《電機(jī)技術(shù)應(yīng)用》課件 2.4.2 三相異步電動機(jī)的調(diào)速

三相異步電動機(jī)的調(diào)速異步電動機(jī)

直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀(jì)先后誕生。但在20世紀(jì)的大部分時間里，由于直流傳動具有優(yōu)越調(diào)速性能，因而高性能可調(diào)速傳動都采用直流電動機(jī)，而不變速傳動則采用交流電動機(jī)，直到70年代末這種交直流傳動按調(diào)速分工的格局終于被打破。

直流電動機(jī)存在價格高、維護(hù)困難、需要專門的直流電源等缺點。而交流電動機(jī)具有價格低、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又由于電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的日益成熟，交流電動機(jī)越來越多的應(yīng)用在上述領(lǐng)域，逐漸取代了直流調(diào)速。概述調(diào)速的性能指標(biāo)1.調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)1）調(diào)速范圍D：電動機(jī)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比。

具體采用的調(diào)速方法，要考慮技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如調(diào)速范圍，平滑性，調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備投資、運(yùn)行中的能量損耗和維修費用等。2）靜差率δ：電動機(jī)由理想空載到額定負(fù)載的轉(zhuǎn)速降

nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0的百分比。靜差率

越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好，負(fù)載波動時，轉(zhuǎn)速的變化也越小。3）調(diào)速的平滑性：指相鄰兩級轉(zhuǎn)速的接近程度，用

表示4）調(diào)速時允許輸出的功率和轉(zhuǎn)矩：采用不同的調(diào)速方法時，允許輸出的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律是不同的。

允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，允許輸出的最大功率與轉(zhuǎn)速無關(guān)的調(diào)速方法為恒功率調(diào)速。電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時實際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載決定的。負(fù)載可分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載，這就要求調(diào)速方法和負(fù)載類型相匹配，否則電動機(jī)得不到充分利用。調(diào)速的性能指標(biāo)

如恒功率負(fù)載用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，為了使電動機(jī)不過載，應(yīng)保證低速時電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足要求，則在高速時電動機(jī)得不到充分利用。同理，如恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載用恒功率調(diào)速方法，應(yīng)保證高速時電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足要求，則在低速時電動機(jī)得不到充分利用。所以在調(diào)速時，應(yīng)使調(diào)速方法適應(yīng)負(fù)載的要求，使電動機(jī)既能得到充分利用，又能長期安全運(yùn)行。2.調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：決定于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備投資，能量損耗及維修費用等。調(diào)速的性能指標(biāo)（1）改變定子極對數(shù)p調(diào)速（籠形）（2）改變電源頻率f1

調(diào)速（3）改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速調(diào)壓調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（繞線型）串級調(diào)速調(diào)速方法由上式可知，要調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變下列三個參數(shù)：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速：其中串級調(diào)速屬于改變理想空載轉(zhuǎn)速的方法。1、改變定子電壓調(diào)速

優(yōu)點：簡單，易于實現(xiàn)。

缺點：對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，其調(diào)速范圍很窄，實用價值不大；在電動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，轉(zhuǎn)子電阻上的損耗較大，所以一般不宜在低速下長時間運(yùn)行。

適用范圍：對于通風(fēng)機(jī)負(fù)載而言，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，其調(diào)速范圍寬，所以目前大多數(shù)的風(fēng)扇采用此法。優(yōu)點：簡單，易于實現(xiàn)。缺點：調(diào)速電阻要消耗能量，有級調(diào)速，不平滑。轉(zhuǎn)子的銅損pCu2=sPM，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大，銅損就越多，效率越低。同時電動機(jī)的機(jī)械特性變“軟”，負(fù)載變化時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化顯著。適用范圍：主要用在中、小容量的繞線型異步電動機(jī)中，如交流供電的橋式起重機(jī)。2、轉(zhuǎn)子回路串變阻器調(diào)速

調(diào)速前后cos

2不變，根據(jù)T=CTΦm

I2cos

2可知調(diào)速時允許的轉(zhuǎn)矩不變，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。4極2極3、變級調(diào)速實現(xiàn)方法：雙速電機(jī)定子繞組每相有兩套繞組，改變其中一套繞組的接線，就可以改變定子磁場的極對數(shù)。三Y→反并YY，2p-pY→反串Y，2p-p?→YY，2p-p三種常用變極接線方式3、變級調(diào)速特性曲線

優(yōu)點：設(shè)備簡單、運(yùn)行可靠，機(jī)械特性硬、效率高、損耗小、初期投資小，維護(hù)方便，為了滿足需要采用不同的接線方式，可獲得恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速。

