異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

1、第十章 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速開始于上世紀(jì)50年代末。在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，原來只用于恒速傳動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了調(diào)速控制，以取代制造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)麻煩的直流電動(dòng)機(jī)。以后，隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，再加上現(xiàn)代控制理論向電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，使得交流調(diào)速技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其設(shè)備容量不斷擴(kuò)大，性能指標(biāo)及可靠性不斷提高，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升，在各工業(yè)部門中，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能、縮小體積、降低成本的目的。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)負(fù)載的要求，人為地或自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為調(diào)速。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式是因此，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有以下幾種方

2、法：（1）改變供電電源的頻率 f ；（2）改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p ；（3）改變轉(zhuǎn)差率s ； 改變轉(zhuǎn)差率可以由改變外施電壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻或電動(dòng)勢(shì)等。)1 (60spfn 1.轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法很多，常用的方案有改變異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓調(diào)速，采用電磁轉(zhuǎn)差（或滑差）離合器調(diào)速，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速以及串極調(diào)速。前兩種方法適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，后者適合于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。這些方案都能使異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但共同的缺點(diǎn)是在調(diào)速過程中存在轉(zhuǎn)差損耗，即在調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)子繞組均產(chǎn)生大量的鋼損耗（ ）(又稱轉(zhuǎn)差功率)，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，系統(tǒng)效率降低。 2.改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)通過改變定子繞組的連接方式來實(shí)現(xiàn)。

3、變極調(diào)速是改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 所以一般稱變極調(diào)速的電動(dòng)機(jī)為多速異步電動(dòng)機(jī)。 3.變頻調(diào)速通過改變定子繞組的電壓供電頻率f1來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)差率s 一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 基本上正比于f1。很明顯，只要有輸出頻率可平滑調(diào)節(jié)的變頻電源，就能平滑、無極地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。10.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的降定子電壓調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的降定子電壓調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡(jiǎn)單的調(diào)方法，控制電路價(jià)格較低。但是低速時(shí)轉(zhuǎn)子銅耗較大，效率較低。 其特點(diǎn)和性能為：1）三相異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速方法比較簡(jiǎn)單；2）對(duì)于一般的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，調(diào)速范圍很小，沒多大實(shí)用價(jià)值；3）若拖動(dòng)泵類負(fù)載時(shí)，如通風(fēng)機(jī)，降

4、壓調(diào)速有較好調(diào)速效果，但在低速運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率s 增大，消耗在轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重；4）低速時(shí)，機(jī)械性能太軟，其調(diào)速范圍和靜差率達(dá)不到生產(chǎn)工藝的要求；5）采用下述閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍一般為10:1。降壓調(diào)速方法的改進(jìn) 若要求低速時(shí)機(jī)械特性較硬，即在一定靜差率下有較寬的調(diào)速范圍，又保證電機(jī)具有一定的過載能力，可采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋降壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理框圖及靜特性如圖示。 10.2 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子回路中接入調(diào)速阻，增大轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速下降。曲線1是固有機(jī)械特性曲線2、3、4是接入附加電阻 轉(zhuǎn)子回路串電阻屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方

5、法，其特點(diǎn)和性為：1）繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單，調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn);2）調(diào)速方法為分段多級(jí)調(diào)節(jié)，為有級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，且調(diào)速的平滑性較差;3）不利于空載或輕載調(diào)速，表現(xiàn)于轉(zhuǎn)速變化很小; 4）低速時(shí)轉(zhuǎn)差率s大。轉(zhuǎn)差功率大，轉(zhuǎn)子回路中的功率損耗大，效率低，發(fā)熱嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)性差;5）調(diào)速范圍不大，一般為（23）1，負(fù)載小時(shí)，調(diào)速范圍更小。這種調(diào)速方法多用于起重機(jī)一類的對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，對(duì)泵類負(fù)載也能應(yīng)用。10.3 鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速 電源頻率保持不變、改變定子繞組的極對(duì)數(shù)，也可能改變同步轉(zhuǎn)速，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。變極調(diào)速中，當(dāng)定子繞組的接線方式改變的同時(shí)，還需要改變定子

