變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

1、9.1.3 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速定子調(diào)壓調(diào)速由異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩和機械特性方程可知，異步電動機的轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正 比。因此，改變異步電動機的定子電壓也就是改變電動機的轉(zhuǎn)矩和機械特性，從而實現(xiàn)調(diào)速， 這是一種比較簡單的方法。尤其是晶閘管技術(shù)的發(fā)展，以及晶閘管“交流開關(guān)”元件的廣泛運 用。交流調(diào)壓電路圖9.4 (a)所示為單相交流反并聯(lián)電路，圖9.4 (b)所示為采用雙向晶閘管的交流調(diào)壓 電路，圖9.4(c)所示為其帶電阻性負(fù)載時的電壓電流波形圖。由圖可知，當(dāng)電源電壓為正 半周時，在控制角為a的時刻觸發(fā)VS1使之導(dǎo)通，電壓過零時，VS1自行關(guān)斷。負(fù)半周時， 在同一控制角a下觸發(fā)VS2,如此不斷重復(fù)

2、，負(fù)載上便得到正負(fù)對稱的交流電壓。改變晶閘 管控制角a的大小就可以改變交流電壓的大小。對于電阻性負(fù)載其電流波形與電壓波形同相 的。晶閘管交流調(diào)壓的觸發(fā)電路在原理上與晶閘管整流所用的觸發(fā)電路是相同的，只是要使 每周期輸出的兩個脈沖彼此沒有公共點且要有良好的絕緣。若晶閘管調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載，其電流波形由于電感上的電流不能突變而有滯后現(xiàn)象，其 波形如圖9.4 (d)所示。圖 9.4 晶閘管交流調(diào)壓電路由于電感性負(fù)載中的電流的波形滯后于電壓的波形，因此，當(dāng)電壓過零變?yōu)樨?fù)的時候電 流經(jīng)過一個延遲角才能降到零，從而晶閘管也要經(jīng)過一個延遲角才能關(guān)斷。延遲角的大小與 控制角a、負(fù)載功率因數(shù)角申都有關(guān)系，這一

3、點與單相整流電路帶電感性負(fù)載十分相似。將三對反并聯(lián)的晶閘管分別接至三相負(fù)載即構(gòu)成了一個典型的三相交流調(diào)壓電路。負(fù)載 可以是Y形連接，也可以是三角形連接，Y形連接的三相異步電機負(fù)載交流調(diào)壓調(diào)速電路 9.4 (e)所示。異步電動機的調(diào)壓特性 一般而言，異步電動機在輕載時，即使外加電壓變化很大，轉(zhuǎn)速變化也很小。而在重載時， 若降低供電電壓，則轉(zhuǎn)速下降，同時最大轉(zhuǎn)矩也迅速下降，可能會出現(xiàn)過載甚至停轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 從而引起電動機過熱甚至燒壞。因此，了解異步電動機調(diào)壓時的機械特性，對于了解如何改 變供電電壓來實現(xiàn)均勻調(diào)速是十分有益的。如圖 9.5所示，對于普通異步電動機，當(dāng)改變定子電壓時，得到一組不同的機械特性

4、。在圖9.5 中，同時畫出了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（直線1）和風(fēng)機水泵類負(fù)載（曲線2）的特性。對于恒轉(zhuǎn)矩 負(fù)載，電動機只能在機械特性的直線段（ 到 段）穩(wěn)定運行，在不同電壓下，穩(wěn)定運行點為 ，改變電壓時速度變化不大，而最大轉(zhuǎn)矩卻迅速減小，所以調(diào)速范圍 非常有限。對于籠型異步電動機，可以將電動機轉(zhuǎn)子的鼠籠由鑄鋁材料改為電阻率較大的黃 銅條，使之具有較傾斜的機械特性。即使這樣，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍仍然不大，而且低速運行穩(wěn) 定不好，不能滿足生產(chǎn)機械的要求。而對于風(fēng)機水泵類負(fù)載，電動機可以穩(wěn)定運行在機械特 性的任何一點，調(diào)壓調(diào)速范圍寬。圖 9.5 異步電機調(diào)壓調(diào)速時的機械特性根據(jù)異步電動機的運行原理，當(dāng)電動機定子接入三

5、相電源后，定子繞組中建立的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流，兩者相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩T。這個轉(zhuǎn)矩將使轉(zhuǎn)子加速直到最后穩(wěn)定運行于低于同步轉(zhuǎn)速 的某一速度 為止。由于旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子具有不同的速度，因此， 傳到轉(zhuǎn)子上的電磁功率與轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生的機械功率之間存在功率差，這個功率差稱為轉(zhuǎn)差功 率，它將通過轉(zhuǎn)子發(fā)熱而消耗掉。在較低速時，轉(zhuǎn)差功率將很大，所以，這種調(diào)壓調(diào)速方法 不太適合于長期工作在低速的工作機械，如要用于這種機械，電動機容量就要適當(dāng)選擇大一 些。二 0如果負(fù)載具有轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的特性，如圖所示曲線 2，則當(dāng)向低速方向調(diào)速時 轉(zhuǎn)矩減小，電磁功率及輸入功率也減小，從而使轉(zhuǎn)差功率較恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時小得多

