第28讲 三相异步电动机的调速之一.

1、第第28讲讲 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速之一之一 1、变极对数调速、变极对数调速 2、变转差率调速、变转差率调速 在宽调速和快速可逆拖动系统中，多采用直流电动机在宽调速和快速可逆拖动系统中，多采用直流电动机拖动，主要是因为直流电动机具有良好的调速性能。拖动，主要是因为直流电动机具有良好的调速性能。 但是直流电动机存在价格高、维护困难、需要专门的但是直流电动机存在价格高、维护困难、需要专门的直流电源等缺点。直流电源等缺点。 而交流电动机具有价格低、运行可靠、维护方便等一而交流电动机具有价格低、运行可靠、维护方便等一系列优点。又由于电力电子技术和计算机技术的日益成熟，系列优点。又由于

2、电力电子技术和计算机技术的日益成熟，交流电动机越来越多的应用在上述领域，逐渐取代了直流交流电动机越来越多的应用在上述领域，逐渐取代了直流调速。调速。 交流电动机调速分为异步电动机调速和同步电动机调速，交流电动机调速分为异步电动机调速和同步电动机调速，根据二者的结构特点，异步电动机一般应用于调速，而同根据二者的结构特点，异步电动机一般应用于调速，而同步电动机一般应用于伺服。步电动机一般应用于伺服。 异步电动机的转速公式：异步电动机的转速公式：由此可知，异步电动机主要有下列三种基本调速方法：由此可知，异步电动机主要有下列三种基本调速方法： （1）改变定子极对数）改变定子极对数p调速；调速； （2）

3、改变转差率）改变转差率s调速；调速； （3）改变电源频率）改变电源频率f1调速。调速。 其中，其中，改变转差率改变转差率s调速调速包括绕线转子电动机的包括绕线转子电动机的转子串电转子串电阻调速阻调速和和定子调压调速定子调压调速。另外，还有一种调速方法叫做。另外，还有一种调速方法叫做双馈双馈调速调速（如（如串级调速串级调速），属于改变理想空载转速的方法。），属于改变理想空载转速的方法。116011()()fnnssp 在电源频率在电源频率f1不变的条件下，改变电动机的极对数不变的条件下，改变电动机的极对数p，电动机的同步转速电动机的同步转速n1就会变化，从而实现转速的调节。就会变化，从而实现转速

4、的调节。变极对数调速的方法有：变极对数调速的方法有：（1）定子铁心槽内嵌放不同极数的三相绕组；）定子铁心槽内嵌放不同极数的三相绕组；（2）改变定子绕组的接法来改变极数（多速电机）。）改变定子绕组的接法来改变极数（多速电机）。注意：注意： 由电机学原理可知，只有定子和转子具有相同的极由电机学原理可知，只有定子和转子具有相同的极数时，电动机才具有恒定的电磁转矩。由于鼠笼式异步数时，电动机才具有恒定的电磁转矩。由于鼠笼式异步电动机的转子极数能自动地跟随定子极数的变化，所以电动机的转子极数能自动地跟随定子极数的变化，所以变极对数调速只能用于鼠笼式电动机。变极对数调速只能用于鼠笼式电动机。 以以4极变极

5、变2极为例说明定子绕组的变极原理。如图所示，极为例说明定子绕组的变极原理。如图所示，为为4极电机极电机U相绕组的两个线圈，每个线圈代表相绕组的两个线圈，每个线圈代表U相绕组的相绕组的一半，称为半相绕组。一半，称为半相绕组。1、变极原理、变极原理 两个半相绕组两个半相绕组顺向串联（头尾相顺向串联（头尾相接）时，根据线圈接）时，根据线圈中电流方向，定子中电流方向，定子绕组产生绕组产生4极磁场，极磁场，即即2p=4，方向如图，方向如图所示。所示。 如果将两个半如果将两个半相绕组的连接方式相绕组的连接方式改变，使其中的一改变，使其中的一个半相绕组个半相绕组U2、U2中电流反向，此时中电流反向，此时定子

6、绕组便产生定子绕组便产生2极磁场。由此可见，极磁场。由此可见，使定子每相的一半使定子每相的一半绕组中电流改变方绕组中电流改变方向，就可以改变磁向，就可以改变磁极对数。极对数。2、三种常用的变极对数接线方法、三种常用的变极对数接线方法 如图所示，图如图所示，图(a)表示由单星形联结改接成并联的双星表示由单星形联结改接成并联的双星形联结；图形联结；图(b)表示由单星形联结改接成反向串联的单星形表示由单星形联结改接成反向串联的单星形联结；图联结；图(c)表示由三角形联结改接成双星形联结。由图可表示由三角形联结改接成双星形联结。由图可见，三种方法都是使每相的一半绕组内的电流改变了方向，见，三种方法都是