6、繞組的相序；即倒換定子電流的相序，以保證變極調(diào)速前后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，即要求磁通旋轉(zhuǎn)方向不變。 變極電機(jī)定子繞組的繞制方法有： 雙繞組變極； 單繞組變極。1.變級(jí)原理 由 知：改變異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的極對(duì)數(shù)p ，可以改變磁通勢(shì)的同步轉(zhuǎn)速n1，由于轉(zhuǎn)差率s不變，則轉(zhuǎn)速得到了調(diào)節(jié)。 三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)的改變，是通過改變繞組的接線方式實(shí)現(xiàn)的。如圖 (a) 所示的一個(gè)四極電機(jī) A 相定子繞組的兩個(gè)線圈頭尾相連時(shí)（正向串聯(lián)），具有四個(gè)磁極 (2p=4) ；如果將定子繞組的聯(lián)接方式改成如圖 (b)或 (c) 的形式，根據(jù)每相繞組中，一半線圈的電流方向，用右手螺旋定則確定出磁通方向，此時(shí)定

7、子繞組具有兩個(gè)磁極(2p=2) 。由此可見，讓半相繞組的電流方向，就能使極對(duì)數(shù)減半，從而使同步轉(zhuǎn)速增加一倍，運(yùn)行的轉(zhuǎn)速也接近成倍變化。 (a) 正向串聯(lián) (b) 反向串聯(lián) (c) 反向并聯(lián) 2. 變極調(diào)速的特點(diǎn)和性能（1）變極調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，操作方便；（2）變極調(diào)速的機(jī)械特性較硬，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和接近恒功率調(diào)速，且轉(zhuǎn)差功率損耗基本不變，效率較高；（3）變極調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，且調(diào)速的級(jí)數(shù)不多，一般最多為四級(jí)。普遍應(yīng)用于各種機(jī)床、起重機(jī)和輸送機(jī)等設(shè)備上；（4）變極調(diào)速的平滑性較差。為了改進(jìn)調(diào)速的平滑性，可采用變極調(diào)速與降壓調(diào)速相結(jié)合的方法。從而擴(kuò)大了調(diào)速范圍，又減小了低

8、速損耗。10.4 變頻調(diào)速改變電源頻率，改變同步轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速變化。異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時(shí)性能最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。 1.變頻調(diào)速的基本要求主磁通 保持不變，因?yàn)?增大將引起磁路過飽和，勵(lì)磁電流大大增加， 減小將使最大轉(zhuǎn)矩、過載能力下降。 mmm2. 變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電電源的頻率f1，可以改變同步轉(zhuǎn)速n1 ，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率 f1連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如略去異步電動(dòng)機(jī)定子阻抗壓降，則 mNKNfEU11144. 4如果改變頻率f1 ，且保持

9、定子電源電壓u1 不變，則氣隙每極磁通 將增大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)鐵芯磁路飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)，這是不允許的。因此，降低電源頻率f1時(shí)，必須同時(shí)降低電源電壓，以達(dá)到控制磁通 的目的。對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況。 mm10.4.1 基頻以下變頻調(diào)速為要使保持 不變，隨頻率變化，電動(dòng)勢(shì)也將隨之按正比例變化，即m 恒磁通變頻調(diào)速機(jī)械特性1f 1f 1f 1f1111ffff TmTNT01n1n1n 1n n常數(shù)mNKNfE111144. 4為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率 時(shí)，保持 為常數(shù)，使氣隙每極磁通 為常數(shù)，應(yīng)使電壓和

10、頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 （a） 基頻以下調(diào)速（ 常數(shù)）（b）基頻以上調(diào)速（ =常數(shù)） 10.4.2 基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，也按比例身高電源電壓時(shí)不允許的，只能保持電壓為UN不變，頻率f1 越高，磁通 越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當(dāng)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速。保持UN =常數(shù),升高頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為m變頻調(diào)速的特點(diǎn)和性能（1）變頻調(diào)速設(shè)備（簡(jiǎn)稱變頻器）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，容量有限。需要專用的變頻電源，應(yīng)用上受到一定限制。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器向著簡(jiǎn)單可靠、性能優(yōu)異、價(jià)格便宜、操作方便等趨勢(shì)發(fā)展；（2）變頻器具有機(jī)械特性較硬，靜差率小

