諸星秀樹-電力拖動基礎(chǔ)第10講

3.2.9繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動

繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動電路圖如圖3-17所示。起動時，將接觸器觸點KM斷開，電動機轉(zhuǎn)子繞組串入頻敏變阻器起動。起動結(jié)束后，將接觸器觸點KM閉合，切除頻敏變阻器，電動機進行正常運行。圖3-17

所謂頻敏變阻器實際上就是一個只有一次繞組的三相心式變壓器，其三相繞組為Y聯(lián)結(jié)。所不同的只是它的鐵心是由幾片或十幾片較厚的鋼板或鐵板制成，板的厚度一般為30~50mm。因為頻敏變阻器中磁通密度取得較高，鐵心處于飽和狀態(tài)，磁路的磁阻非常大，故勵磁電流非常大、勵磁電抗非常小。而鐵心是厚鐵板或厚鋼板疊成的，磁滯損耗和渦流損耗都很大，因此頻敏變阻器的勵磁電阻非常大。

頻敏變阻器每一相的等效電路與變壓器空載運行時的等效電路是一致的，于是，頻敏變阻器的等效阻抗相當于變壓器的勵磁阻抗和一次繞組漏阻抗之和。由于頻敏變阻器的鐵耗非常大，所以與之對應的勵磁電阻非常大，即頻敏變阻器得勵磁電阻遠遠大于其勵磁電抗。當忽略頻敏變阻器的勵磁電抗和繞組的漏電抗時，頻敏變阻器的阻抗近似等于頻敏變阻器的電阻，而頻敏變阻器的電阻為式中，Rp為頻敏變阻器的等效阻抗；R1為頻敏變阻器線圈的電阻；Rm為反映頻敏變阻器鐵心中渦流損耗的等效電阻，稱勵磁電阻。

由于渦流損耗與鐵心中磁通變化的頻率的平方成正比，當頻率變化時，Rm發(fā)生顯著變化，所以稱為頻敏變阻器。

采用頻敏變阻器作為繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組中串入的起動電阻時，由于轉(zhuǎn)子電流的頻率f2=sf1(f1為電動機定子繞組所接電源的頻率，s為電動機的轉(zhuǎn)差率）。起動時，s=1，f2=f1，轉(zhuǎn)子電流的頻率非常高，其在頻敏變阻器的鐵心中產(chǎn)生的磁通的頻率也非常高，頻敏變阻器鐵心中的渦流損耗也非常大，隨之它的等效電阻Rm也很大，相當于此時在轉(zhuǎn)子繞組的回路中傳入了一個很大的起動電阻，所以限制了三相異步電動機的起動電流，并提高了起動轉(zhuǎn)矩。起動后，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，電動機的轉(zhuǎn)差率s變小，轉(zhuǎn)子電流的頻率f2逐漸降低，于是頻敏變阻器的渦流損耗減小，等效電阻Rm跟著減小，從而起動自行切除電阻的作用。由此可見，采用頻敏變阻器起動，能自動地減小電阻，使電動機平穩(wěn)地起動起來。只要頻敏變阻器的等效電阻大小合適，就可以得到較大的、近于恒起動轉(zhuǎn)矩的機械特性。

如上所述，采用轉(zhuǎn)子繞組串頻敏變阻器起動，避免了逐段切除起動電阻后所引起的轉(zhuǎn)矩的沖擊，整個過程中轉(zhuǎn)矩曲線是平滑的。頻敏變阻器是一種靜止的無觸點變阻器，其結(jié)構(gòu)簡單，材料和加工要求低，使用壽命長，維護方便。一般情況下，重載起動時輕載起動時3.3三相異步電動機的調(diào)速3.3.1

三相異步電動機的調(diào)速性能

直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，在對調(diào)速性能要求較高的場合，多應用直流電沒動機進行拖動。然而，直流電動機也存在致命的弱：直流換向所產(chǎn)生的火花限制了直流電動機向高速、大容量發(fā)展。近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速有取代直流調(diào)速的趨勢。

