中T功率管開關(guān)器件的周期Ton開通時(shí)間T占空比。開關(guān)頻率咼，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。

14、低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗繞能力強(qiáng) 開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗 也不大，因而全取代了 V M系統(tǒng)。133改變勵(lì)磁電流調(diào)速：弱磁調(diào)速圖6改變勵(lì)磁電流調(diào)速曲線當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式1可看出,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通 （也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 Te是磁通和電樞電流 la的乘積（即Te=C la ），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通 的減小，其轉(zhuǎn)速升高, 轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)

15、磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電 動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才 采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時(shí)的范圍一般為 1.5:13:1，特殊電動(dòng)機(jī)可 達(dá)到5:1。這種調(diào)速電路的實(shí)現(xiàn)很簡單，只要在勵(lì)磁繞組上加一個(gè)獨(dú)立可調(diào)的電源供電 即可實(shí)現(xiàn)而且調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方法容易實(shí)現(xiàn)平滑、無級、寬范圍、低損耗的要求。盡管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速就其性能而言，可以相當(dāng)滿意，但因其結(jié)構(gòu)夏雜，慣 量大，維護(hù)麻煩，不適宜在惡劣環(huán)境中運(yùn)行。2.1 異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子

16、和兩端端蓋組成。異步電機(jī)分為鼠籠式、繞線式 和換向器式鼠籠式最為通用散進(jìn)怦讐定蛙匯芳繞組軸承軸承蓋端蓋接線盒機(jī)座（一）定子主要由三部分組成：定子鐵芯、定子機(jī)座和定子線圈。但是在有些場合（比如作為機(jī)車牽引電機(jī) 的異步電機(jī)），定子沒有專門獨(dú)立的機(jī)座。定子機(jī)座和定子鐵芯合為一體。定子鐵芯是電機(jī)磁路的一部分和嵌放繞組的地方。 為了減少旋轉(zhuǎn)磁場在鐵芯 中的損耗，定子鐵芯一般采用導(dǎo)磁性能良好和鐵損小的薄軟磁材料（一般用0.5厚冷軋硅鋼片）疊壓而成。沖片疊壓后兩端加壓圈，用扣片扣緊或用拉板點(diǎn)焊拉 緊。當(dāng)鐵芯較長時(shí)，為防止鐵芯中部因散熱不暢而發(fā)熱，在鐵芯軸向上設(shè)置若干 個(gè)徑向通風(fēng)槽。線圈：用銅導(dǎo)體或鋁導(dǎo)體制成

17、。一個(gè)線圈一般有多匝繞制而成，若用成形硬 導(dǎo)體繞制，則有時(shí)在匝間還墊放絕緣，對于軟的散繞組一般沒有匝間絕緣。線圈 成好形后再繞包對地絕緣。（二）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵芯中間有轉(zhuǎn)軸，軸上套有轉(zhuǎn)子壓板和轉(zhuǎn)子沖片。轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，也需要用導(dǎo)磁性好和損耗低的軟磁材料， 所以異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子沖片 均用定子沖片的內(nèi)圓的材料制成。轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和繞線式兩種，鼠籠式有導(dǎo)體-端環(huán)焊接式和整體鑄鋁式。 繞線式轉(zhuǎn)子與定子相似在槽內(nèi)嵌放繞組，將繞組連成三相。41一釉承蓋2端蓋3接線盒4定子鐵心5定子繞組6轉(zhuǎn)軸 3轉(zhuǎn)子8風(fēng)扇 9-罩殼 10軸承11機(jī)座鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3外

18、形結(jié)構(gòu)I 一定子卑組2-機(jī)瘞 3定子鐵芯4 一接線蠢繞線式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)異步電機(jī)中還有一個(gè)重要區(qū)域（這里說是區(qū)域而非部件）就是氣隙。氣隙 是電機(jī)定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子外徑間形成的圓環(huán)區(qū)域。 這個(gè)區(qū)域的大?。ɑ驓庀兜拇笮。?將對電機(jī)產(chǎn)生極大的影響。電機(jī)的各項(xiàng)性能均與氣隙大小有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)是一個(gè)重 要參數(shù)。2.2 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)剛好相反。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、慣量小、維護(hù)方便，可在惡劣環(huán)境 中運(yùn)行，容易實(shí)現(xiàn)大容量化，高壓化、高速化，而且價(jià)格低廉。從節(jié)能的角度看，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置可以分為高效調(diào)速裝置和低效調(diào)速 裝置兩大類。 高效調(diào)速裝置的特點(diǎn)是： 調(diào)速時(shí)基本保持額定轉(zhuǎn)差， 不增加轉(zhuǎn)差損 耗，或可以將轉(zhuǎn)