11、，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，精度高、效率較高, 調(diào)速范圍廣（可達(dá)10：1），平滑性高等特點(diǎn)；可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；（3）變頻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率 s 較小，則轉(zhuǎn)差功率損耗較小，效率較高；（4）可以證明：變頻調(diào)速時(shí)，基頻下的調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；基頻調(diào)速以上時(shí)，近似為恒功率調(diào)速方式；（5）變頻調(diào)速器已廣泛用于生產(chǎn)機(jī)械等很多領(lǐng)域內(nèi)。 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與拖動(dòng) 小結(jié) 摘要：本章介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的三個(gè)表達(dá)式。固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性，闡述了三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法、特點(diǎn)和應(yīng)用。 1. 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式（1）物理表達(dá)式（2）參數(shù)表達(dá)式（3）實(shí)用表達(dá)式 當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載

12、范圍內(nèi)（ ）運(yùn)行時(shí)，實(shí)用表達(dá)式可以得到簡(jiǎn)化的線性表達(dá)式（近似公式）為2. 三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性：（1）固有機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的定子加額定頻率的額定電壓下，定子繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)結(jié)，定子及轉(zhuǎn)子回路不外接任何電器元件的條件下的機(jī)械特性稱為固有機(jī)機(jī)械特性。此特性上有四個(gè)重要特殊點(diǎn)：2）額定工作點(diǎn)，其特點(diǎn)是： 1）理想空載點(diǎn)，其特點(diǎn)是： 3）起動(dòng)工作點(diǎn)，其特點(diǎn)是： 4）臨界工作點(diǎn)，其特點(diǎn)是： 且最大轉(zhuǎn)矩為 臨界轉(zhuǎn)差率為式中“”號(hào)適用于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；式中“”號(hào)適用于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。（2）人為機(jī)械特性： 降低定子回路端的人為機(jī)械特性； 定子回路串接三相對(duì)稱電抗或電阻時(shí)的人為機(jī)械特性

13、； 轉(zhuǎn)子回路串接三相對(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性； 改變定子電源頻率的人為機(jī)械特性（變頻原理）3.三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)（1）直接起動(dòng)：只有在電網(wǎng)或供電變壓器容量允許的前提下才能采用。一般用于容量小于7.5kw 的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)。（2）鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)：如定子回路串接電抗或電阻，自耦變壓器，。（3）繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)：如轉(zhuǎn)子回路串接電阻或頻敏變阻器。4. 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)（1）能耗制動(dòng)：其特點(diǎn)是在定子兩相繞組上加上直流電壓或電流，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)停車，機(jī)械特性由第一象限轉(zhuǎn)為第二象限。（2）反接制動(dòng)：分為定子兩相反接的反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)兩種。其特點(diǎn)是n1 與n反向

14、，若是定子電流反接制動(dòng)（產(chǎn)生反抗性轉(zhuǎn)矩），則T 與TL同向，機(jī)械特性由第一象限轉(zhuǎn)為第二象限，使電機(jī)迅速停車（當(dāng)n 0時(shí)要及時(shí)拉開電源，否則反轉(zhuǎn)）；若是倒拉反接制動(dòng)（產(chǎn)生反抗性轉(zhuǎn)矩），則T 與TL仍反向，機(jī)械特性由第一象限轉(zhuǎn)為第四象限，電機(jī)反轉(zhuǎn)使重物勻速下降。（3）回饋制動(dòng)：其特點(diǎn)是n n1 ,電磁轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)差率s 均為負(fù)值，機(jī)械特性曲線是第一象限中電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的機(jī)械特性在第二象限的延伸。5.三相異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)。（1）電動(dòng)狀態(tài)：其特點(diǎn)為1）T 與 n 方向相同，T為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；2）n n1，即0 s1；3）機(jī)械特性及其穩(wěn)定特性在第一、三象限；4）電機(jī)向電網(wǎng)吸收電能，并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從電機(jī)軸上輸出。（2）制動(dòng)狀態(tài)：其特點(diǎn)為1）T 與 n方向相反，T 為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；2）機(jī)械特性及其穩(wěn)定特性在第二、四象限；3）電機(jī)從軸上吸收電能，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但能量關(guān)系還隨制動(dòng)狀態(tài)不同而異。6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。（1）改變轉(zhuǎn)差率S調(diào)速：常用的方案有1）改變定子電壓調(diào)速；2）轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速；3）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；4）串級(jí)調(diào)速。這些調(diào)速方法除串級(jí)調(diào)速外，設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)性能好，隨著轉(zhuǎn)差率的增加，機(jī)械性能變軟，功率被消耗在轉(zhuǎn)子回路或電磁轉(zhuǎn)差離合器的電樞上，效率降低。為了提高機(jī)械性能的硬度，擴(kuò)大調(diào)速范圍，必須采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速