7、使每相的一半绕组内的电流改变了方向，因而定子磁场的极对数减少了一半。因而定子磁场的极对数减少了一半。注意：注意：当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序当改变定子绕组接线时，必须同时改变定子绕组的相序(对调对调任意两相绕组出线端任意两相绕组出线端)，以保证调速前后电动机的转向不变。，以保证调速前后电动机的转向不变。 原因如下：例如，当原因如下：例如，当p=1时，时，U、V、W三相绕组在空间分布的电角三相绕组在空间分布的电角度依次为度依次为00、1200、2400；而当变为；而当变为p=2时，三相绕组分别变为时，三相绕组分别变为00、2400、4800(即即1200) ，可见，变极前后相

8、序发生了变化。，可见，变极前后相序发生了变化。 变极调速电动机，有倍极比（如变极调速电动机，有倍极比（如2/4极、极、4/8极等）双极等）双速电动机、非倍极比（如速电动机、非倍极比（如4/6极、极、6/8极等）双速电动机，极等）双速电动机，还有单绕组三速电动机，这种电动机的绕组结构复杂一还有单绕组三速电动机，这种电动机的绕组结构复杂一些。些。 变极对数调速时，转速几乎是成倍变化，所以调速变极对数调速时，转速几乎是成倍变化，所以调速的平滑性差。但它在每个转速等级运转时，和通常的异的平滑性差。但它在每个转速等级运转时，和通常的异步电动机一样，具有较硬的机械特性，稳定性较好。变步电动机一样，具有较硬

9、的机械特性，稳定性较好。变极对数调速既可以用于恒转矩负载，又可用于恒功率负极对数调速既可以用于恒转矩负载，又可用于恒功率负载，所以对于不需要无级调速的生产机械，如金属切削载，所以对于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等都可以采用该调速方法。机床、通风机、升降机等都可以采用该调速方法。异步电动机的变转差率调速包括：异步电动机的变转差率调速包括：（1）绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速；）绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速；（2）串级调速；）串级调速；（3）异步电动机的定子调压调速。）异步电动机的定子调压调速。1、绕线转子异步电动机的、绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速

10、转子串接电阻调速 转子回路串对称电阻时的机转子回路串对称电阻时的机械特性如图所示。转子串电阻时，械特性如图所示。转子串电阻时，n1、Tm不变，不变，sm增大，特性斜率增大，特性斜率增大。当增大。当TL一定时，工作点的转一定时，工作点的转差率随转子串联电阻的增大而增差率随转子串联电阻的增大而增大，转速减小。大，转速减小。这种调速方法的优点：设备简单、易于实现。这种调速方法的优点：设备简单、易于实现。缺点：有级调速，不平滑，低速时转差率较大，使得转子铜缺点：有级调速，不平滑，低速时转差率较大，使得转子铜耗较大，运行效率降低，机械特性变软，负载波动时会引起耗较大，运行效率降低，机械特性变软，负载波动

11、时会引起较大的转速变化。一般应用在起重机一类对调速性能要求不较大的转速变化。一般应用在起重机一类对调速性能要求不高的恒转矩负载上。高的恒转矩负载上。附加电阻的求法：附加电阻的求法：根据异步电机的简化实用表达式：根据异步电机的简化实用表达式：2mmTTss由于转子串电阻时，最大转矩由于转子串电阻时，最大转矩Tm不变，所以：不变，所以：设各参量设各参量sm、s、T在转子串电阻后的量为在转子串电阻后的量为sm1、s1、T1 ，则则由于临界转差率与转子电阻成正比，所以：由于临界转差率与转子电阻成正比，所以：则转子串接的附加电阻可求：则转子串接的附加电阻可求：恒转矩调速时，恒转矩调速时，T=T，如图所示

12、，如图所示，A、B两点：两点：转矩变化调速时，转矩变化调速时，A、D两点。两点。 在负载转矩不变的条件下，异步电动机的电磁功率为常数，转子的铜在负载转矩不变的条件下，异步电动机的电磁功率为常数，转子的铜耗与转差率成正比，故铜耗有称作耗与转差率成正比，故铜耗有称作转差功率转差功率。转子串电阻调速时，转速调。转子串电阻调速时，转速调得越低，铜耗越大，输出功率越小，效率越低，很不经济。得越低，铜耗越大，输出功率越小，效率越低，很不经济。2、绕线转子异步电动机的串级调速、绕线转子异步电动机的串级调速若转子回路不串接电阻，而是串接一个若转子回路不串接电阻，而是串接一个电动势电动势Ead(与转子电动势同频

