第十章 三相交流电动机的调速

第10章三相交流电动机的调速8.1第10章三相交流电动机的调速8.1第十章三相交流电动机的调速返回总目录第10章三相交流电动机的调速8.2第10章三相交流电动机的调速8.2•降电压调速•绕线式异步电动机转子回路串电阻调速•鼠笼式三相异步电动机变级对数调速•变频调速•电磁转差离合器•绕线式异步电动机双馈调速及串级调速原理•自控式同步电动机•本章小结本章内容第10章三相交流电动机的调速8.3第10章三相交流电动机的调速8.3交流调速应用的三大领域：（1）凡是能用直流调速的场合，都能改用交流调速，（2）直流调速达不到的，如大容量、高转速、高电压以及环境是否恶劣的场所，都能使用交流调速；（3）原来不调速的风机、泵类负载，采用交流调速后，可大幅度节能。交流电动机：同步电动机，改变供电电压的频率改变同步转速。异步电动机，转速n=n1(1-s)=60f1/p(1-s)第10章三相交流电动机的调速8.4第10章三相交流电动机的调速8.4三相异步电动机的调速有以下几种：（1）改变转差率s调速（降低电源电压、绕线式异步电动机转子回路串电阻等；（2）改变旋转磁通势同步转速调速（改变定子绕组极对数、改变供电电源频率；（3）双馈调速串极调速（4）利用转差离合器调速第10章三相交流电动机的调速8.5第10章三相交流电动机的调速8.510.1降压调速对于转子电阻大、机械特性软的笼型异步电动机，如加在定子绕组上的电压改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点A、B、C，如图10.1所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压机械特性软，转速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。三相异步电动机降低电源电压的人为机械特性，其同步转速n1不变，电磁转矩正比于电压平方。若电动机拖动恒转矩负载，降低电源电压可以降低转速。图10.1三相异步电动机降压调速1-恒转矩负载2-泵类负载第10章三相交流电动机的调速8.6第10章三相交流电动机的调速8.6改变电源电压调速，这种方法主要应用于笼型异步电动机，靠改变转差率s调速。过去都采用定子绕组串电抗器来实现，目前已广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。图10.2具有速度负反馈的调压调速系统第10章三相交流电动机的调速8.7第10章三相交流电动机的调速8.710.2绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图10.3所示。转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，运行段特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行的b点上，转速由na变为nb，依此类推。根据电磁转矩参数表达式，当T为常数且电压不变时，则有221()abrsrRs常数图10.3绕线式异步电动机转子串电阻调速第10章三相交流电动机的调速8.8第10章三相交流电动机的调速8.810.2绕线式异步电动机转子回路串电阻调速图10.3中，转子回路串电阻是属恒转矩调速方法。当负载转矩TN=TL，有式中s1、s2、s3,…分别是转子串入不同的电阻Rs1、Rs2、Rs3,…后的转差率。这种调速范围不大，一般为(2-3):1。调速范围就更小。3322221122sRRsRRsRRsRsssN第10章三相交流电动机的调速8.9第10章三相交流电动机的调速8.910.2绕线式异步电动机转子回路串电阻调速因而绕线转子异步电动机转子串电阻调速时调速电阻的计算公式为R1=式中sa——转子串电阻前电动机运行的转差率；sb——转子串入电阻R1后新稳态运行时电动机的转差率；r2——转子每相绕组电阻，2(1)bassr-2N2N2N3rsEI第10章三相交流电动机的调速8.10第10章三相交流电动机的调速8.1010.2绕线式异步电动机转子回路串电阻调速从三相异步电动机的功率关系知道，电磁功率PM、转子回路总铜耗pCu和机械功率Pm三者之间的关系为异步电动机采用降压调速或串电阻调速时，欲扩大调速范围，必须增大转差率s。这样一来，将使转子回路总铜耗增大，降低了电机的效率。)1(::1::2ssPpPmcuM第10章三相交流电动机的调速8.11第10章三相交流电动机的调速8.1110.3鼠笼式三相异步电动机变极对数调速近年来，随着电力电子技术的发展，异步电机的调速性能大有改善，交流调速应用日益广泛，在许多领域有取代直流电机调速系统的趋势。异步电动机的调速可分以下三大类：(1)改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速；(2)改变供电电源的频率f1，称为变频调速；(3)改变电动机的转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串电阻调速和串级调速。160(1s)fp第10章三相交流电动机的调速8.12第10章三相交流电动机的调速8.1210.3鼠笼式三相异步电动机变极对数调速1变极调速在电源频率不变时，变电机的极对数，电机的同步转速变化，从而改变电机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。常用变定子绕组的接法来变极对数，（多速电动机）。其转子均采用笼型转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。先将其两个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，如图8.10所示，产生两对磁极。第10章三相交流电动机的调速8.13第10章三相交流电动机的调速8.13若将U相绕组中的一半相绕组a2x2反向，如图10.5所示，产生一对磁极。