第九章 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速原理

杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院第九章三相異步電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速原理三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：

如何限制三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，防止對(duì)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械設(shè)備造成太大的沖擊；(2)如何在有限的電流情況下提升三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

使得電動(dòng)機(jī)可以正常起動(dòng)。三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的依據(jù)(1)改變供電的頻率f1

：變壓變頻。(2)改變轉(zhuǎn)差率s

：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、定子電路串阻抗調(diào)速、

改變電樞電壓調(diào)速等。(3)改變極對(duì)數(shù)p

：改變定子繞組的極對(duì)數(shù)。9.1三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)9.1.1電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)條件(1)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)對(duì)電網(wǎng)造成的電壓降不能超過(guò)規(guī)定的數(shù)值。(2)起動(dòng)功率不超過(guò)供電設(shè)備和電網(wǎng)的過(guò)載要求。(3)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于傳動(dòng)機(jī)械靜轉(zhuǎn)矩。(4)起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)及其起動(dòng)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性。三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有三種：（1）直接起動(dòng)，適合于7.5kW以下的三相異步電動(dòng)機(jī)；（2）降壓起動(dòng)；（3）軟起動(dòng)。9.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)可以直接起動(dòng)，是其顯著的優(yōu)點(diǎn)。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子功率因數(shù)起動(dòng)電流直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，功率因數(shù)低。三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不良后果：由于電壓下降太多，如果負(fù)載比較重，因?yàn)槠饎?dòng)轉(zhuǎn)矩與線電壓的平方成正比，

可能使電機(jī)無(wú)法正常起動(dòng)。(2)如果接在同一臺(tái)變壓器上還有其他設(shè)備，就可能導(dǎo)致這些設(shè)備無(wú)法工作。為有效降低三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流：降低供電電源的電壓；加大定子邊的電阻或者電抗；加大轉(zhuǎn)子邊的電阻或者電抗。9.1.3三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

三相鼠籠式異步電機(jī)的降壓起動(dòng)可以選擇：(1)Y-?起動(dòng)(也稱星-三角起動(dòng))；(2)自耦變壓器降壓起動(dòng)；(3)定子串電抗起動(dòng)；(4)定子串電阻起動(dòng)。定子串電抗起動(dòng)時(shí)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降比較多，而定子串電阻起動(dòng)的功耗比較大，因此，這兩種方法很少采用。1.Y-?起動(dòng)相電流對(duì)比線電流對(duì)比起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比Y-?起動(dòng)方法簡(jiǎn)單，起動(dòng)電路僅需要一個(gè)Y-?轉(zhuǎn)換開關(guān)，價(jià)格便宜，在輕載情況下具有很大的優(yōu)勢(shì)。?直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Y起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩2.自耦變壓器降壓起動(dòng)自耦變壓器自耦變壓器一、二次側(cè)電流電源側(cè)起動(dòng)電流電機(jī)的起動(dòng)電流直接起動(dòng)自耦變壓器起動(dòng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比直接起動(dòng)自耦變壓器有多個(gè)抽頭可供選擇。例如QJ2型自耦變壓器有55%(即N2/N1=55%)、64%和73%三種抽頭可以選擇；QJ3型自耦變壓器有40%、60%和80%三種抽頭可以選擇。

與Y-?起動(dòng)相比，自耦變壓器降壓起動(dòng)相對(duì)比較靈活，通過(guò)變比的選擇可以拖動(dòng)較大的負(fù)載起動(dòng)，因此自耦變壓器降壓起動(dòng)在較大容量的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)上被廣泛應(yīng)用。

自耦變壓器降壓起動(dòng)的缺點(diǎn)是體積較大，價(jià)格相對(duì)較高。9.1.4三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)：直接起動(dòng)，很大的起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大；降壓起動(dòng)，可以減小起動(dòng)電流，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨著電壓的平方關(guān)系在下降。因此三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)只能用于空載或者輕載起動(dòng)。在需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，不得不考慮價(jià)格相對(duì)較高的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)。三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻、頻敏變阻器來(lái)改善起動(dòng)和調(diào)速的性能。1.轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)2.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)頻敏變阻器9.1.5三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)：采用三相反并聯(lián)功率器件和控制電路，通過(guò)控制功率器件的觸發(fā)使得電動(dòng)機(jī)的輸入電壓按照不同的要求而變化，從而將電機(jī)的起動(dòng)電流限制在一定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑起動(dòng)。三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)主要包括兩種：(1)恒流軟起動(dòng)；(2)斜坡恒流軟起動(dòng)。三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器可以將起動(dòng)電流限制在1~4倍的額定電流之內(nèi)。能夠?qū)崿F(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的電力電子電路稱軟起動(dòng)器。(a)恒流軟起動(dòng)：起動(dòng)電流Im