19、差動(dòng)率回饋至電網(wǎng)。低效調(diào)速裝置的特點(diǎn)是：調(diào)速時(shí)改變轉(zhuǎn)差， 增加轉(zhuǎn)差損耗。2.2.1 交流調(diào)速裝置與特點(diǎn)(一)具體的交流調(diào)速裝置有：高效調(diào)速方法包括： 改變極對數(shù)調(diào)速 鼠籠式電機(jī) 變頻調(diào)速 鼠籠式電機(jī) 串級調(diào)速 繞線式電機(jī) 換向器電機(jī)調(diào)速 同步電機(jī) 低效調(diào)速方法包括：定子調(diào)壓調(diào)速 鼠籠式電機(jī) 電磁滑差離合器調(diào)速 鼠籠式電機(jī) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 繞線式電機(jī)(二)各種調(diào)速裝置的特點(diǎn)：(1) 改變極對數(shù)調(diào)速優(yōu)點(diǎn)： 無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 控制電路簡單，易維修，價(jià)格低； 與定子調(diào)壓或電磁轉(zhuǎn)差離合器配合可得到效率較高的平滑調(diào)速。 缺點(diǎn)：有級調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)無級平滑的調(diào)速。 且由于受到電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限 制

20、，通常只能實(shí)現(xiàn)23種極對數(shù)的有級調(diào)速，調(diào)速范圍相當(dāng)有限。(2) 變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)： 無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高，調(diào)速范圍寬； 對于低負(fù)載運(yùn)行時(shí)間較長， 或起、停較頻繁的場合， 可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù) 電機(jī)的目的。缺點(diǎn)：技術(shù)較復(fù)雜，價(jià)格較高(3)換向器電機(jī)調(diào)速 優(yōu)點(diǎn)： 具有交流同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單和直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能。 低速時(shí)用電源電壓、高速時(shí)用電機(jī)反電勢自然換流，運(yùn)行可靠； 無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高，適用于高速大容量同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速。 缺點(diǎn)：過載能力較低，原有電機(jī)的容量不能充分發(fā)揮。(4) 串級調(diào)速 優(yōu)點(diǎn)： 可以將調(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差能量加以回饋利用。效率高； 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，適用于 7

21、0%95%的調(diào)速。 缺點(diǎn)：功率因素較低，有諧波干擾，正常運(yùn)行時(shí)無制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于單象限運(yùn)行的負(fù)載。(5) 定子調(diào)壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn)： 線路簡單，裝置體積小，價(jià)格便宜； 使用、維修方便。缺點(diǎn)： 調(diào)速過程中增加轉(zhuǎn)差損耗，此損耗使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低； 調(diào)速范圍比較小 ； 要求采用高轉(zhuǎn)差電機(jī)， 比如特殊設(shè)計(jì)的力矩電機(jī)， 所以特性較軟， 一段適 用于 55kW 以下的異步電動(dòng)機(jī)。(6) 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制裝置容量小，價(jià)值便宜。 運(yùn)行可靠，維修容易。 無諧波干擾。缺點(diǎn)： 速度損失大， 因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)差離合器本身轉(zhuǎn)差較大， 所以輸出軸的最高轉(zhuǎn)速 僅為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的 80%90%； 調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差功

22、率全部轉(zhuǎn)化成熱能形式的損耗，效率低。(7) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)： 技術(shù)要求較低，易于掌握； 設(shè)備費(fèi)用低 ； 無電磁諧波干擾。缺點(diǎn)： 串鑄鐵電阻只能進(jìn)行有級調(diào)速。若用液體電阻進(jìn)行無級調(diào)速，則維護(hù)、保 養(yǎng)要求較高； 調(diào)速過程中附加的轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)化為所串電阻發(fā)熱形式損耗，效率低。 調(diào)速范圍不大。綜上所述，交流最理想的調(diào)速方法應(yīng)該是改變電動(dòng)機(jī)供電電源的頻率，這就是變頻調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速的性能指標(biāo)完全可以達(dá)到 甚至超過直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2.2.2變頻調(diào)速變頻調(diào)速原理交流調(diào)速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的的， 但定子 繞組上接入三相交流電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空

23、氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場， 它 與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩。使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來。電機(jī)磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用 n。表示：60 fno二P式中：f為三相交流電源頻率，一般是 50Hz; p為磁極對數(shù)。由上式可知磁極對數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速no就越慢，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速no要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電動(dòng)機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率 s表示：nono在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1;啟動(dòng)后的極端情況n = no， 則s=o,即s在01之間變化，一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的s=1%6%。綜合以上兩式可以得出：n =n(1 -s)二60 f (1

