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1、电机与拖动基础,三相异步电动机的调速,电机与拖动基础,三相异步电动机的调速,三相异步电动机的调速,交流电动机与直流拖动系统相似，在实际应用中往往也要求拖动生产机械的转速能够调节 交流电机实现调速要比直流调速复杂和困难得多。本章仅讨论异步电动机调速的基本原理、方法与特性 由异步电动机转速的表达式 调速方法 改变定子绕组的极对数p 改变供电电源频率f1 改变电动机的转差率s 改变定子电压的调压调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 电磁离合器调速； 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。,变极调速,改变定子的极对数，可使异步电动机的同步转速n0改变 改变定子绕组的极对数，通常用改变定子绕组的联
2、结方式来实现。变极可以采用多种方式方法，,变极调速,变极调速原理,变极调速,变极调速,二级异步电机接线 旋转方向ABC,四级异步电机接线 旋转方向ACB,变极调速,由此可知，若要使定子绕组的极对数改变一倍，只要改变定子绕组的连接方式，即将每相绕组分成两个“半相绕组”，通过改变其引出端的联结方式，使其中任一“半相绕组”中的电流反向，即可使定子绕组的极对数增大（或减少）一倍。常用的改变定子绕组极对数的连接方法有两种，如下图所示,变极调速,变极调速时，电动机的容许输出功率或转矩在变速前后的关系。 输出功率为 假定在不同的极对数下， 与 保持不变，有 如果忽略定子损耗，则电磁功率 与输入功率 相等，转
3、矩 为 定子绕组从一个星型联结改成二个星型联结的并联时，极对数减少一半， 增加一倍 为使调速时电动机充分利用，在高、低速运行时，电动机绕组内都流过额定电流，这样在两种联结法下的转矩之比和功率之比分别为,变极调速,当定子绕组从一个三角型联结改成二个星型联结的并联时，极对数也减少一半。二种联结法的功率比和力矩比分别为：,变极调速,效果： Y/YY变极调速，改接前后电动机输出的转矩之比为1，属于恒转矩性质 适用于恒转矩负载的拖动系统，如起重机、传输带等机械 /YY改接方法，电动机的输出功率在改接前后基本保持不变，/YY变极调速属于恒功率性质。适用于恒功率负载。如：卷绕系统。 特点： 异步电动机的变极
4、调速简单可靠、成本低、效率高、机械特性硬，且既可适用于恒转矩调速也可适用于恒功率调速。 变极调速是有级调速，不能实现均匀平滑的无级调速，且能实现的速度档也不可能太多。 多速电动机的尺寸一般比同容量的普通电动机稍大，运行性能也稍差一些，且接线头较多，并需要专门的换接开关，但总体上，变极调速还是一种比较经济的调速方法,变频调速,异步电动机的同步转速 ， 改变，异步电动机的同步转速 也随之改变 变频调速具有调速范围宽，平滑性好等特点，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。随着电力电子技术的发展，许多简单可靠、性能优异、价格便宜的变频调速装置已得到广泛应用 在异步电动机调速时，总是希望主磁通 保持为
5、额定值，因为： 1、磁通太弱，电动机的铁心得不到充分利用，是一种浪费 2、而如果磁通太强，又会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时甚至会因绕组过热而损坏电机。 对于直流电动机，其励磁系统是独立的,只要对电枢反应的补偿合适，容易保持 不变，而在异步电动机中，磁通是定子和转子磁势共同作用的结果，所以保持 不变的方法与直流电动机的情况不同。,变频调速,根据异步电动机定子每相电动势有效值的公式,如果略去定子漏阻抗压降，则定子端电压 ，即有,上式表明，在变频调速时，若定子端电压不变，则随着频率 的减少，气隙磁通 将增加，使磁路饱和，磁路的非线性特性，励磁电流将显著上升。导致铁损急剧增加，这也是不允许的