調(diào)速的性能指標：（1）調(diào)速范圍大；（2）靜差率??；（3）平滑性好；（4）結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便常用調(diào)速方法：（1）變極調(diào)速；（2）變頻調(diào)速；（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速其中改變電動機的轉(zhuǎn)差率s有許多方法。當負載轉(zhuǎn)矩TL不變時，與其平衡的電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te也應不變。于是，當頻率f1和極對數(shù)p一定時，轉(zhuǎn)差率s是下列各物理量的函數(shù)得三相異步電動機轉(zhuǎn)速的表達式由因此，改變電動機的轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法有以下幾種：（1）改變施加于電動機定子繞組的端電壓U1，即降電壓調(diào)速，為此需用調(diào)壓器調(diào)壓；（2）改變電動機定子繞組電阻R1，即定子繞組串電阻調(diào)速，為此需在定子繞組串聯(lián)外加電阻。（3）改變電動機定子繞組漏電抗X1s，即定子繞組串電抗器調(diào)速，為此需在定子繞組串聯(lián)外加電抗器。（4）改變電動機轉(zhuǎn)子繞組電阻R2，即轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速，為此需采用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機，在轉(zhuǎn)子回路串入外加電阻。（5）改變電動機轉(zhuǎn)子繞組漏電抗X2s，即轉(zhuǎn)子回路串電抗器調(diào)速，為此需采用繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機，在轉(zhuǎn)子回路串入電抗器或電容器。此外，還有串級調(diào)速、電磁滑差離合器調(diào)速等。三相異步電動機的機械特性參數(shù)表達式三相異步電動機改變定子繞組電壓時的人為機械特性的特點是：1）同步轉(zhuǎn)速不變2）臨界轉(zhuǎn)差率不變3）異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te(包括最大轉(zhuǎn)矩Tmax）與定子繞組電壓U1的平方成正比地下降3.3.2降低定子繞組電壓調(diào)速改變異步電動機定子電壓的人為特性圖a)

若為恒轉(zhuǎn)矩負載，當定子繞組電壓降低時，調(diào)速范圍很窄，往往滿足不了生產(chǎn)機械的要求。

若為風機、泵類負載，當定子繞組電壓降低時，可以得到較寬的調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)子電路電阻較高時改變定子電壓的人為特性圖3-21b)

對于恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速，可以通過設(shè)計具有較大轉(zhuǎn)子電阻的高轉(zhuǎn)差率籠型異步電動機來獲得較寬的調(diào)速范圍，如圖3-21b)所示。從圖中可見，降壓時得到了較大的調(diào)速范圍，但特性太軟，其靜差率常常不能滿足生產(chǎn)機械的要求，而且低壓時的過載能力較低，負載的波動稍大，電動機有可能停轉(zhuǎn)。

為了提高調(diào)壓調(diào)速機械特性的硬度，可以采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

降壓調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也非恒功率調(diào)速，它最適用于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的負載，如風機類負載，也可用于恒轉(zhuǎn)矩負載，最不適用恒功率負載。

降壓調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也非恒功率調(diào)速，它最適用于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小的負載，如風機類負載，也可用于恒轉(zhuǎn)矩負載，最不適用恒功率負載。

采用降低定子繞組電壓調(diào)速需要注意：電動機在低速運行時，由于降低了供電電壓，為保持恒轉(zhuǎn)矩負載，電動機的電流會相應增大，除降低了電動機的效率外，還會引起電動機的過熱。3.3.3

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)電阻調(diào)速

繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速也是一種改變轉(zhuǎn)差的調(diào)速方法。圖3-22a)

由繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻多級起動可知，它也能實現(xiàn)調(diào)速，所不同的是：一般起動用的變阻器都是短時工作的，而調(diào)速用的變阻器應為長期工作的。繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速電路如圖3-22a)所示。由式（3-5）可知，在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，有如下關(guān)系式成立上式說明，轉(zhuǎn)差率s將隨著轉(zhuǎn)子回路的總電阻作正比例變化，如圖3-22b）所示，對應于不同電阻時的工作點A、B、C、D。而與上述各工作點對應的電動機的轉(zhuǎn)差率分別為sN、s1、s2、s3。圖3-22b)圖3-22b)

如果圖3-22a)中的KM4閉合，轉(zhuǎn)子未串電阻，則電機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載TL在A運行，電機轉(zhuǎn)速為nA。當需要降低拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速時，KM1斷開，KM2閉合，電阻RW1串入轉(zhuǎn)子電路，電機機械特性變?yōu)镽2+RW1，運行從A點平移到A′，轉(zhuǎn)子電流I2′減小，電磁轉(zhuǎn)矩Te=CTΦmI2′cosφ2降低，使Tem<TL，電動機減速，轉(zhuǎn)差率s增加，引起轉(zhuǎn)子電動勢sE2相應增加，導致轉(zhuǎn)子電流I2′和Tem增加，使系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定點B，重新回到Te=TL，但轉(zhuǎn)速由A降到B。

繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速方法只能從空載轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，調(diào)速范圍不大，負載轉(zhuǎn)矩TL小時，調(diào)速范圍更小。圖3-22b)

