第10章 三相交流电动机的调速.

1、第第10章章 三相交流电动机三相交流电动机的调速的调速2异步电动机的转速公式异步电动机的转速公式 三相异步电动机的三相异步电动机的调速方法调速方法很多，主要包括：很多，主要包括：改变转差率调速改变转差率调速。包括改变电动机定子电源电压、。包括改变电动机定子电源电压、绕线式异步电动机转子回路串电阻、利用转差离合绕线式异步电动机转子回路串电阻、利用转差离合器、串级调速双馈调速（适用于绕线式异步电动机）器、串级调速双馈调速（适用于绕线式异步电动机）等；改变旋转磁场的同步转速调速。包括改变定子等；改变旋转磁场的同步转速调速。包括改变定子绕组极对数（适用于鼠笼式异步电动机）、改变供绕组极对数（适用于鼠笼

2、式异步电动机）、改变供电电源频率。电电源频率。spfsnn160111310.1 降电压调速降电压调速 10.1.1 降压调速的原理及性能降压调速的原理及性能 如图10.2(a)所示，如果电动机拖动恒转矩性质负载，A点为固有机械特性上的运行点，B和C点为降低电压后的运行点。(a) (b)图图10.2 三相异步电动机降压调速三相异步电动机降压调速1恒转矩负载；恒转矩负载；2泵类负载泵类负载4(a) (b)图图10.2 三相异步电动机降压调速三相异步电动机降压调速1恒转矩负载；恒转矩负载；2泵类负载泵类负载 可见，降压调速方法比较简单，但是，如电压进一步降可见，降压调速方法比较简单，但是，如电压进

3、一步降低，最大转矩减小很快，即使负载特性与机械特性有交点，低，最大转矩减小很快，即使负载特性与机械特性有交点，负载能力严重下降，负载稍有波动，电机就会停转；而且对负载能力严重下降，负载稍有波动，电机就会停转；而且对于一般的鼠笼式异步电动机，降压调速范围很窄，没有多大于一般的鼠笼式异步电动机，降压调速范围很窄，没有多大实用价值。实用价值。 为此，可以采取增加转自电阻和引入速度闭环加以改善。为此，可以采取增加转自电阻和引入速度闭环加以改善。510.1.2 高转差率异步电动机的降压调速分析高转差率异步电动机的降压调速分析 如果要求电动机有较宽的调速范围，则应选用高转差率电动机，如高转差率鼠笼电机、实

4、心转子电机、双层转子电机等。它们具有如图10.2(b)所示的机械特性。值得注意的是，这种软机械特性的电机，在高速运行时，由于转差率较普通电机的大，运行效率要低些；低速运行时，由于降低了供电电压，为保持恒转矩负载，需要更大的电流，除降低效率外，还应注意过热的问题。 610.1.3 调压调速的闭环控制原理调压调速的闭环控制原理 为了提高调压调速机械特性的硬度，采用速度闭环控制系统，其控制原理和机械特性如图10.3所示。当电动机运行于图10.3(b)所示的A点时，这时的负载转矩为TL，系统处于平衡状态。当负载转矩变为TL时，如果没有转速反馈，电动机电压不变，转速应由A点沿同一条机械特性降为C点稳定运

5、行。7 可见，转速变化很大。现在是速度闭环控制，情况就不同了。当电机转速下降时，U减小，这时U未变，偏差电压U增大，使UK增大。 UK增大，角减小，则可控硅输出电压增大，使电动机运行于图10.3(b)中的B点。可见，速度闭环的本质是根据负载的变化，动态调整电源电压大小，从而提高了电机特性的硬度 .8交流电机的基本原理交流电机的基本原理 (a) (b)图10.3 降压调速闭环控制的原理与机械特性分析910.2 绕线式异步电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串电阻调速10.2.1 调速原理调速原理 在绕线式异步电动机的转子回路串入对称电阻的人为机械特性的特点是：理想空载转速不变，最大转矩不变，

6、临界转差率正比于转子总电阻。假设转子绕组本身电阻为r2，串入不同电阻时，其机械特性如图10.1所示。当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩TN，电动机的转差率发生明显变化。显然，所串电阻越大，转速越低。101110.2.2 调速的性能和特点调速的性能和特点调速范围调速范围 这种调整方法对应的最高转速不超过理想空载转，低速运行时机械特性太软，静差度大，因而限制了调速范围.平滑性平滑性 由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性也不好,基本上属有级调整.经济性经济性 这种方法简单、容易实现，初期投资较少。但低速运行时效率低。sspPPCumM:1:1:212调速方式 对于异步电

7、动机而言，当电源电压仍为额定电压时，气隙磁通基本保持不变，如果调速前转子电流为额定值，希望调速后仍为额定值，则有： （9-2） 式中R是转子回路所串联的电阻。 2020222222222()()NEEIrRrxxss定值13必然有： （10-3）已知电磁转矩为: 根据（10-3）可以看出，如果保持调速前后转子电流不变，电磁转矩也不变。因此，转子回路串电阻调速适用于恒转矩的系统，属于恒转矩调速方式。 转子回路功率因数为： (10-4) ()/ (2/ 22122112211xxsrrfsrpUmT22NrrRss常数222222/cosxsRrsRr14考虑式（考虑式（10-3）后，则）后，则