缺點：定子繞組抽頭多，轉(zhuǎn)速只能成倍變化，平滑性差，調(diào)速級數(shù)少，必要時需與齒輪箱配合，才能得到多極調(diào)速。多速電動機(jī)體積比同容量普通籠型電動機(jī)大，運(yùn)行特性稍差，價格貴。

適用范圍：

由電機(jī)學(xué)原理可知，只有定子和轉(zhuǎn)子具有相同的極數(shù)時，電動機(jī)才具有恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。由于鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)能自動地跟隨定子極數(shù)的變化，所以變極對數(shù)調(diào)速只能用于鼠籠式電動機(jī)。采用變極調(diào)速方法的電動機(jī)稱作雙速電機(jī)，由于調(diào)速時其轉(zhuǎn)速呈跳躍性變化，因而只用在對調(diào)速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機(jī)床、金屬切削機(jī)床、通風(fēng)機(jī)、升降機(jī)等。3、變級調(diào)速4、變頻調(diào)速（1）變頻調(diào)速傳動的目的采用變頻器對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，對節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。同時變頻器在省力化、自動化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品合格率方面也有廣泛應(yīng)用。機(jī)械設(shè)備采用變頻調(diào)速傳動，可以增加設(shè)備的使用壽命，減小機(jī)械設(shè)備的噪音，使設(shè)備小型化，工作環(huán)境更具有舒適性。（2）變頻調(diào)速應(yīng)用的行業(yè)生產(chǎn)范圍變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展日趨成熟，在鋼鐵、扎制銅線、化學(xué)、纖維、汽車、電氣機(jī)械、機(jī)床、食品、造紙、水泥、礦業(yè)、煤氣、交通、裝卸搬運(yùn)、工廠建筑、農(nóng)業(yè)、生活服務(wù)、電力、實驗研究、石油等行業(yè)得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。變頻技術(shù)已經(jīng)與我們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。目前，冰箱、空調(diào)、電動車等家用電器已經(jīng)采用相關(guān)的變頻技術(shù)。（1）恒轉(zhuǎn)矩變頻率調(diào)速此條件下變頻調(diào)速，電機(jī)的主磁通和過載能力不變。（2）恒功率變頻率調(diào)速此條件下變頻調(diào)速，電機(jī)的過載能力不變，但主磁通減小。4、變頻調(diào)速

變頻調(diào)速分為恒轉(zhuǎn)矩變頻率調(diào)速和恒功率變頻率調(diào)速。頻率改變將影響磁路的飽和程度、勵磁電流、功率因數(shù)、鐵損及過載能力的大小。為了保持變頻率前、后過載能力不變，要求如下。4、變頻調(diào)速（1）基頻以下變頻調(diào)速為防磁路過飽和，降低f1時保持U1/f1為常數(shù)，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這相當(dāng)于他勵直流電動機(jī)降壓調(diào)速。（2）基頻以上變頻調(diào)速只能保持UN變，f1

越高，Φ0越低，近似為恒功率調(diào)速，這相當(dāng)于他勵直流電動機(jī)的弱磁調(diào)速。缺點：(1)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載能力大為降低，甚至不能帶動負(fù)載。(2)必須有專用的變頻電源，初投資高，是應(yīng)用于泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能中的主要障礙。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品成本逐步提高，其應(yīng)用前景日益廣闊。4、變頻調(diào)速優(yōu)點：機(jī)械特性較硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬，頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)無級調(diào)速?？蓪崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求，低速時特性的靜差率較高，是異步電動機(jī)調(diào)速最有發(fā)展前途的一種方法。適用范圍：(1)要無級調(diào)速，特別是在高速高于100%工頻，低速低于20%工頻的應(yīng)用場合。(2)當(dāng)負(fù)荷經(jīng)常處于輕負(fù)荷下，允許轉(zhuǎn)速在輕負(fù)荷下下降時，如水泵、自動扶梯、空調(diào)及供水系統(tǒng)的送風(fēng)系統(tǒng)等。5、串級調(diào)速附加電動勢引入之前，轉(zhuǎn)子電流的有效值為附加電動勢引入之后，轉(zhuǎn)子電流的有效值為

串級調(diào)速是指在繞線型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入一個與轉(zhuǎn)子同頻率的附加電動勢以實現(xiàn)調(diào)速，該附加電動勢可與轉(zhuǎn)子電動勢的相位同相，也可反相。5、串級調(diào)速

串調(diào)系統(tǒng)的機(jī)械特性比繞線異步電動機(jī)固有機(jī)械特性軟，最大轉(zhuǎn)矩比固有機(jī)械特性的小。在繞線型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入一個大小、相位可以自由調(diào)節(jié)、頻率能自動隨轉(zhuǎn)速變化并始終等于轉(zhuǎn)子頻率的附加電動勢并不容易，在工程上是先將轉(zhuǎn)子電動勢通過整流裝置變成直流電動勢，然后串入一個可控的附加直流電動勢去和它作用，從而避免了隨時變頻的麻煩。