13、率与转子电动势同频率)，通，通过改变过改变Ead的幅值大小和相位，同样可的幅值大小和相位，同样可以实现调速。以实现调速。 低速运行时，转子中的转差功率只有小部分被转子绕组的电阻所低速运行时，转子中的转差功率只有小部分被转子绕组的电阻所消耗，而其余大部分被附加电动势所吸收，利用产生该附加电动势的消耗，而其余大部分被附加电动势所吸收，利用产生该附加电动势的装置可以把这部分转差功率回馈给电网，使其在低速运行时仍具有较装置可以把这部分转差功率回馈给电网，使其在低速运行时仍具有较高的效率，该方法称为高的效率，该方法称为串级调速串级调速。 串级调速克服了转子串电阻调速的缺点，具有高效率、无级平滑串级调速克

14、服了转子串电阻调速的缺点，具有高效率、无级平滑调速、机械特性较硬等优点。调速、机械特性较硬等优点。串级调速的基本原理：串级调速的基本原理：未串未串Ead时，转子电流为：时，转子电流为：串串Ead时，由于其与转子电动势时，由于其与转子电动势反相反相位位，立即引起转子电流，立即引起转子电流I2减小，即：减小，即： 电动机产生的转矩也随电动机产生的转矩也随I2减小，于是电动机开始减速，转差率减小，于是电动机开始减速，转差率s增大。增大。而随而随s增大，增大， I2开始回升，电磁转矩也回升，直到转速降至某个值，电磁转开始回升，电磁转矩也回升，直到转速降至某个值，电磁转矩与负载转矩平衡，减速过程结束。为

15、矩与负载转矩平衡，减速过程结束。为向低于同步速方向的串级调速向低于同步速方向的串级调速。 当转子串入的当转子串入的Ead与与Eas同相位同相位时，电动机的转速将向时，电动机的转速将向高调节。这是由于高调节。这是由于I2增大了：增大了： 此时，电动机的转矩也随此时，电动机的转矩也随I2增大，转速开始上升，转差率增大，转速开始上升，转差率s减小。随减小。随s减减小，小， I2开始减小，电磁转矩也相应减小，直到转速上升至某个值，电磁转开始减小，电磁转矩也相应减小，直到转速上升至某个值，电磁转矩与负载转矩平衡，升速过程结束。为矩与负载转矩平衡，升速过程结束。为向高于同步速方向的串级调速向高于同步速方向

16、的串级调速。 综上所述，当综上所述，当Ead与与Eas反相位时，电动机在同步速以下调速，称为反相位时，电动机在同步速以下调速，称为低低同步串级调速同步串级调速，此时提供，此时提供Ead的装置从转子电路中吸收电能并回馈给电网；的装置从转子电路中吸收电能并回馈给电网；当当Ead与与Eas同相位时，电动机朝着同步速方向加速，当幅值足够大时，电同相位时，电动机朝着同步速方向加速，当幅值足够大时，电动机的转速甚至超过同步转速，称为动机的转速甚至超过同步转速，称为超同步串级调速超同步串级调速，此时提供，此时提供Ead的装的装置向转子输入电能，同时电源也要向定子电路输入电能，称为电动机的置向转子输入电能，同

17、时电源也要向定子电路输入电能，称为电动机的双双馈运行馈运行。转子外接电压转子外接电压 和转子反电动势和转子反电动势 相位差相位差90假设负载不变，即假设负载不变，即 不变，不变，向量图如图（向量图如图（a）。）。转子回路合成电动势为转子回路合成电动势为与产生的转子电流与产生的转子电流 同向，同向，有功电流为有功电流为I2a，无功电流，无功电流为为I2r，无功电流和气隙磁密，无功电流和气隙磁密 同向，起了励磁电流的作用。同向，起了励磁电流的作用。因此因此若忽略定子边漏抗，如向量图（若忽略定子边漏抗，如向量图（a）所示，可以改善功率因数。）所示，可以改善功率因数。当落后当落后90或某一角度时，自己

18、分析或某一角度时，自己分析。2U2sE2sE2EB102()III 2I异步电动机双馈调速系统组成异步电动机双馈调速系统组成双馈电机转子回路要求能提可控供幅值、频率及相位的电源，办法有两种：双馈电机转子回路要求能提可控供幅值、频率及相位的电源，办法有两种：交交变频器或交直交变频器，如下图。交交变频器或交直交变频器，如下图。M3负载负载变压器变压器逆变桥逆变桥整流器整流器M3负载负载变压器变压器交交变频器交交变频器 由于转子感应电动势的频率是随转速的变化而变化，因此，由于转子感应电动势的频率是随转速的变化而变化，因此，要求再任何转速下，变频器输出的电压要求再任何转速下，变频器输出的电压 应与转子

