第10章 三相交流電動機(jī)的調(diào)速.

1、第第10章章 三相交流電動機(jī)三相交流電動機(jī)的調(diào)速的調(diào)速2異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 三相異步電動機(jī)的三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法調(diào)速方法很多，主要包括：很多，主要包括：改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。包括改變電動機(jī)定子電源電壓、。包括改變電動機(jī)定子電源電壓、繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻、利用轉(zhuǎn)差離合繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻、利用轉(zhuǎn)差離合器、串級調(diào)速雙饋調(diào)速（適用于繞線式異步電動機(jī)）器、串級調(diào)速雙饋調(diào)速（適用于繞線式異步電動機(jī)）等；改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速調(diào)速。包括改變定子等；改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速調(diào)速。包括改變定子繞組極對數(shù)（適用于鼠籠式異步電動機(jī)）、改變供繞組極對數(shù)（適用于鼠籠

2、式異步電動機(jī)）、改變供電電源頻率。電電源頻率。spfsnn160111310.1 降電壓調(diào)速降電壓調(diào)速 10.1.1 降壓調(diào)速的原理及性能降壓調(diào)速的原理及性能 如圖10.2(a)所示，如果電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，A點為固有機(jī)械特性上的運(yùn)行點，B和C點為降低電壓后的運(yùn)行點。(a) (b)圖圖10.2 三相異步電動機(jī)降壓調(diào)速三相異步電動機(jī)降壓調(diào)速1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；2泵類負(fù)載泵類負(fù)載4(a) (b)圖圖10.2 三相異步電動機(jī)降壓調(diào)速三相異步電動機(jī)降壓調(diào)速1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；2泵類負(fù)載泵類負(fù)載 可見，降壓調(diào)速方法比較簡單，但是，如電壓進(jìn)一步降可見，降壓調(diào)速方法比較簡單，但是，如電壓進(jìn)

3、一步降低，最大轉(zhuǎn)矩減小很快，即使負(fù)載特性與機(jī)械特性有交點，低，最大轉(zhuǎn)矩減小很快，即使負(fù)載特性與機(jī)械特性有交點，負(fù)載能力嚴(yán)重下降，負(fù)載稍有波動，電機(jī)就會停轉(zhuǎn)；而且對負(fù)載能力嚴(yán)重下降，負(fù)載稍有波動，電機(jī)就會停轉(zhuǎn)；而且對于一般的鼠籠式異步電動機(jī)，降壓調(diào)速范圍很窄，沒有多大于一般的鼠籠式異步電動機(jī)，降壓調(diào)速范圍很窄，沒有多大實用價值。實用價值。 為此，可以采取增加轉(zhuǎn)自電阻和引入速度閉環(huán)加以改善。為此，可以采取增加轉(zhuǎn)自電阻和引入速度閉環(huán)加以改善。510.1.2 高轉(zhuǎn)差率異步電動機(jī)的降壓調(diào)速分析高轉(zhuǎn)差率異步電動機(jī)的降壓調(diào)速分析 如果要求電動機(jī)有較寬的調(diào)速范圍，則應(yīng)選用高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)，如高轉(zhuǎn)差率鼠籠電機(jī)、實

4、心轉(zhuǎn)子電機(jī)、雙層轉(zhuǎn)子電機(jī)等。它們具有如圖10.2(b)所示的機(jī)械特性。值得注意的是，這種軟機(jī)械特性的電機(jī)，在高速運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)差率較普通電機(jī)的大，運(yùn)行效率要低些；低速運(yùn)行時，由于降低了供電電壓，為保持恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，需要更大的電流，除降低效率外，還應(yīng)注意過熱的問題。 610.1.3 調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制原理調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制原理 為了提高調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性的硬度，采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制原理和機(jī)械特性如圖10.3所示。當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行于圖10.3(b)所示的A點時，這時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)門L時，如果沒有轉(zhuǎn)速反饋，電動機(jī)電壓不變，轉(zhuǎn)速應(yīng)由A點沿同一條機(jī)械特性降為C點穩(wěn)定運(yùn)

5、行。7 可見，轉(zhuǎn)速變化很大?，F(xiàn)在是速度閉環(huán)控制，情況就不同了。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，U減小，這時U未變，偏差電壓U增大，使UK增大。 UK增大，角減小，則可控硅輸出電壓增大，使電動機(jī)運(yùn)行于圖10.3(b)中的B點?？梢姡俣乳]環(huán)的本質(zhì)是根據(jù)負(fù)載的變化，動態(tài)調(diào)整電源電壓大小，從而提高了電機(jī)特性的硬度 .8交流電機(jī)的基本原理交流電機(jī)的基本原理 (a) (b)圖10.3 降壓調(diào)速閉環(huán)控制的原理與機(jī)械特性分析910.2 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速10.2.1 調(diào)速原理調(diào)速原理 在繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入對稱電阻的人為機(jī)械特性的特點是：理想空載轉(zhuǎn)速不變，最大轉(zhuǎn)矩不變，