在恒轉(zhuǎn)矩負載下，改變圖中KM1、KM2、KM3閉合狀態(tài)，可以得到三條機械特性，所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻的數(shù)值愈大，人為機械特性愈軟。轉(zhuǎn)子電路串接不同電阻時的人為特性轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，轉(zhuǎn)子功率損耗為如果忽略機械損耗，則輸出功率為調(diào)速時轉(zhuǎn)子電路的效率為上式表明，當轉(zhuǎn)速降低，即s增高時，轉(zhuǎn)子損耗功率增高，η下降。由于轉(zhuǎn)子要分級串電阻，體積大、笨重，且為有級調(diào)速。這種方法的另一個缺點是轉(zhuǎn)子串入電阻調(diào)速后，電動機的機械特性變軟，負載轉(zhuǎn)矩稍有變化，即會引起很大的轉(zhuǎn)速波動。

但這種方法具有簡單、初期投資不高的優(yōu)點，適用于恒轉(zhuǎn)矩負載(如起重機)。對于通風機負載也可應用?！纠?-6】一臺三相繞線式異步電動機額定數(shù)據(jù)是：PN=,30kW，U1N=380V，f1N=50Hz，I1N=65.3A，nN=713r/min，極對數(shù)2p=8，KT=2.4，E2N=200V，I2N=97A，電動機拖動的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。假定負載為額定負載，現(xiàn)要求電動機的轉(zhuǎn)速降低到450r/min，試求每相轉(zhuǎn)子繞組中應串入多大電阻？解：（1）電動機的同步轉(zhuǎn)速為（2）電動機的額定轉(zhuǎn)差率為（3）轉(zhuǎn)速為n=450r/min時，電動機的轉(zhuǎn)差率為（4）估算轉(zhuǎn)子繞組每相電阻（5）轉(zhuǎn)子回路每相應串入的調(diào)速電阻因為則

由公式可知，在電源頻率f1不變的條件下，三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速ns與極對數(shù)p成反比，改變極對數(shù)p，就可以改變?nèi)喈惒诫妱訖C的同步轉(zhuǎn)速ns，從而改變電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。這種通過改變定子繞組極對數(shù)p而得到多種轉(zhuǎn)速的電動機稱為變極多速電動機。3.3.4變極調(diào)速1.變極調(diào)速的變極方法

由三相異步電動機的工作原理可知，三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組的極數(shù)必須與定子繞組的極數(shù)相同。因此，變極調(diào)速時，極對數(shù)的改變必須在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組上同時進行。由于籠型異步電動機轉(zhuǎn)子繞組本身沒有固定的極數(shù)，它的極數(shù)隨定子繞組的極數(shù)而改變，變換籠型異步電動機的極數(shù)時，僅改變定子繞組的技術(shù)即可，因此，變極多速異步電動機都采用籠型轉(zhuǎn)子。

變極調(diào)速設(shè)備簡單、運行可靠，是一種比較經(jīng)濟的調(diào)速方法，它屬于有級調(diào)速，適用于不需要平滑調(diào)速的場合。

變極多速三相異步電動機一般有以下三種類型：1）在定子槽內(nèi)放置一套繞組，改變其不同的接線組合，得到不同的極數(shù)，即單繞組變極多速電動機。2）在定子槽內(nèi)放置兩套具有不同極對數(shù)的獨立繞組，即雙繞組雙速電動機。3）在定子槽內(nèi)放置兩套具有不同極對數(shù)的獨立繞組，而每套繞組又可以有不同的接線組合，得到不同的極對數(shù)，雙繞組多速電動機。上述三種方法中，第一種方法繞制簡單，引出線較少，用銅量也較省所以被廣泛采用。

單繞組變極多速電動機的變極方法有以下三種（1）反向變極法；（2）換相變極法；（3）不同節(jié)距變極法。當單繞組變極多速電動機的極數(shù)變更成整數(shù)倍關(guān)系時，稱為倍極比變極多速異步電動機，如2/4極、4/8極等；當單繞組變極多速電動機的極數(shù)變更為非整數(shù)倍關(guān)系時，稱為非倍極比變極多速異步電動機，如4/6極、6/8極等；（1）反向變極法反向變極法的特點是：變極時，把每相繞組里的一半線圈中的電流反向，這個反向可以通過適當?shù)慕泳€變換來實現(xiàn)。反向變極法的優(yōu)點是電動機的引出線少，制造和控制均較方便。但是，各種極數(shù)不能同時得到較高的繞組系數(shù)。