8、(10-5) 当负载为恒转矩性质时，按照电磁转矩当负载为恒转矩性质时，按照电磁转矩的计算公式：的计算公式：211 222/MfPm IrsTp常数常数NNNxsrsrxsRrsRr222222222222cos/cos1510.3 鼠笼式三相异步电动机变极调速鼠笼式三相异步电动机变极调速 10.3.1 变极的原理变极的原理 异步电动机旋转磁场的同步转速与电机极对数成反比，改变鼠笼式三相异步电动机定子绕组的极对数，就改变了旋转磁场的同步转速，实现变极调速。 下面以四极变两极为例，简单说明变极的原理。 16 下图为一台四极三相异步电动机定子下图为一台四极三相异步电动机定子A相绕组接相绕组接线图。每

9、相绕组由两个等效集中线圈正向串联而线图。每相绕组由两个等效集中线圈正向串联而成，以成，以A相为例，相为例，AX绕组为绕组为a1x1与与a2x2头尾串联。头尾串联。当当流过电流时，由绕组产生的磁极数便是四极的。流过电流时，由绕组产生的磁极数便是四极的。 17 如果把之前图中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成为两个线圈尾尾串联，即为反向串联，如图(a)所示。或者为反向并联，如图(b)所示。改变后的相绕组流过电流时产生的脉振磁势的极数都是二极的 。18 从上面分析可以看出，若把三相鼠笼式从上面分析可以看出，若把三相鼠笼式异步电动机的定子绕组每相绕组中一半线异步电动机的定子绕组

10、每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化（称为倍极比电动机的极对数便成倍变化（称为倍极比变极）。因此，同步转速变极）。因此，同步转速n1也成倍变化，也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电机来讲，运行对拖动恒转矩负载运行的电机来讲，运行的转速也接近成倍改变。的转速也接近成倍改变。 19 绕线式异步电动机转子极对数不能自动绕线式异步电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，如果同时改变定、转子随定子极对数变化，如果同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调速。该方法主要适用于鼠笼

11、式异步电动机。速。该方法主要适用于鼠笼式异步电动机。 需要需要说明说明的是，为了保证变极调速时电的是，为了保证变极调速时电动机的转向不变，变极调速的同时，需要改动机的转向不变，变极调速的同时，需要改变绕组的相序或者说是电源的相序。理由很变绕组的相序或者说是电源的相序。理由很简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势旋转方向不变。旋转方向不变。 20 如上图所示，当如上图所示，当p=1时，时，A、 B 、 C三相绕组三相绕组空间分布依次为空间分布依次为0、120和和240电角度。电角度。 p=2时，时，A、 B 、 C三相绕组空间分布依次为三相绕组空间分布依次为

12、0、240和和480（即（即120）电角度。显然在变极后）电角度。显然在变极后 A、B、C三相绕三相绕组的空间相序发生了改变，变成组的空间相序发生了改变，变成A、C、B三相绕三相绕组了。如果电源的相序不变，旋转磁场将反向，电组了。如果电源的相序不变，旋转磁场将反向，电机相应会反转。机相应会反转。 变极前后的定子三相绕组相序变极前后的定子三相绕组相序 21 10.3.2 接线方法接线方法 Y-YY(双双Y)接法接法 将每相绕组分为两部分，如将每相绕组分为两部分，如a1x1和和a2x2 、 b1y1和和b2y2 、 c1z1和和c2z2 ，分别改变每相前半部分的电，分别改变每相前半部分的电流方向（

13、如图中箭头所示），即可实现倍极比变极流方向（如图中箭头所示），即可实现倍极比变极，同时交换了电源相序，以保证转向不变。图，同时交换了电源相序，以保证转向不变。图10.7为为Y-YY接法，图接法，图10.8为为- YY接法。接法。22图图9.8 异步电动机异步电动机-YY变极调速接线变极调速接线图图9.7 9.7 异步电动机异步电动机Y-YYY-YY变极调速接线变极调速接线2310.4 变频调速变频调速 改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，从而达到调速的目的。如果电源频率连续可调，可以平滑调节电动机转速。 9.4.1 从基频向下变频调速从基频向下变频调速 忽略定子漏阻抗压降

14、，三相异步电动机每相电压 (9.7)mWkWfEU1111144. 424 如果如果保持电源电压保持电源电压U1为额定值为额定值，降低电源频率，降低电源频率f1 ，则随着，则随着f1下降，气隙每极磁通下降，气隙每极磁通m增加。电动机增加。电动机磁路本来就刚进入饱和状态，磁路本来就刚进入饱和状态，m增加，磁路过饱增加，磁路过饱和，励磁电流会急剧增加，电机的功率因数下降，和，励磁电流会急剧增加，电机的功率因数下降，负载能力减小，甚至导致无法正常运行。因此，降负载能力减小，甚至导致无法正常运行。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压，有两