6、臨界轉(zhuǎn)差率正比于轉(zhuǎn)子總電阻。假設(shè)轉(zhuǎn)子繞組本身電阻為r2，串入不同電阻時，其機(jī)械特性如圖10.1所示。當(dāng)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TN，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率發(fā)生明顯變化。顯然，所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。101110.2.2 調(diào)速的性能和特點調(diào)速的性能和特點調(diào)速范圍調(diào)速范圍 這種調(diào)整方法對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速不超過理想空載轉(zhuǎn)，低速運(yùn)行時機(jī)械特性太軟，靜差度大，因而限制了調(diào)速范圍.平滑性平滑性 由于轉(zhuǎn)子回路電流很大，使電阻的體積笨重，抽頭不易，所以調(diào)速的平滑性也不好,基本上屬有級調(diào)整.經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性 這種方法簡單、容易實現(xiàn)，初期投資較少。但低速運(yùn)行時效率低。sspPPCumM:1:1:212調(diào)速方式 對于異步電

7、動機(jī)而言，當(dāng)電源電壓仍為額定電壓時，氣隙磁通基本保持不變，如果調(diào)速前轉(zhuǎn)子電流為額定值，希望調(diào)速后仍為額定值，則有： （9-2） 式中R是轉(zhuǎn)子回路所串聯(lián)的電阻。 2020222222222()()NEEIrRrxxss定值13必然有： （10-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為: 根據(jù)（10-3）可以看出，如果保持調(diào)速前后轉(zhuǎn)子電流不變，電磁轉(zhuǎn)矩也不變。因此，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速適用于恒轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)為： (10-4) ()/ (2/ 22122112211xxsrrfsrpUmT22NrrRss常數(shù)222222/cosxsRrsRr14考慮式（考慮式（10-3）后，則）后，則

8、(10-5) 當(dāng)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)時，按照電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)時，按照電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式：的計算公式：211 222/MfPm IrsTp常數(shù)常數(shù)NNNxsrsrxsRrsRr222222222222cos/cos1510.3 鼠籠式三相異步電動機(jī)變極調(diào)速鼠籠式三相異步電動機(jī)變極調(diào)速 10.3.1 變極的原理變極的原理 異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)極對數(shù)成反比，改變鼠籠式三相異步電動機(jī)定子繞組的極對數(shù)，就改變了旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變極調(diào)速。 下面以四極變兩極為例，簡單說明變極的原理。 16 下圖為一臺四極三相異步電動機(jī)定子下圖為一臺四極三相異步電動機(jī)定子A相繞組接相繞組接線圖。每

9、相繞組由兩個等效集中線圈正向串聯(lián)而線圖。每相繞組由兩個等效集中線圈正向串聯(lián)而成，以成，以A相為例，相為例，AX繞組為繞組為a1x1與與a2x2頭尾串聯(lián)。頭尾串聯(lián)。當(dāng)當(dāng)流過電流時，由繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)便是四極的。流過電流時，由繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)便是四極的。 17 如果把之前圖中的接線方式改變一下，每相繞組不再是兩個線圈頭尾串聯(lián)，而變成為兩個線圈尾尾串聯(lián)，即為反向串聯(lián)，如圖(a)所示?；蛘邽榉聪虿⒙?lián)，如圖(b)所示。改變后的相繞組流過電流時產(chǎn)生的脈振磁勢的極數(shù)都是二極的 。18 從上面分析可以看出，若把三相鼠籠式從上面分析可以看出，若把三相鼠籠式異步電動機(jī)的定子繞組每相繞組中一半線異步電動機(jī)的定子繞組

10、每相繞組中一半線圈的電流改變方向，即半相繞組反向，則圈的電流改變方向，即半相繞組反向，則電動機(jī)的極對數(shù)便成倍變化（稱為倍極比電動機(jī)的極對數(shù)便成倍變化（稱為倍極比變極）。因此，同步轉(zhuǎn)速變極）。因此，同步轉(zhuǎn)速n1也成倍變化，也成倍變化，對拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的電機(jī)來講，運(yùn)行對拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的電機(jī)來講，運(yùn)行的轉(zhuǎn)速也接近成倍改變。的轉(zhuǎn)速也接近成倍改變。 19 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)不能自動繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)不能自動隨定子極對數(shù)變化，如果同時改變定、轉(zhuǎn)子隨定子極對數(shù)變化，如果同時改變定、轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)又比較麻煩，因此不采用變極調(diào)繞組極對數(shù)又比較麻煩，因此不采用變極調(diào)速。該方法主要適用于鼠籠