（2）換相變極法上述反向變極法獲得的單繞組多速電動機繞組，優(yōu)點是電動機的引出線少，制造和控制均較方便。但是繞組系數(shù)受到一定的限制，兩種極數(shù)不能同時做到較高的繞組系數(shù)，因而電動機的性能受到一定的影響。換相變極法就是針對這一問題而提出的另一種變極方法。換相變極法與反向變極法的不同之處在于：變極時不僅改變部分線圈的電流方向，而且改變某一部分所屬的相別。用換相變極法獲得的單繞組多速電動機繞組，不同極數(shù)都可以保持較高的繞組系數(shù)，電動機的性能較好，從而彌補了反向變極法的不足。換相變極法的缺點是出線頭較多，制造和控制不如反向變極法方便。因此在單繞組多速異步電動機中，換相變極法很少被采用。但是在單繞組三相異步電動機中，這個缺點相對而言不太明顯，因而換相變極法有一定的應用。

（3）不同節(jié)距變極法在槽電動勢向量圖（又稱槽電動勢星形圖）能得到三相對稱的相繞組電動勢的條件下，一套繞組采用兩種不同的節(jié)距相結(jié)合，也可以達到變極的目的。這種變極方法稱為不同節(jié)距變極法。用這種方法獲得的單繞組三相異步電動機出線頭為9根，比換相變極法的出線頭少，繞組系數(shù)也比較高。以上三種單繞組變極多速異步電動機的變極方法中，反向變極法是最常用的一種，它既可以用于倍極比變極多速異步電動機，也可用于非倍極比變極多速異步電動機。例3-7倍極比單繞組變極多速異步電動機圖3-232/4極電動機反向變極法的原理圖（2極）圖3-242/4極電動機反向變極法的原理圖（4極）例3-8非倍極比單繞組變極多速異步電動機圖3-254/6極電動機反向變極法的原理示意圖a）4極b）6極a）4極b）8極圖3-264/8極電動機反向變極法的原理示意圖2.變極調(diào)速異步電動機三相繞組的聯(lián)結(jié)

采用三相變極法變極時，每相繞組分成兩半，每半稱為“半相繞組”。每相的兩個半相繞組可以采用串聯(lián)或并聯(lián)（見圖3-27和圖3-28）兩種不同的接法。這樣，三相之間一般可以采用一路星形（Y）、兩路星形（2Y或YY）和一路三角形（Δ）聯(lián)結(jié)。下面介紹兩種常用的變極調(diào)速電動機。（1）單繞組雙速電動機Y-YY聯(lián)結(jié)（2）單繞組雙速電動機Δ-YY聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié)改變成兩個并聯(lián)的星形聯(lián)結(jié)三角形聯(lián)結(jié)改變成兩個并聯(lián)的星形聯(lián)結(jié)2.變極調(diào)速異步電動機的機械特性與輸出功率

在討論變極調(diào)速三相異步電動機的機械特性時，只討論幾個特殊點。對應于最大電磁轉(zhuǎn)矩Tmax時的轉(zhuǎn)差率sm，為最大電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩為（1）Y-YY變換時的機械特性與輸出功率假設(shè)每半相繞組的參數(shù)都相等，分別為當Y聯(lián)結(jié)時，每相繞組的參數(shù)為當YY聯(lián)結(jié)時，每相繞組參數(shù)為每相繞組的相電壓為臨界轉(zhuǎn)差率為起動轉(zhuǎn)矩為則Y聯(lián)結(jié)時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩為則YY聯(lián)結(jié)時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)差率為起動轉(zhuǎn)矩為

從上面分析結(jié)果可以看出，Y→YY換接變換調(diào)速時，p→p/2，ns→2ns，臨界轉(zhuǎn)差率sm不變，最大轉(zhuǎn)矩Tmax與起動轉(zhuǎn)矩Tst增加一倍，過載能力與起動能力提高了。其機械特性如圖3-29所示。若拖動恒轉(zhuǎn)矩負載TL運行時，從Y到Y(jié)Y變換調(diào)速，轉(zhuǎn)速幾乎增加了一倍。圖3-29單繞組雙速電動機YY/Y聯(lián)結(jié)變極調(diào)速時的機械特性

假定Y→YY變換調(diào)速運行，電動機功率因數(shù)cosj1及效率h均保持不變。若保持導線中流過額定電流，電動機輸出的功率與轉(zhuǎn)矩為Y聯(lián)結(jié)時YY聯(lián)結(jié)時

由以上分析可見，

Y→YY變換調(diào)速基本屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，適用于恒轉(zhuǎn)矩負載（如起重機等）的調(diào)速。（2）Δ-YY變換時的機械特性與輸出功率當Δ聯(lián)結(jié)時，每相繞組的參數(shù)為當YY聯(lián)結(jié)時，每相繞組參數(shù)為Δ聯(lián)結(jié)時，每相繞組的相電壓為YY聯(lián)結(jié)時，每相繞組的相電壓為臨界轉(zhuǎn)差率為起動轉(zhuǎn)矩為則Δ聯(lián)結(jié)時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩為則YY聯(lián)結(jié)時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)差率為起動轉(zhuǎn)矩為