19、感应电动势应与转子感应电动势同频率，实现方法有同频率，实现方法有他控式他控式和和自控式自控式。（1）他控式是指由独立的频率可控正弦波发生器发出控制信号，）他控式是指由独立的频率可控正弦波发生器发出控制信号，去控制交交变频器，使之产生转差频率电压去控制交交变频器，使之产生转差频率电压 。相当于转子加。相当于转子加交流励磁的同步电动机。在恒转速下，电动机存在着最大电磁交流励磁的同步电动机。在恒转速下，电动机存在着最大电磁转矩，当负载转矩超过此值时，电动机将发生失步现象，同时转矩，当负载转矩超过此值时，电动机将发生失步现象，同时也会出现转子振荡问题。也会出现转子振荡问题。（2）自控式：在异步电动机的

20、转轴上安装转子频率检测器。用）自控式：在异步电动机的转轴上安装转子频率检测器。用此信号控制变频器输出电压此信号控制变频器输出电压 的频率，就可以实现转子频率自的频率，就可以实现转子频率自控。从而避免失步问题。控。从而避免失步问题。2U2U2U绕线式异步电动机双馈调速系统框图绕线式异步电动机双馈调速系统框图负载负载变压器变压器交交交交变频器变频器M3R控制控制装置装置n*n速度检测速度检测转子频转子频率检测率检测实例：晶闸管异步电动机串级调速实例：晶闸管异步电动机串级调速 如果把如果把异步电动机的转子回路感应电动势变为直流电动势，异步电动机的转子回路感应电动势变为直流电动势，同时把外加电压也变为

21、直流量，也能满足同频率的要求。同时把外加电压也变为直流量，也能满足同频率的要求。MsP 如图所示，整流桥把异如图所示，整流桥把异步电动机的转差电动势、电步电动机的转差电动势、电流变成直流；逆变器的作用流变成直流；逆变器的作用是给电机转子回路提供直流是给电机转子回路提供直流的电动势，同时给转子电流的电动势，同时给转子电流提供通路，并把转差功率提供通路，并把转差功率 大部分反馈回电网。大部分反馈回电网。 异步电动机转子感应电动势异步电动机转子感应电动势 ，经三相整流器，经三相整流器后变为直流电动势为：后变为直流电动势为： 逆变器直流侧直流电动势为：逆变器直流侧直流电动势为： 直流回路电流：直流回路

22、电流： 因因R较小，可忽略，得：较小，可忽略，得： 当整流器和逆变器都为三相时，当整流器和逆变器都为三相时，k1=k2，有：，有： 这种调速方法适合于高电压、大容量绕线式异步电动机这种调速方法适合于高电压、大容量绕线式异步电动机拖动风机、泵类负载。拖动风机、泵类负载。1222dcosEEk sEk U11d2s2Ek Ek sE22cosEk UddddEEIEEI RR22cosUsE22sEsE 异步电动机电磁功率为：异步电动机电磁功率为： 机械功率机械功率 转差功率转差功率回馈电源功率：回馈电源功率：电动机输出的功率：电动机输出的功率：效率为：效率为： 11mMMCu1FesM()Ps

23、PPPppPsPBsCu2BPPpp变压器、逆变器、电变压器、逆变器、电抗器及变压器的损耗抗器及变压器的损耗2mmsPPpp2100%PP 如图所示，为串级调速时的机械如图所示，为串级调速时的机械特性。当特性。当Ead与与Eas同相位时，机械特性同相位时，机械特性基本上时向右上方移动；当基本上时向右上方移动；当Ead与与Eas反反相位时，机械特性基本上时向左下方移相位时，机械特性基本上时向左下方移动。动。理想空载转速理想空载转速发生改变，而硬度基发生改变，而硬度基本不变，低速时最大转矩和过载能力降本不变，低速时最大转矩和过载能力降低，启动转矩也减小。低，启动转矩也减小。 串级调速的调速性能比较好，但获得附加电动势的装串级调速的调速性能比较好，但获得附加电动势的装置比较复杂，成本较高，且在低速时电动机的过载能力较置比较复杂，成本较高，且在低速时电动机的过载能力较低，因此串级调速最适用于调速范围不太大（一般为低，因此串级调速最适用于调速范围不太大（一般为2-4）的场合，如通风