11、式異步電動機(jī)。速。該方法主要適用于鼠籠式異步電動機(jī)。 需要需要說明說明的是，為了保證變極調(diào)速時電的是，為了保證變極調(diào)速時電動機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，變極調(diào)速的同時，需要改動機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，變極調(diào)速的同時，需要改變繞組的相序或者說是電源的相序。理由很變繞組的相序或者說是電源的相序。理由很簡單，要使電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變，就要求磁通勢簡單，要使電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變，就要求磁通勢旋轉(zhuǎn)方向不變。旋轉(zhuǎn)方向不變。 20 如上圖所示，當(dāng)如上圖所示，當(dāng)p=1時，時，A、 B 、 C三相繞組三相繞組空間分布依次為空間分布依次為0、120和和240電角度。電角度。 p=2時，時，A、 B 、 C三相繞組空間分布依次為三相繞組空間分布依次為

12、0、240和和480（即（即120）電角度。顯然在變極后）電角度。顯然在變極后 A、B、C三相繞三相繞組的空間相序發(fā)生了改變，變成組的空間相序發(fā)生了改變，變成A、C、B三相繞三相繞組了。如果電源的相序不變，旋轉(zhuǎn)磁場將反向，電組了。如果電源的相序不變，旋轉(zhuǎn)磁場將反向，電機(jī)相應(yīng)會反轉(zhuǎn)。機(jī)相應(yīng)會反轉(zhuǎn)。 變極前后的定子三相繞組相序變極前后的定子三相繞組相序 21 10.3.2 接線方法接線方法 Y-YY(雙雙Y)接法接法 將每相繞組分為兩部分，如將每相繞組分為兩部分，如a1x1和和a2x2 、 b1y1和和b2y2 、 c1z1和和c2z2 ，分別改變每相前半部分的電，分別改變每相前半部分的電流方向（

13、如圖中箭頭所示），即可實現(xiàn)倍極比變極流方向（如圖中箭頭所示），即可實現(xiàn)倍極比變極，同時交換了電源相序，以保證轉(zhuǎn)向不變。圖，同時交換了電源相序，以保證轉(zhuǎn)向不變。圖10.7為為Y-YY接法，圖接法，圖10.8為為- YY接法。接法。22圖圖9.8 異步電動機(jī)異步電動機(jī)-YY變極調(diào)速接線變極調(diào)速接線圖圖9.7 9.7 異步電動機(jī)異步電動機(jī)Y-YYY-YY變極調(diào)速接線變極調(diào)速接線2310.4 變頻調(diào)速變頻調(diào)速 改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。如果電源頻率連續(xù)可調(diào)，可以平滑調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。 9.4.1 從基頻向下變頻調(diào)速從基頻向下變頻調(diào)速 忽略定子漏阻抗壓降

14、，三相異步電動機(jī)每相電壓 (9.7)mWkWfEU1111144. 424 如果如果保持電源電壓保持電源電壓U1為額定值為額定值，降低電源頻率，降低電源頻率f1 ，則隨著，則隨著f1下降，氣隙每極磁通下降，氣隙每極磁通m增加。電動機(jī)增加。電動機(jī)磁路本來就剛進(jìn)入飽和狀態(tài)，磁路本來就剛進(jìn)入飽和狀態(tài)，m增加，磁路過飽增加，磁路過飽和，勵磁電流會急劇增加，電機(jī)的功率因數(shù)下降，和，勵磁電流會急劇增加，電機(jī)的功率因數(shù)下降，負(fù)載能力減小，甚至導(dǎo)致無法正常運(yùn)行。因此，降負(fù)載能力減小，甚至導(dǎo)致無法正常運(yùn)行。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源電壓，有兩

15、種控制方法。電壓，有兩種控制方法。251. 保持保持 常數(shù)常數(shù) 降低電源頻率的同時，保持降低電源頻率的同時，保持 常常數(shù)，則數(shù)，則m=常數(shù)，是恒磁通控制方式。常數(shù)，是恒磁通控制方式。 11fE11fE 222221111222222211122211122602rxssrfEpfmsrxsrEfpmnsrImPTM26令令可求得：可求得：0dsdT22xrsm常數(shù)2211121221LfEpmTm常數(shù)pLrpfxrnsnmm60260221221 最大轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，與頻率無最大轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，與頻率無關(guān)，并且最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速落關(guān)，并且最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速落降相等，也就是不同頻率的各條降相等，也就是不

