異步電動機的調速

1、第十章 三相異步電動機的調速三相異步電動機的調速開始于上世紀50年代末。在電氣傳動領域中，原來只用于恒速傳動的交流電動機實現(xiàn)了調速控制，以取代制造復雜，價格昂貴，維護麻煩的直流電動機。以后，隨著電力電子技術和微型計算機的發(fā)展，再加上現(xiàn)代控制理論向電氣傳動領域的滲透，使得交流調速技術得到了迅速發(fā)展，其設備容量不斷擴大，性能指標及可靠性不斷提高，高性能交流調速系統(tǒng)應用的比例逐年上升，在各工業(yè)部門中，使得交流調速系統(tǒng)逐步取代直流調速系統(tǒng)，以達到節(jié)能、縮小體積、降低成本的目的。 異步電動機的轉速根據(jù)負載的要求，人為地或自動地進行調節(jié)，稱為調速。 異步電動機的轉速公式是因此，異步電動機的調速有以下幾種方

2、法：（1）改變供電電源的頻率 f ；（2）改變電動機的極對數(shù)p ；（3）改變轉差率s ； 改變轉差率可以由改變外施電壓、轉子回路串電阻或電動勢等。)1 (60spfn 1.轉差率調速改變轉差率的方法很多，常用的方案有改變異步電動機的定子電壓調速，采用電磁轉差（或滑差）離合器調速，轉子回路串電阻調速以及串極調速。前兩種方法適用于鼠籠式異步電動機，后者適合于繞線式異步電動機。這些方案都能使異步電動機實現(xiàn)平滑調速，但共同的缺點是在調速過程中存在轉差損耗，即在調節(jié)過程中轉子繞組均產(chǎn)生大量的鋼損耗（ ）(又稱轉差功率)，使轉子發(fā)熱，系統(tǒng)效率降低。 2.改變電動機的極對數(shù)通過改變定子繞組的連接方式來實現(xiàn)。

3、變極調速是改變異步電動機的同步轉速 所以一般稱變極調速的電動機為多速異步電動機。 3.變頻調速通過改變定子繞組的電壓供電頻率f1來實現(xiàn)。當轉差率s 一定時，電動機的轉速n 基本上正比于f1。很明顯，只要有輸出頻率可平滑調節(jié)的變頻電源，就能平滑、無極地調節(jié)異步電動機的轉速。10.1 三相異步電動機的降定子電壓調速三相異步電動機的降定子電壓調速 調壓調速是一種比較簡單的調方法，控制電路價格較低。但是低速時轉子銅耗較大，效率較低。 其特點和性能為：1）三相異步電動機降壓調速方法比較簡單；2）對于一般的鼠籠式異步電動機，拖動恒轉矩負載時，調速范圍很小，沒多大實用價值；3）若拖動泵類負載時，如通風機，降

4、壓調速有較好調速效果，但在低速運行時，由于轉差率s 增大，消耗在轉子電路的轉差功率增大，電機發(fā)熱嚴重；4）低速時，機械性能太軟，其調速范圍和靜差率達不到生產(chǎn)工藝的要求；5）采用下述閉環(huán)控制系統(tǒng)的調速范圍一般為10:1。降壓調速方法的改進 若要求低速時機械特性較硬，即在一定靜差率下有較寬的調速范圍，又保證電機具有一定的過載能力，可采用轉速負反饋降壓調速閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框圖及靜特性如圖示。 10.2 繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速轉子回路中接入調速阻，增大轉子的轉差率，轉速下降。曲線1是固有機械特性曲線2、3、4是接入附加電阻 轉子回路串電阻屬恒轉矩調速方

5、法，其特點和性為：1）繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速方法簡單，調速設備簡單，易于實現(xiàn);2）調速方法為分段多級調節(jié)，為有級調速系統(tǒng)，且調速的平滑性較差;3）不利于空載或輕載調速，表現(xiàn)于轉速變化很小; 4）低速時轉差率s大。轉差功率大，轉子回路中的功率損耗大，效率低，發(fā)熱嚴重經(jīng)濟性差;5）調速范圍不大，一般為（23）1，負載小時，調速范圍更小。這種調速方法多用于起重機一類的對調速性能要求不高的場合，對泵類負載也能應用。10.3 鼠籠式三相異步電動機的變極調速 電源頻率保持不變、改變定子繞組的極對數(shù)，也可能改變同步轉速，從而改變轉子轉速。變極調速中，當定子繞組的接線方式改變的同時，還需要改變定子

