電機與拖動第9章三相異步電動機的調(diào)速1根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)速公式三相異步電動機的調(diào)速方法很多，主要包括：改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。包括改變電動機定子電源電壓、繞線式異步電動機轉(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）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）、改變供電電源頻率。29.1繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速9.1.1調(diào)速原理根據(jù)前面的分析已知，在繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串入對稱電阻的人為機械特性的特點是：理想空載轉(zhuǎn)速不變，最大轉(zhuǎn)矩不變，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，其機械特性如圖9.1所示。當拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，且為額定負載轉(zhuǎn)矩TN，電動機的轉(zhuǎn)差率發(fā)生明顯變化。顯然，所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。349.1.2調(diào)速的性能和特點調(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)，低速運行時機械特性太軟，靜差度大，因而限制了調(diào)速范圍.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)濟性這種方法簡單、容易實現(xiàn)，初期投資較少。但低速運行時效率低。5調(diào)速方式對于異步電動機而言，當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。6必然有：（9-3）已知電磁轉(zhuǎn)矩為:根據(jù)（9-3）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：(9-4)7考慮式（9-3）后，則(9-5)當負載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)時，按照電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式：89.2降電壓調(diào)速9.2.1降壓調(diào)速的原理及性能如圖9.2(a)所示，如果電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負載，A點為固有機械特性上的運行點，B和C點為降低電壓后的運行點.可見。降壓調(diào)速方法比較簡單，但是，如電壓進一步降低，最大轉(zhuǎn)矩減小很快，即使負載特性與機械特性有交點，負載能力嚴重下降，負載稍有波動，電機就會停轉(zhuǎn)；而且對于一般的鼠籠式異步電動機，降壓調(diào)速范圍很窄，沒有多大實用價值。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。9(a)(b)圖9.2三相異步電動機降壓調(diào)速1——恒轉(zhuǎn)矩負載；2——泵類負載109.2.2高轉(zhuǎn)差率異步電動機的降壓調(diào)速分析如果要求電動機有較寬的調(diào)速范圍，則應(yīng)選用高轉(zhuǎn)差率電動機，如高轉(zhuǎn)差率鼠籠電機、實心轉(zhuǎn)子電機、雙層轉(zhuǎn)子電機等。它們具有如圖9.2(b)所示的機械特性。值得注意的是，這種軟機械特性的電機，在高速運行時，由于轉(zhuǎn)差率較普通電機的大，運行效率要低些；低速運行時，由于降低了供電電壓，為保持恒轉(zhuǎn)矩負載，需要更大的電流，除降低效率外，還應(yīng)注意過熱的問題。119.2.3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)，其控制原理和機械特性如圖9.3所示。當電動機運行于圖9.3(b)所示的A點時，這時的負載轉(zhuǎn)矩為TL，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當負載轉(zhuǎn)矩變?yōu)門L’時，如果沒有轉(zhuǎn)速反饋，電動機電壓不變，轉(zhuǎn)速應(yīng)由A點沿同一條機械特性降為C點穩(wěn)定運行。12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。當電機轉(zhuǎn)速下降時，U’減小，這時U未變，偏差電壓ΔU增大，使UK增大。UK增大，α角減小，則可控硅輸出電壓增大，使電動機運行于圖9.3(b)中的B點?？梢姡俣乳]環(huán)的本質(zhì)是根據(jù)負載的變化，動態(tài)調(diào)整電源電壓大小，從而提高了電機特性的硬度.13交流電機的基本原理(a)(b)圖9.3降壓調(diào)速閉環(huán)控制的原理與機械特性分析149.3鼠籠式三相異步電動機變極調(diào)速

9.3.1變極的原理異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與電機極對數(shù)成反比，改變鼠籠式三相異步電動機定子繞組的極對數(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。15圖9.4為一臺四極三相異步電動機定子A相繞組接線圖。每相繞組由兩個等效集中線圈正向串聯(lián)而成，以A相為例，AX繞組為a1x1與a2x2頭尾串聯(lián)。當流過電流時，由繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)便是四極的。16如果把圖9.4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9.5(a)所示?；蛘邽榉聪虿⒙?lián)，如圖9.5(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。17從上面分析可以看出，若把三相鼠籠式異步電動機的定子繞組每相繞組中一半線圈的電流改變方向，即半相繞組反向，則電動機的極對數(shù)便成倍變化（稱為倍極比變極）。因此，同步轉(zhuǎn)速n1也成倍變化，對拖動恒轉(zhuǎn)矩負載運行的電機來講，運行的轉(zhuǎn)速也接近成倍改變。18繞線式異步電動機轉(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式異步電動機。需要說明的是，為了保證變極調(diào)速時電動機的轉(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。理由很簡單，要使電動機轉(zhuǎn)向不變，就要求磁通勢旋轉(zhuǎn)方向不變。19如圖9.6所示，當p=1時，A、B、C三相繞組空間分布依次為0、120和240電角度。p=2時，A、B、C三相繞組空間分布依次為0、240和480（即120）電角度。顯然在變極后A、B、C三相繞組的空間相序發(fā)生了改變，變成A、C、B三相繞組了。如果電源的相序不變，旋轉(zhuǎn)磁場將反向，電機相應(yīng)會反轉(zhuǎn)。20圖9-6變極前后的定子三相繞組相序21