6、。 在变频调速过程中应同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变,变频调速,公式： 为使在f1 减少时，磁通保持不变， 必须为定值 对于恒转矩调速，如果变频装置保证 随 成正比地变化，则可保证在频率变化过程中电动机具有同样的过载能力，在恒转矩调速下的变频装置一般就是根据这一要求设计的,另外， 增加时，如果 ，要求 不变，则 也要增大，但电机额定电压的限制，必须 。这将使 减小，势必导致电动机输出转矩下降。这种状态如同直流电机的弱磁调速,变频调速,电动机最大转矩为： 其中， 在 相对较高时， 可以忽略R1，得到 将 带入 电源频率 改变，定子电压、额定转矩及过载倍数变为 、 、 ，则频率变化前后的
7、额定转矩比为,变频调速,因此为了保证变频调速时电机过载能力不变，就要求变频前后的定子端电压、频率及转矩满足 对于恒转矩负载调速 对于恒转矩负载，采用恒压频比控制方式，既保证了电机的过载能力不变，同时又满足主磁通 保持不变的要求 恒压频比变频调速适用于恒转矩负载 在恒功率调速时， 得到,变频调速,由此可见，在恒功率调速时，如按 控制定子电压的变化，能使电机的过载能力保持不变，但磁通将发生变化；若按 控制定子电压的变化，则磁通 将基本保持不变，但电机的过载能力将在调速过程中发生变化 讨论变频调速时的机械特性：,变频调速,恒压频比控制变频调速时， 产生最大转矩时的临界转差率 为 当 相对较大时，可忽
8、略 ，则 不同频率时最大转矩所对应的转速降落为 恒压频比控制变频调速时，由于最大转矩和最大转矩所对应的转速降落均为常数，临界转差率与频率成反比。此时异步电动机的机械特性是一组相互平行且硬度相同的曲线,变频调速,在 变到很低时， 也很小, 不能被忽略，且由于 和 都较小，定子阻抗压降所占的份额比较大。此时，最大转矩和最大转矩对应的转速降落不再是常数,而是变小了。,为保持低频时电动机有足够大的转矩，可以人为地使定子电压 抬高一些，近似地补偿一些定子压降,变频调速,基频以上调速频率f1从额定频率f1N往上增加，若仍保持Ux/f1 =常数，势必使定子电压Ux超过额定电压UN，这是不允许的。这样，基频以
9、上调速应采取保持定子电压不变的控制策略，通过增加频率f1，使磁通m与f1成反比地降低，这是一种类似于直流电机弱磁升速的调速方法 设保持定子电压Ux=UN，改变频率时异步电动机的电磁转矩 由于f1较高，可以忽略定子电阻R1，最大转矩Tm为,变频调速,其对应的最大转差与转速降落同前，为常数。这样，保持定子电压Ux不变，升高频率调速时，最大转矩随频率的升高而减小，而最大转矩对应的转速降落是常数，因此对应的机械特性是平行的，硬度也相同的。但频率越高，最大转矩越小，如图所示,基频以上变频调速过程中， 异步电动机的电磁功率为,变频调速,在异步电动机的转差率s 很小时，由于 上式中的 均可忽略，即基频以上变
10、频调速时，异步电动机的电磁功率可近似为 由于变频调速过程中，若保持UN不变，转差率s变化也很小，故可近似认为调速过程中P是不变的，即在基频以上的变频调速，可近似为恒功率调速 变频调速具有优异的性能，调速范围较大，平滑性较高，变频时按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法,变频调速,把基频以下和基频以上两种情况综合起来，可得到异步电动机变频调速控制特性，如图所示,变频调速,要实现变频调速必须有专用的变频电源，随着新型电力电子器件和半导体变流技术、自动控制技术等的不断发展，变频电源目前都是应用电力电子器件构成的变频
11、装置。 图示为采用电力电子变频器供电的异步电动机变频调速系统,变频调速电压与频率计算,例：八极异步电动机的铭牌参数如下 当负载转矩Tz=0.8TN，要求转速 时，采用变频调速方式，保持 ，试求定子绕组所需的电压和频率？ 采用变频调速，且保持U/f常数，相应的机械特性如图,变频调速电压与频率计算,首先求出在额定频率下运行，且 时转速 的转差率。由使用公式得到 解：额定转差率为,产生最大电磁转矩时的临界转差率可通过下列过程获得。 根据三相异步电动机机械特性的实用公式,于是，此时临界转差率为,变频调速电压与频率计算,首先求出在额定频率下运行，且 时转速 的转差率。由使用公式得到,变频调速电压与频率计