當(dāng)轉(zhuǎn)子串入的附加電勢Ef相位與轉(zhuǎn)子電勢sE20的相位相差180°時，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，稱為次同步調(diào)速。當(dāng)附加電勢Ef相位與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢sE20的相位相同時，串級調(diào)速可向高于同步轉(zhuǎn)速的方向調(diào)速。

按產(chǎn)生直流附加電勢方式的不同，次同步串級調(diào)速系統(tǒng)可分為電氣串級調(diào)速和機(jī)械串級調(diào)速兩種類型。

1、電氣串級調(diào)速系統(tǒng)

直流附加電勢Eβ由逆變器UI產(chǎn)生，改變逆變角就改變了逆變電勢，相當(dāng)于改變了直流附加電動勢Eβ，可實現(xiàn)串級調(diào)速。5、串級調(diào)速

不考慮損耗時，電機(jī)軸輸出機(jī)械功率為，角速度，因為PM/ω為常數(shù)，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。

2、機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖所示。直流附加電勢Eβ由直流電機(jī)產(chǎn)生，通過改變電機(jī)的勵磁電流大小可改變電樞電勢，相當(dāng)于改變直流附加電勢Eβ的值，實現(xiàn)串級調(diào)速。5、串級調(diào)速

在不考慮損耗的情況下，電機(jī)軸輸出機(jī)械功率為：（1-s）P2+sP2=P2=常數(shù)。具有恒功率調(diào)速特性。

優(yōu)點：串級調(diào)速的機(jī)械特性較硬，具有優(yōu)良的平滑無級調(diào)速性能，能將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率吸收后回饋電網(wǎng)，所以串級調(diào)速比轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速效率高，損耗小。缺點：串級調(diào)速的控制設(shè)備復(fù)雜，成本高，控制困難。低速時，轉(zhuǎn)差功率損耗大，功率因數(shù)較低，過載能力較弱。5、串級調(diào)速適用范圍：串級調(diào)速的調(diào)速范圍一般為（2～4）：1，適用于調(diào)速范圍不大的中型容量以上的電力拖動系統(tǒng)中，如大型水泵、風(fēng)機(jī)、礦井提升機(jī)等。異步電動機(jī)幾種調(diào)速方法的對比調(diào)速方法主要優(yōu)點主要缺點變極調(diào)速調(diào)速成本低有級調(diào)速運(yùn)行性能稍差變頻調(diào)速無極調(diào)速運(yùn)行性能好調(diào)速成本高變R2調(diào)速調(diào)速成本低操作簡單損耗大調(diào)速范圍小雙饋電機(jī)調(diào)速范圍大，性能好，無極調(diào)速，節(jié)能調(diào)速成本高控制復(fù)雜調(diào)速方法對比1、三相異步電機(jī)的調(diào)速方法一般有哪些？各有什么特點?

答：三相異步電機(jī)的調(diào)速方法一般有（1）改變定子繞組的磁極對數(shù)p變極調(diào)速；（2）改變供電電源的頻率f1一變頻調(diào)速；（3）改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，方法有改變電壓調(diào)速、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速。特點：變極調(diào)速方法簡單，電動機(jī)繞組引出頭較多，調(diào)速級數(shù)少，級差大，不能實現(xiàn)無級調(diào)速。變頻調(diào)速性能優(yōu)越，即平滑調(diào)速、調(diào)速范圍廣、缺點是系統(tǒng)較復(fù)雜、成本較高。改變轉(zhuǎn)差率s中改變定子電壓調(diào)速，目前已在籠型電機(jī)中廣泛采用晶閘管交流調(diào)壓線路來實現(xiàn)，線路復(fù)雜；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速主要用于中、小容量的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)如橋式起重機(jī)；串級調(diào)速主要是在繞線轉(zhuǎn)子中串加附加電動勢，與轉(zhuǎn)子電動勢同相。思考與練習(xí)3、異步電動機(jī)變極調(diào)速的可能性和原理是什么？答：假設(shè)將一個線圈組集中起來用一個線圈表示，但繞組雙速電動機(jī)的定子每組繞組由兩各項等閑圈的半繞組組成。半繞組串聯(lián)電流相同，當(dāng)兩個半繞組并聯(lián)時電流相反。他們分別代表兩中極對數(shù)?？梢姼淖儤O對數(shù)的關(guān)鍵在于使每相定子繞組中一般繞組內(nèi)的電流改變方向。即改變定子繞組的接線方式來實現(xiàn)改變即對數(shù)調(diào)速的原理。2、什么叫恒功率調(diào)速？什么叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速