24、 - s)P由式可以看出，對于成品電機(jī)，其極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s的變化不大, 則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī) 的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。223 V f比恒定控制Vf比恒定控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方式。 它是在改變變 頻器輸出電壓頻率的同時(shí)改變輸出電壓的幅值， 以維護(hù)電機(jī)磁通基本恒定，從而 在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。 V f控制是目前通用 變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動(dòng)機(jī)在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率發(fā)生變化時(shí)，

25、電動(dòng) 機(jī)的阻抗將隨之變化，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁 過強(qiáng)。在勵(lì)磁不足時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低， 而勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)又會(huì)使鐵心中的磁 通處于飽和狀態(tài)，是電動(dòng)機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流， 增加電動(dòng)機(jī)的功率損耗，降 低電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進(jìn)行調(diào)速時(shí)，必須采取措施保持磁 通恒定為額定值。由電機(jī)理論知道，電機(jī)定子的感應(yīng)電勢有效值是：Ei = 4.44 fiNiKNi：；mE1E11 mm -(2)(1)則4.44 fiKN1 N1即f1另外，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：Te = Ct % Icos2其中CT 與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Cos2 轉(zhuǎn)子每相電路功率因數(shù)；2 轉(zhuǎn)子電壓與電流的

26、相位差；e 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由式(1)推斷，若E1不變，當(dāng)定子電源頻率f1增加，將引起氣隙磁通m減??； 而由式可知，q減小又引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩e減小，這就出現(xiàn)了頻率增加， 而負(fù)載能力下降的情況。在 巳不變時(shí)，而定子電源頻率f1減小，又將引起Gm增 加,m增加將導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流升高，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因 繞組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。由以上情況可知：變頻調(diào)速時(shí)，必須使氣隙磁通不變 因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，必須對定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制， 但控制方式隨運(yùn)行頻 率在基頻以下和基頻以上而不同。1) 基頻以下調(diào)速由式可知，要保持 4不變，當(dāng)頻率fl從額定值5向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同 時(shí)降低巳,使巳/fi二

27、常值只要保持El/fl為常數(shù)，就可以達(dá)到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又 稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機(jī)端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式：Ui =Ei+(r +jx )| i(3)式中:Ul-定子相電壓;ri-定子電阻；Xl-定子阻抗；Ii-定子電流。當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下，電機(jī)定子電阻和漏阻抗的壓降較小，Ui和Ei可以看成近似相等，所以保持V/f=常數(shù)即可。由于V/f比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時(shí)， Ui與Ei都變 小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以人為 地適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機(jī)械特

28、性如圖7所示。圖7電動(dòng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性從圖7中可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速 n0方向調(diào)速時(shí)，曲線近似平行 地下降，減速后的電動(dòng)機(jī)仍然保持原來較硬的機(jī)械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的下降。變頻后機(jī)械特性的降低將是電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力減弱，影響交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào) 速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的V/f轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法。Vf轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：針對頻率f降低時(shí)，電源電壓U成比例地降低引 起的U的下降過低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷?U的方法來保持磁通量：Jm恒定，使電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)膲?/p>

29、頻比控制特性示于圖 8中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t 為a線。定子降壓補(bǔ)償只能補(bǔ)償?shù)陀陬~定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性不能補(bǔ)償。23補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線如圖9所示。圖9補(bǔ)償后的機(jī)械特性曲線fN向上增高，但是電壓卻不能超2）在基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從額定頻率出額定電壓Un，由式（1）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速 方式下，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。線工作段的斜率開始增大，使得機(jī)械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率f1升高時(shí)，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動(dòng)機(jī)的額定電壓

30、，所以, 磁通量叮m將隨著頻率人的升高反比例下降。磁通量的下將使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下 降，造成電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟。以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖11所示。圖11整個(gè)頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1在低頻時(shí)沒有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線2在低頻時(shí)有定子降壓補(bǔ)償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線V/f比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時(shí)定 子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持 電機(jī)磁通恒定， 而電機(jī)磁通的減小勢必會(huì)造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小。 另一方面原 因是低速時(shí)逆變器橋臂上、 下開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間相對較短， 電壓下降， 而且它 們的互鎖時(shí)間也造成了電壓降低， 從而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)， 在一定條件下這將會(huì)引起 轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變頻器不能運(yùn)行。2.2.4 其他控制方式1).轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速轉(zhuǎn)差率控制方式是恒壓頻比控制的一種改進(jìn)， 這種控制需要由安裝在電動(dòng)機(jī) 上的速度傳感器檢測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 構(gòu)成速度閉環(huán)， 速度調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)轉(zhuǎn)差 率，而變頻器的輸出頻率則有電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。 它是解 決恒壓頻比控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。 但是它需要使用速度傳感器來求 取轉(zhuǎn)差角頻率， 還要針對具體電機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù)， 因而此方法的通用 性較差。2).矢量控制變頻調(diào)速 矢量控制變頻調(diào)速的做法是：