图10.4三相四极电动机定子U相绕组图10.5三相二极电动机定子U相绕组10.3鼠笼式三相异步电动机变极对数调速第10章三相交流电动机的调速8.14第10章三相交流电动机的调速8.14目前多极电动机定子绕组联绕有3种，常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图10.6所示；另一种是从三角形改成双星形，写作△/YY，如图10.7所示，这两种接法可使电动机极数减少一半。在改接绕组时，为使电动机转向不变，应把绕组的相序改接一下。变极调速主要用于各种机床及其他设备上。它所需设备简单、体积小、质量轻，但电机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速。图10.6异步电动机Y/YY变极调速接线图10.7异步电动机△/YY变极调速接线10.3鼠笼式三相异步电动机变极对数调速第10章三相交流电动机的调速8.15第10章三相交流电动机的调速8.1510.4变频调速三相异步电动机的同步转速为因此，改变三相异步电动机的电源频率，可以改变旋转磁场的同步转速，达到调速的目的。11160nfpf第10章三相交流电动机的调速8.16第10章三相交流电动机的调速8.1610.4变频调速1.变频调速的条件三相异步电动机的每相电压U为U≈E1=4.44f1N1K1若电源电压Ul不变，当降低电源频率f1调速时，则磁通将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电动机温升过高等，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通不变，就必须降低电源电压，使或为常数。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。mΦmΦmΦ11Uf11Ef第10章三相交流电动机的调速8.17第10章三相交流电动机的调速8.172.从基频向下调变频调速降低电源频率时，必需同时降低电源电压。降低电源电压U1，有以下两种控制方法：(1)保持为常数。降低电源频率f1时，保持为常数，则为常数，是恒磁通控制方式，也称恒转矩调速方式。机械特性，如图所示。11Ef11EfmΦ图10.6保持为常数时变频调速的机械特性11Ef第10章三相交流电动机的调速8.18第10章三相交流电动机的调速8.182.从基频向下调变频调速222221111222222211122211)(122602RXssRfEpfmsRXsREfpmnsRImPTM最大转矩处，对应的转差率为，即0dsdTms22XRsm常数2211122211112122112LfEpmxxfEpfmTm常数pfLfRnsnmm12121602第10章三相交流电动机的调速8.19第10章三相交流电动机的调速8.19降低电源频率f1调速的人为机械特性特点为：同步速度n1与频率f1成正比；最大转矩不变；转速降落n=常数，特性斜率不变(与固有机械特性平行)。这种变频调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似，机械特性较硬，在一定静差率的要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好，另外，转差功率Ps较小，效率较高。maxT第10章三相交流电动机的调速8.20第10章三相交流电动机的调速8.2011Ef11Ef当为常数时，变频调速时电动机电磁转矩若为常数时，因为，而，又根据各条机械特性是互相平行的，对同一个T，相等，所以。11fs11nf1nnsn根据和是常数变频调速中，在T不变时，转子电流因此，，为恒转矩调速方式。11fs221121222212)2()()(LfKfRkfXsREINTTNII11NII22第10章三相交流电动机的调速8.21第10章三相交流电动机的调速8.21(2)保持为常数。降低电源频率f1，保持为常数，则近似为常数，在这种情况下，当降低频率f1时，n不变。电机电磁转矩为11Uf11UfmΦmaxTmaxT11Uf22122212112212211221122XXsRRsRffUpmXXsRRfsRpUmT22112112112212111211221)(221XXRRffUpmXXRRfpUmTm电机最大转矩为maxT第10章三相交流电动机的调速8.22第10章三相交流电动机的调速8.22若保持=常数，当f1减小时，最大转矩Tm不等于常数。已知X1+X’2与f1成正比变化，R1与f1无关。因此在f1接近额定频率时，R1远小于X1+X’2，随着f1的减小，Tm减小不多，但当f1较低时，X1+X2比较小，R1相对变大了，这样最大转矩会变小，特别在低频低速时的机械特性会变坏，如图10.7所示。其中虚线是恒磁通调速时为常数的机械特性，以示比较。保持为常数，则低频率调速近似为恒转矩调速方式。11Uf11UfmaxT11Uf图10.7保持为常数时变频调速的机械特性11Ef第10章三相交流电动机的调速8.23第10章三相交流电动机的调速8.233.从基频向上调变频调升高电源电压()是不允许的。因此，升高频率向上调速时，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况，其机械特性如图8.16所示。NUUNUmΦ图10.8保持不变，升频调速的机械特性NU第10章三相交流电动机的调速8.24第10章三相交流电动机的调速8.24保持UN不变升高频率时，电机电磁转矩为NU221221122112XXsRRfsRpUmT最大转矩为maxT2122112122121112111221)(2211fXXfpUmXXRRfpUmTm第10章三相交流电动机的调速8.25第10章三相交流电动机的调速8.25NU121122122212121)(2fLLfRXXRXXRRsm因此，频率升高时，减少，也减少，最大转速对应的转速降落为保持不变升速，1fmsmT常数pfLLfRnsnmm12112160)(2NU第10章三相交流电动机的调速8.26第10章三相交流电动机的调速8.26NUsRmUpfsRfpUmpfXX