9.3.2接線方法Y-YY(雙Y)接法

將每相繞組分為兩部分，如a1x1和a2x2、b1y1和b2y2、c1z1和c2z2，分別改變每相前半部分的電流方向（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9.7為Y-YY接法，圖9.8為Δ-YY接法。22圖9.8異步電動機Δ-YY變極調(diào)速接線圖9.7異步電動機Y-YY變極調(diào)速接線239.4變頻調(diào)速改變?nèi)喈惒诫妱訖C電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢的同步轉(zhuǎn)速，從而達到調(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)電動機轉(zhuǎn)速。9.4.1從基頻向下變頻調(diào)速忽略定子漏阻抗壓降，三相異步電動機每相電壓(9.7)24如果保持電源電壓U1為額定值，降低電源頻率f1，則隨著f1下降，氣隙每極磁通Φm增加。電動機磁路本來就剛進入飽和狀態(tài)，Φm增加，磁路過飽和，勵磁電流會急劇增加，電機的功率因數(shù)下降，負載能力減小，甚至導(dǎo)致無法正常運行。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源電壓，有兩種控制方法。251.保持常數(shù)降低電源頻率的同時，保持常數(shù)，則Φm=常數(shù)，是恒磁通控制方式。26令可求得：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)速落降相等，也就是不同頻率的各條機械特性是近似平行的，硬度相同。27圖9-11保持常數(shù)時，變頻調(diào)速的機械特性

28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)速前后電動機的轉(zhuǎn)子電流不變，因此有：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)矩負載，調(diào)速前后的穩(wěn)定運行狀態(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。即302.保持常數(shù)當降低電源頻率時，保持常數(shù)，則氣隙每極磁通Φm=常數(shù)。這時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為31由上式可以看出，保持U1/f1=常數(shù)，當減小f1時，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。已知(x1+x2’)與f1成正比變化，r1與f1無關(guān)。因此，在f1接近額定頻率時，r1<<(x1+x2’)，隨著f1的減小，Tm減小得不多；但是，當f1較低時，(x1+x2’)比較小，r1相對變大了。這樣一來，隨著f1的降低，Tm就減小了。在低頻低速的機械特性變壞了。32保持U1/f1=常數(shù)降低頻率調(diào)速近似為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，證明從略。圖9.12保持常數(shù)的變頻調(diào)速機械特性33

9.4.2從基頻向上變頻調(diào)速升高頻率向上調(diào)速時，升高電源電壓是不允許的，只能保持電壓不變，頻率越高，磁通越低，因此是一種弱磁升速的方法，類似他勵直流電動機弱磁調(diào)速。調(diào)速過程中，電動機電磁轉(zhuǎn)矩為（9-15）34忽略r1的影響35正常運行時，若保持I1額定不變，s變化就很小，可近似認為PM是不變的。屬于恒功率調(diào)速形式。圖9.13保持UN不變升頻調(diào)速的機械特性36綜上所述，三相異步電動機變頻調(diào)速具有以下幾個特點： ⑴從基頻向下調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；從基頻向上調(diào)速，近似為恒功率調(diào)速方式； ⑵調(diào)速范圍大； ⑶機械特性較硬，靜差率小，相對穩(wěn)定性好； ⑷運行時較小，效率高； ⑸頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速為無級調(diào)速。379．5繞線式異步電動機的串級調(diào)速9.5.1串級調(diào)速的基本原理當普通異步電動機定子邊加額定電壓且?guī)蠙C械負載時，轉(zhuǎn)子有功電流的有效值為（9.20）電磁轉(zhuǎn)矩為（9.21）38正常運行時，外加電壓的大小和頻率不變，磁通不變，轉(zhuǎn)差率很小，有，功率因數(shù)。假設(shè)負載轉(zhuǎn)矩保持恒定，所以有下面討論轉(zhuǎn)子回路串入不同相位的附加電勢的調(diào)速效果。39和反相由于轉(zhuǎn)子回路合成電勢的減小，使電流I2減小，于是電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小，因負載轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)子便減速。隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電動勢增大，當轉(zhuǎn)差率s增大到s’時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢為。直到等于原先的，就能保持轉(zhuǎn)子電流I2不變。電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到了新的平衡。40電機在新的轉(zhuǎn)差率s’下運行，即s’>s，轉(zhuǎn)速降低了。即所以引入附加電勢后電機的轉(zhuǎn)差率為:（9.22）41由上式看出，調(diào)節(jié)附加電勢的大小，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低，附加電勢越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低。反相時的串級調(diào)速稱為低同步串級調(diào)速。當電機空載運行時，I2a接近于零，轉(zhuǎn)差率s值很小，這時電機的空載轉(zhuǎn)差率為可見，即使電機空載運行，也能進行調(diào)速，Ef增大，s’增大，顯然可以有s’等于1或大于1運行情況。42

2. 與同相 此時的轉(zhuǎn)子電流表達式為（9.23）新的平衡點轉(zhuǎn)差率表達式為（9.24）根據(jù)的相對大小，可分為如下情況:（1）。這時，，即電機的轉(zhuǎn)速升高了，但仍低于同步轉(zhuǎn)速。（2）。這時，，電機的轉(zhuǎn)速升高了，且以同步轉(zhuǎn)速運行。（3）。這時，，電機的轉(zhuǎn)速升高了，運行速度高于同步轉(zhuǎn)速。稱為超同步串級調(diào)速。439.5.2串級調(diào)速的機械特性分析串入附加電勢后，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為：(9.25)T1為附加電勢為零時的電磁轉(zhuǎn)矩，即依靠電動機自