16、同頻率的各條機(jī)械特性是近似平行的，硬度相機(jī)械特性是近似平行的，硬度相同。同。 27 上圖為保持 常數(shù)時，變頻調(diào)速的機(jī)械特性。 11fE28 下面分析恒磁通變頻調(diào)速的性質(zhì)。按照容下面分析恒磁通變頻調(diào)速的性質(zhì)。按照容許輸出的原則，希望調(diào)速前后電動機(jī)的轉(zhuǎn)子許輸出的原則，希望調(diào)速前后電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電電流不變，因此有：流不變，因此有：2122222222121()()()(2)EEIrrxfLssf常數(shù)22221222212()(2)()()(2)rLCsfrsfCL222112()1(2) rKsffCL 常數(shù)2122212212111122222111141212rfLfCsCrffEpfmrxssr

17、fEpfmT以上分析表明，恒磁通變頻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)調(diào)速方式。以上分析表明，恒磁通變頻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)調(diào)速方式。 29 若驅(qū)動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前后的穩(wěn)定若驅(qū)動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前后的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流不變。由于磁通不運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流不變。由于磁通不變，勵磁電流恒定，定子電流同樣不變。變，勵磁電流恒定，定子電流同樣不變。即即NNNIIIITT1122,302. 保持保持 常數(shù)常數(shù) 當(dāng)降低電源頻率時，保持當(dāng)降低電源頻率時，保持 常數(shù)，常數(shù)，則氣隙每極磁通則氣隙每極磁通m=常數(shù)。這時電動機(jī)的常數(shù)。這時電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩為11fU11fU221221212111221221122112

18、2xxsrrsrffUpmxxsrrfsrpUmT221211121112212111211221221xxrrffUpmxxrrfpUmTm31 由上式可以看出，保持由上式可以看出，保持U1/f1=常數(shù)，當(dāng)常數(shù)，當(dāng)減小減小f1時，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。已知時，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。已知(x1+ x2)與與f1成正比變化，成正比變化， r1與與f1無關(guān)。因此，無關(guān)。因此，在在f1接近額定頻率時，接近額定頻率時， r1 s，轉(zhuǎn)速降低了。即轉(zhuǎn)速降低了。即 所以引入附加電勢后電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為所以引入附加電勢后電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為: （9.22） 2222rsErEEsf2EEssf41 由上式看出，調(diào)節(jié)附加電勢

19、的大小，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低，附加電勢越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。反相時的串級調(diào)速稱為低同步串級調(diào)速。當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時，I2a接近于零，轉(zhuǎn)差率s值很小，這時電機(jī)的空載轉(zhuǎn)差率為 可見，即使電機(jī)空載運(yùn)行，也能進(jìn)行調(diào)速，Ef增大，s增大，顯然可以有s等于1或大于1運(yùn)行情況。 20EEsf42 2. 與與 同相同相 此時的轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式為 （9.23） 新的平衡點轉(zhuǎn)差率表達(dá)式為 （9.24） 根據(jù)的相對大小，可分為如下情況:（1） 。這時， ，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高了，但仍低于同步轉(zhuǎn)速。（2） 。這時， ，電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高了，且以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。（3） 。這時， ，電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高了，運(yùn)行速度高于同步轉(zhuǎn)速。稱為超同步串

20、級調(diào)速。.fE.2sE222rEEsIf2sEEf2sEEf2sEEf2EEssfss 00s0s4310.5.2 串級調(diào)速的機(jī)械特性分析串級調(diào)速的機(jī)械特性分析 串入附加電勢后，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： (9.25) T1為附加電勢為零時的電磁轉(zhuǎn)矩，即依靠電動機(jī)自身電磁感應(yīng)產(chǎn)生的正常電磁轉(zhuǎn)矩；T2為附加電勢引起的電磁轉(zhuǎn)矩。圖10.18中，曲線1對應(yīng) 與 反相時的合成機(jī)械特性，曲線2對應(yīng) 時的機(jī)械特性，曲線3對應(yīng) 與 同相時的合成機(jī)械特性。通過機(jī)械特性曲線，同樣可以得出上面所敘述的調(diào)速效果。2122222122222212222221)()(TTxrErCxrsErCxrEsErCTsfTjsTjsfTj.fE.2sE.0fE.fE.2sE44 10.18 串級調(diào)速串級調(diào)速時異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線時異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線4510.5.3 異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)的組成 根據(jù)串級調(diào)速原理，轉(zhuǎn)子回路需要引入根據(jù)串級調(diào)速原理，轉(zhuǎn)子回路需要引入與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢同頻率的附加電勢。由于轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢同頻率的附加電勢。由于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化，實子感應(yīng)電勢隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的