6、繞組的相序；即倒換定子電流的相序，以保證變極調速前后電動機的轉向不變，即要求磁通旋轉方向不變。 變極電機定子繞組的繞制方法有： 雙繞組變極； 單繞組變極。1.變級原理 由 知：改變異步電動機的定子繞組的極對數(shù)p ，可以改變磁通勢的同步轉速n1，由于轉差率s不變，則轉速得到了調節(jié)。 三相鼠籠式異步電動機定子繞組極對數(shù)的改變，是通過改變繞組的接線方式實現(xiàn)的。如圖 (a) 所示的一個四極電機 A 相定子繞組的兩個線圈頭尾相連時（正向串聯(lián)），具有四個磁極 (2p=4) ；如果將定子繞組的聯(lián)接方式改成如圖 (b)或 (c) 的形式，根據(jù)每相繞組中，一半線圈的電流方向，用右手螺旋定則確定出磁通方向，此時定

7、子繞組具有兩個磁極(2p=2) 。由此可見，讓半相繞組的電流方向，就能使極對數(shù)減半，從而使同步轉速增加一倍，運行的轉速也接近成倍變化。 (a) 正向串聯(lián) (b) 反向串聯(lián) (c) 反向并聯(lián) 2. 變極調速的特點和性能（1）變極調速設備簡單，體積小，重量輕，運行可靠，操作方便；（2）變極調速的機械特性較硬，可實現(xiàn)恒轉矩調速和接近恒功率調速，且轉差功率損耗基本不變，效率較高；（3）變極調速方法為有級調速，且調速的級數(shù)不多，一般最多為四級。普遍應用于各種機床、起重機和輸送機等設備上；（4）變極調速的平滑性較差。為了改進調速的平滑性，可采用變極調速與降壓調速相結合的方法。從而擴大了調速范圍，又減小了低

8、速損耗。10.4 變頻調速改變電源頻率，改變同步轉速，使轉速變化。異步電動機的變壓變頻調速系統(tǒng)一般簡稱變頻調速系統(tǒng)，由于調速時轉差功率不變，在各種異步電動機調速系統(tǒng)中效率最高，同時性能最好，是交流調速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。 1.變頻調速的基本要求主磁通 保持不變，因為 增大將引起磁路過飽和，勵磁電流大大增加， 減小將使最大轉矩、過載能力下降。 mmm2. 變頻調速原理及其機械特性改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率f1，可以改變同步轉速n1 ，從而改變轉速。如果頻率 f1連續(xù)可調，則可平滑的調節(jié)轉速，如略去異步電動機定子阻抗壓降，則 mNKNfEU11144. 4如果改變頻率f1 ，且保持

9、定子電源電壓u1 不變，則氣隙每極磁通 將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率f1時，必須同時降低電源電壓，以達到控制磁通 的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調速和基頻以上調速兩種情況。 mm10.4.1 基頻以下變頻調速為要使保持 不變，隨頻率變化，電動勢也將隨之按正比例變化，即m 恒磁通變頻調速機械特性1f 1f 1f 1f1111ffff TmTNT01n1n1n 1n n常數(shù)mNKNfE111144. 4為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率 時，保持 為常數(shù)，使氣隙每極磁通 為常數(shù)，應使電壓和

10、頻率按比例的配合調節(jié)。這時，電動機的電磁轉矩為 （a） 基頻以下調速（ 常數(shù)）（b）基頻以上調速（ =常數(shù)） 10.4.2 基頻以上變頻調速在基頻以上變頻調速時，也按比例身高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為UN不變，頻率f1 越高，磁通 越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當于他勵直流電動機弱磁調速。保持UN =常數(shù),升高頻率時，電動機的電磁轉矩為m變頻調速的特點和性能（1）變頻調速設備（簡稱變頻器）結構復雜，價格昂貴，容量有限。需要專用的變頻電源，應用上受到一定限制。但隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器向著簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜、操作方便等趨勢發(fā)展；（2）變頻器具有機械特性較硬，靜差率小