6、。因此，調(diào) 壓調(diào)速方法更適合于風(fēng)機水泵類的負(fù)載，調(diào)速范圍較寬。這類產(chǎn)品很多，例如：美國 A-B 公司的智能馬達控制器SMC （smart motor controller ），就是在交流電源與電動機之間接入 六個晶閘管元件進行交流調(diào)壓，每相串接兩個反并聯(lián)的晶閘管，使電流可以正、反向流動。 智能馬達控制器具有斜波起動、限流起動、全壓起動、雙斜波起動、泵控制、預(yù)制低速運行、 智能制動、帶制動的低速運行、軟停止、準(zhǔn)確停車、相平衡等控制和故障診斷功能，它還能 與RS-232、RS-485、柔性I/O、Device Net通信，這樣就可以方便地集成到現(xiàn)有的自動控制 系統(tǒng)中去，特別是它的價格比變頻器低得多

7、，因此在調(diào)速精度要求不太高的場合使用較多， 如通風(fēng)機、切碎機、攪拌機、離心泵等。繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞組式異步機轉(zhuǎn)子串電阻時的機械特性如圖 9.6 所示，其中 為轉(zhuǎn)子固有電阻，為串接電阻，且圖 9.6 繞組式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻時的機械特性從特性曲線中可以看到，當(dāng)負(fù)載較大時，調(diào)速效果比較明顯，但此時負(fù)載電流也較大， 所以，串接電阻上的功耗也一定很大，而且，低速時特性較軟，抗負(fù)載擾動能力差。而當(dāng)負(fù) 載較小時，調(diào)速效果就很差。該機械特性具有以下特點：（1）轉(zhuǎn)子串電阻時，同步轉(zhuǎn)速 不變，最大轉(zhuǎn)矩也不變；（2）轉(zhuǎn)子串接電阻越大，機械特性越軟，速度變化也越大；（3）調(diào)速時定子電壓不變，所以電機的主

8、磁通不變；（4）當(dāng)保持轉(zhuǎn)子電流額定值時，調(diào)速前后轉(zhuǎn)矩不變，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。顯然，這種調(diào)速方法也是靠增加轉(zhuǎn)差功率來降低轉(zhuǎn)速的。由于轉(zhuǎn)子中電流很大，在串接 電阻上產(chǎn)生很大損耗，所以電動機的效率很低。同時，這種調(diào)速方法只能是有級的和有觸點 的。由于機械特性很軟，低速運行時負(fù)載稍有變化，轉(zhuǎn)速波動就很大，調(diào)速精度差。繞線式異步電機串級調(diào)速 前面介紹的改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法（調(diào)壓調(diào)速、串電阻調(diào)速等），都是以轉(zhuǎn)差功率損耗為代 價的，效率較低，浪費大。如何將消耗于轉(zhuǎn)子電阻的功率利用起來，同時又能提高調(diào)速性能， 這就是串級調(diào)速方法的指導(dǎo)思想。對于繞線式異步電機，在其轉(zhuǎn)子上不是串入電阻，而是串入與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的附加

9、電勢，這時轉(zhuǎn)子電流I2變?yōu)椋?.2）可見，在轉(zhuǎn)子回路中，串入與E2同相頻率的交流附加電勢 后，如果 與E2同相位 則轉(zhuǎn)子電流 增大，從而使 ，電機轉(zhuǎn)速升高。同理，若 與E2反相，則轉(zhuǎn)子電 流 減小，使電機的轉(zhuǎn)速下降。通過改變 的幅值和相位來實現(xiàn)調(diào)速，同時通過產(chǎn)生 的 電路將轉(zhuǎn)差功率返回到電源去。因此，即使電動機運行在低速，也只有少量功率消耗在轉(zhuǎn)子 電阻上，仍具有較高的效率。串極調(diào)速要求有一個與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的附加電勢，真正實現(xiàn)起來非常困難。因為，轉(zhuǎn) 子電勢的頻率 是隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)差率的變化而變化的。但是，串級的目的是利用附 加電勢和轉(zhuǎn)子電流的相互作用來吸收或提供轉(zhuǎn)差功率，為此，我們可以通過變換的方法，將 轉(zhuǎn)子的交流電壓變成直流電壓 ，再串入直流的附加電勢 ，直流附加電勢由晶閘