12、算,可以得到A点的转速降为：,考虑到采用U/f常数的变频调速时，二条机械特性平行， 即转速降相等， 有：,于是，变频后的同步速为,能耗转差调速,能耗转差调速方法转子串电阻、改变定子电压、滑差电动机、串级调速及脉冲调速 一、转子电路串电阻调速,能耗转差调速,转子串电阻后，转子电流减小，使电磁转矩减小，电动机将减速。转差率 将增加到 增加到 电动机到达新的运动状态。电动机对应于 的转速稳定运行。 由机械特性可知，转子电路串接电阻越大，机械特性越软 在额定电压时，磁通 定值，调速时 可见,能耗转差调速,串联电阻 后，转差率由 增加到 ,转子电路功率因数为 以上二式分析可得 可见，转子串联电阻为恒转矩
13、调速特性 转子功率损耗： 忽略机械损耗，则输出机械功率 调速时转子电路的效率 当转速降低（s 增高）时，效率下降，转子损耗功率增高，故经济性不高,绕线式转子异步电动机调速及制动电阻的计算,调速及自动电阻计算目的：选择适当电阻Rf，在电动机调速及制动时，保证在运行时有需要的调速及制动特性 计算的方法是按已知条件，利用机械特性（一般是实用表达式）进行，计算时必须注意不同运转状态下方程式中各参量的正负符号等不同特点,绕线式转子异步电动机调速及制动电阻的计算,例：某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下 （1）当负载转矩Tz=0.8TN，要求转速nB=500rpm时，转子每相应串入多大的电阻 （2）从电动状
14、态（A点）nA=nN时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于1.5TN（图C点），则转子每相应串入多大电阻 （3）如果该电动机带位能负载，负载转矩Tz=0.8TN，要求稳定的下放转速nD=-300rpm，求转子每相的串入电阻值,绕线式转子异步电动机调速及制动电阻的计算,解： （1）对于固有特性，有 利用人为特性求解由机械特性实用表达式 将 带入,绕线式转子异步电动机调速及制动电阻的计算,当 有 利用异步电动机在额定段工作为直线特性 有 临界转差率,绕线式转子异步电动机调速及制动电阻的计算,（2）计算反接制动串入电阻 利用人为特性求解由机械特性实用表达式,绕线式转子异步电动机调速及制动电
15、阻的计算,利用异步电动机在额定段工作为直线特性 （3）计算位能负载时应串入电阻值 利用异步电动机在额定段工作为直线特性,能耗转差调速改变定子电压,二、改变定子电压调速 改变定子电压，异步电动机在同步转速 和临界转差率 将保持不变，输出转矩与所加定子电压的平方成正比 对恒转矩负载，调速范围很小，对较大的恒转矩负载，不能起动，故不太适用恒转矩负载。 对于通风机负载，调速范围较大,异步电动机调压调速的计算,例：某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下 分析只使用电压调速的情况。,固有特性，有,固有机械特性,异步电动机调压调速的计算,但对于风机、泵类负载可以调节范围较大。风机负载机械特性,异步电动机调压调速
16、的计算,针对风机、泵类负载，进行电压调速。平衡状态时：,推到出代数方程：,异步电动机调压调速的计算,解代数方程：由于电动状态调速时，s1，一般s1。 故，上述代数方程近似解应该与下述方程接近,对于，额定电压，有： 如果，电压降低4倍，380/4=95V,则最大转矩降低16倍。 将有代数方程,得到,能耗转差调速改变定子电压,对于恒转矩调速，如能增加异步电动机的转子电阻（如绕线式转子异步电动机或高转差率鼠笼式异步电动机），则改变电动机定子电压可获得较大的调速范围，如图示 只是此时机械特性太软，静差率很难满足生产机械的要求,能耗转差调速改变定子电压,讨论改变电压调速方法中电动机的容许输出 由于 ，为使电动机调速时充分利用， 则 , 也为恒值，则 改变电压调速既不适合恒转矩