11、，轉速穩(wěn)定性好，精度高、效率較高, 調速范圍廣（可達10：1），平滑性高等特點；可實現(xiàn)無級調速；（3）變頻調速時，轉差率 s 較小，則轉差功率損耗較小，效率較高；（4）可以證明：變頻調速時，基頻下的調速為恒轉矩調速方式；基頻調速以上時，近似為恒功率調速方式；（5）變頻調速器已廣泛用于生產(chǎn)機械等很多領域內。 三相異步電動機的運行與拖動 小結 摘要：本章介紹了三相異步電動機的機械特性的三個表達式。固有機械特性和人為機械特性，闡述了三相異步電動機的起動、調速和制動的各種方法、特點和應用。 1. 三相異步電動機的機械特性表達式（1）物理表達式（2）參數(shù)表達式（3）實用表達式 當三相異步電動機在額定負載

12、范圍內（ ）運行時，實用表達式可以得到簡化的線性表達式（近似公式）為2. 三相異步電動機的固有機械特性和人為機械特性：（1）固有機械特性三相異步電動機的定子加額定頻率的額定電壓下，定子繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)結，定子及轉子回路不外接任何電器元件的條件下的機械特性稱為固有機機械特性。此特性上有四個重要特殊點：2）額定工作點，其特點是： 1）理想空載點，其特點是： 3）起動工作點，其特點是： 4）臨界工作點，其特點是： 且最大轉矩為 臨界轉差率為式中“”號適用于電動機狀態(tài)；式中“”號適用于發(fā)電機狀態(tài)。（2）人為機械特性： 降低定子回路端的人為機械特性； 定子回路串接三相對稱電抗或電阻時的人為機械特性

13、； 轉子回路串接三相對稱電阻時的人為機械特性； 改變定子電源頻率的人為機械特性（變頻原理）3.三相異步電動機的起動（1）直接起動：只有在電網(wǎng)或供電變壓器容量允許的前提下才能采用。一般用于容量小于7.5kw 的鼠籠式異步電動機的直接起動。（2）鼠籠式異步電動機的降壓起動：如定子回路串接電抗或電阻，自耦變壓器，。（3）繞線式異步電動機的起動：如轉子回路串接電阻或頻敏變阻器。4. 三相異步電動機的制動（1）能耗制動：其特點是在定子兩相繞組上加上直流電壓或電流，產(chǎn)生制動轉矩，使電機停車，機械特性由第一象限轉為第二象限。（2）反接制動：分為定子兩相反接的反接制動和倒拉反接制動兩種。其特點是n1 與n反向

14、，若是定子電流反接制動（產(chǎn)生反抗性轉矩），則T 與TL同向，機械特性由第一象限轉為第二象限，使電機迅速停車（當n 0時要及時拉開電源，否則反轉）；若是倒拉反接制動（產(chǎn)生反抗性轉矩），則T 與TL仍反向，機械特性由第一象限轉為第四象限，電機反轉使重物勻速下降。（3）回饋制動：其特點是n n1 ,電磁轉矩T和轉差率s 均為負值，機械特性曲線是第一象限中電動機狀態(tài)下的機械特性在第二象限的延伸。5.三相異步電動機的各種運行狀態(tài)。（1）電動狀態(tài)：其特點為1）T 與 n 方向相同，T為拖動性轉矩；2）n n1，即0 s1；3）機械特性及其穩(wěn)定特性在第一、三象限；4）電機向電網(wǎng)吸收電能，并轉變?yōu)闄C械能，從電機軸上輸出。（2）制動狀態(tài)：其特點為1）T 與 n方向相反，T 為制動性轉矩；2）機械特性及其穩(wěn)定特性在第二、四象限；3）電機從軸上吸收電能，并轉變?yōu)殡娔?，但能量關系還隨制動狀態(tài)不同而異。6三相異步電動機的調速。（1）改變轉差率S調速：常用的方案有1）改變定子電壓調速；2）轉子回路串電阻調速；3）電磁轉差離合器調速；4）串級調速。這些調速方法除串級調速外，設備簡單，起動性能好，隨著轉差率的增加，機械性能變軟，功率被消耗在轉子回路或電磁轉差離合器的電樞上，效率降低。為了提高機械性能的硬度，擴大調速范圍，必須采用轉速負反饋閉環(huán)調速