可以限定在1~4倍的額定電流范圍之內(nèi)。

適合于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者負(fù)載較大的場(chǎng)合。(b)斜坡恒流軟起動(dòng)：起動(dòng)過(guò)程中電流的變化速率可以根據(jù)負(fù)載進(jìn)行調(diào)整。

是應(yīng)用最多的方法，尤其適用于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的起動(dòng)。杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院9.2三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的方向異同。(4)第IV象限：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，轉(zhuǎn)速為反向，電磁轉(zhuǎn)矩為正向，電機(jī)電磁制動(dòng)狀態(tài)：反向回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)、

倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行。(3)

第III象限：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩同向，且都為反向。反向電動(dòng)運(yùn)行。(2)第II象限：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，轉(zhuǎn)速為正向，電磁轉(zhuǎn)矩為反向，

電機(jī)在電磁制動(dòng)狀態(tài)：正向回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)。(1)第I象限：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩同向，且都為正向。正向電動(dòng)運(yùn)行。9.2.1電動(dòng)運(yùn)行正向電動(dòng)運(yùn)行反向電動(dòng)運(yùn)行定子三相繞組正相序接電源定子三相繞組負(fù)相序接電源9.2.2回饋制動(dòng)恒壓頻比調(diào)速?；仞佒苿?dòng)時(shí)，異步電機(jī)沒有輸出機(jī)械功率，電機(jī)減速過(guò)程中發(fā)電，反向輸入電網(wǎng)。BC段-正向回饋制動(dòng)9.2.3反接制動(dòng)改變供電電源的相序而改變定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)。機(jī)械功率電磁功率轉(zhuǎn)子銅耗必須在轉(zhuǎn)子回路串入電阻，限制電流，防止電機(jī)過(guò)熱。適合繞線式異步電機(jī)，不適合鼠籠式異步電機(jī)。9.2.4能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)：（1）通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻Rd

的大小以調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。（2）三相繞線式異步電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子所串電阻R

的大小對(duì)能耗制動(dòng)機(jī)械特性曲線的斜率進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）如果三相異步電機(jī)帶反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則電機(jī)會(huì)能耗制動(dòng)直至到零點(diǎn)，并能夠停在零點(diǎn)。（4）如果電機(jī)帶位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在電機(jī)運(yùn)行到零點(diǎn)時(shí)必須采用機(jī)械抱閘裝置。9.2.5倒拉反轉(zhuǎn)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)子串電阻能耗制動(dòng)杭州電子科技大學(xué)《電機(jī)學(xué)》自動(dòng)化學(xué)院9.3三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速9.3.1變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速，(VariableVoltageandVariableFrequency，VVVF)。通過(guò)同時(shí)改變供電電源的電壓和頻率改變同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍寬、調(diào)速的精度和效率較高，且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。三相異步電動(dòng)機(jī)的額定頻率定義為基頻，將調(diào)速區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)間：（1）基頻以下，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；（2）基頻以上，恒功率調(diào)速。1.基頻以下調(diào)速保持主磁通Φ1不變：主磁通Φ1增大將引起磁路過(guò)飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，可能燒毀電機(jī)；主磁通Φ1減小將使電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力下降。保持主磁通Φ1不變，可以采用兩種方法：(1)（恒磁通變頻調(diào)速）最大電磁轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降令(1)保持不變。(2)保持不變。(3)穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩沒有發(fā)生變化，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(2)令最大電磁轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降(1)三相異步電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩隨供電頻率的下降而減小。(2)三相異步電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率隨著供電頻率的下降而增大，即機(jī)械特性隨著供電頻率的下降而變軟。(3)在供電頻率比較小時(shí)受定子電阻的影響比較大。變頻調(diào)速屬于近似恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。為了保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定，通常在低頻時(shí)對(duì)供電電壓進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。2.基頻以上調(diào)速電機(jī)的供電電壓不能高于額定電壓UN，只能保持額定電壓UN不變。頻率f1升高時(shí)，主磁通Φ1

會(huì)逐漸減小。屬于三相異步電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速。當(dāng)，定子電阻R1

遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于、和(1)最大電磁轉(zhuǎn)矩與頻率的平方成反比。(2)臨界轉(zhuǎn)差率與頻率成反比。(3)在基頻以上的變頻調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。9.3.2變極對(duì)數(shù)調(diào)速改變異步電動(dòng)機(jī)繞組的接線方式，使電機(jī)的極對(duì)數(shù)增加或者減少。鼠籠式轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)能夠適應(yīng)定子的極對(duì)數(shù)而發(fā)生變化，繞線式轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)無(wú)法按照定子極對(duì)數(shù)的變化而自動(dòng)調(diào)整，因此，變極對(duì)數(shù)調(diào)速只適用于三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。在定子的極對(duì)數(shù)發(fā)生變化后，轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)也應(yīng)該相應(yīng)地變化。1.定子變極對(duì)數(shù)的原理四極空間分布和接線電路兩極空間分布和接線電路2.定子變極對(duì)數(shù)調(diào)速的接線方法在改變繞組的接線方式