15、种控制方法。电压，有两种控制方法。251. 保持保持 常数常数 降低电源频率的同时，保持降低电源频率的同时，保持 常常数，则数，则m=常数，是恒磁通控制方式。常数，是恒磁通控制方式。 11fE11fE 222221111222222211122211122602rxssrfEpfmsrxsrEfpmnsrImPTM26令令可求得：可求得：0dsdT22xrsm常数2211121221LfEpmTm常数pLrpfxrnsnmm60260221221 最大转矩为常数，与频率无最大转矩为常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速落关，并且最大转矩对应的转速落降相等，也就是不同频率的各条降相等，也就是不

16、同频率的各条机械特性是近似平行的，硬度相机械特性是近似平行的，硬度相同。同。 27 上图为保持 常数时，变频调速的机械特性。 11fE28 下面分析恒磁通变频调速的性质。按照容下面分析恒磁通变频调速的性质。按照容许输出的原则，希望调速前后电动机的转子许输出的原则，希望调速前后电动机的转子电电流不变，因此有：流不变，因此有：2122222222121()()()(2)EEIrrxfLssf常数22221222212()(2)()()(2)rLCsfrsfCL222112()1(2) rKsffCL 常数2122212212111122222111141212rfLfCsCrffEpfmrxssr

17、fEpfmT以上分析表明，恒磁通变频调速属于恒转矩性质调速方式。以上分析表明，恒磁通变频调速属于恒转矩性质调速方式。 29 若驱动恒转矩负载，调速前后的稳定若驱动恒转矩负载，调速前后的稳定运行状态下转子电流不变。由于磁通不运行状态下转子电流不变。由于磁通不变，励磁电流恒定，定子电流同样不变。变，励磁电流恒定，定子电流同样不变。即即NNNIIIITT1122,302. 保持保持 常数常数 当降低电源频率时，保持当降低电源频率时，保持 常数，常数，则气隙每极磁通则气隙每极磁通m=常数。这时电动机的常数。这时电动机的电磁转矩为电磁转矩为11fU11fU221221212111221221122112

18、2xxsrrsrffUpmxxsrrfsrpUmT221211121112212111211221221xxrrffUpmxxrrfpUmTm31 由上式可以看出，保持由上式可以看出，保持U1/f1=常数，当常数，当减小减小f1时，最大转矩不等于常数。已知时，最大转矩不等于常数。已知(x1+ x2)与与f1成正比变化，成正比变化， r1与与f1无关。因此，无关。因此，在在f1接近额定频率时，接近额定频率时， r1 s，转速降低了。即转速降低了。即 所以引入附加电势后电机的转差率为所以引入附加电势后电机的转差率为: （9.22） 2222rsErEEsf2EEssf41 由上式看出，调节附加电势

19、的大小，可以调节转速的高低，附加电势越大，电动机的转速越低。反相时的串级调速称为低同步串级调速。当电机空载运行时，I2a接近于零，转差率s值很小，这时电机的空载转差率为 可见，即使电机空载运行，也能进行调速，Ef增大，s增大，显然可以有s等于1或大于1运行情况。 20EEsf42 2. 与与 同相同相 此时的转子电流表达式为 （9.23） 新的平衡点转差率表达式为 （9.24） 根据的相对大小，可分为如下情况:（1） 。这时， ，即电机的转速升高了，但仍低于同步转速。（2） 。这时， ，电机的转速升高了，且以同步转速运行。（3） 。这时， ，电机的转速升高了，运行速度高于同步转速。称为超同步串

20、级调速。.fE.2sE222rEEsIf2sEEf2sEEf2sEEf2EEssfss 00s0s4310.5.2 串级调速的机械特性分析串级调速的机械特性分析 串入附加电势后，电动机的电磁转矩为： (9.25) T1为附加电势为零时的电磁转矩，即依靠电动机自身电磁感应产生的正常电磁转矩；T2为附加电势引起的电磁转矩。图10.18中，曲线1对应 与 反相时的合成机械特性，曲线2对应 时的机械特性，曲线3对应 与 同相时的合成机械特性。通过机械特性曲线，同样可以得出上面所叙述的调速效果。2122222122222212222221)()(TTxrErCxrsErCxrEsErCTsfTjsTjsfTj.fE.2sE.0fE.fE.2sE44 10.18 串级调速串级调速时异步电动机的机械特性曲线时异步电动机的机械特性曲线4510.5.3 异步电动机串级调速系统的组成异步电动机串级调速系统的组成 根据串级调速原理，转子回路需要引入根据串级调速原理，转子回路需要引入与转子感应电势同频率的附加电势。由于转与转子感应电势同频率的附加电势。由于转子感应电势随着转子转速的变化而变化，实子感应电势随着转子转速的