第7章三相异步电动机的电力拖动(2)

1第7章三相异步电动机的电力拖动2第7章三相异步电动机的电力拖动2电气工程教研室27.2三相异步电动机的调速三相异步电动机的转子转速可由下式给出：)1(601spfn(7-9)由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：变极调速，即改变极对数p；变频调速，即改变定子频率f1；改变转差率调速，即改变转差率s；其中，改变转差率的调速方法涉及：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。11nnnspfn11603A、变极调速概念:变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步速与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。图7.11三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图图7.11a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中，代表A相的半相绕组，代表A相的另一半相绕组。11xa22xaa1x1a2x2NSNSa1x1a2x2NSN、S抵消顺向串联反向串联反向并联4结论:只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。结论:对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。下面就两种典型的变极接线方法及其变极前后的调速性质与机械特性介绍如下:转子空间机械角度电角度p转子空间5图7.12三相异步电动机Y/YY接变极调速的接线见P268x1a1a1a2x2x1x2a2Xa1x2x1a2顺向串联反向串联反向并联a、Y/YY接变极调速6图7.12三相异步电动机Y/YY接变极调速的接线假定变极调速前后定子的功率因数、效率均不变，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值，于是变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI121cos)2(3cos31111NNNNYYYIUIUPP(7-10)1)29550/()9550(11nPnPTTYYYYYY(7-11)结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。1260nPPTx1a1a1a2x2x1x2a2Xa1x2x1a2pfn11607图7.13定性给出了Y/YY接变极调速的机械特性。图7.13Y/YY接变极调速的机械特性])([222212112111maxxxrrUfpmTYe211max2211112(/2)22[/4(/4)(()/4)]YYempUTfrrxx串联时2/2/111rrr并联时2/)2/()2///()2/(111rrr13UUNmaxmax2YeYYeTT线电压相电压由于属于恒转矩调速方式，故多用于起重机、传送带等负载。'121122'112mmmnrnnnnsrxx221212)(xxrrsm8b、△/YY接变极调速改接后，每相的两个半相绕组也是反接并联的。极对数减少一半。图7.14三相异步电动机△/YY接变极调速的接线假定变极调速前后电机的功率因数、效率均不变，并设每半相绕组中的电流均为额定值，则/YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1866.023cos)2(3cos)3(31111NNNNYYIUIUPP3)29550/()9550(11nPnPTTYYYY（7-12）（7-13）Y形接法时，线电流等于相电流线值相值9结论：△/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式（升速时转矩略减）。图7.15/YY接变极调速的机械特性])([222212112111maxxxrrUfpmTe21max2211112(/3)(/2)22[/4(/4)(()/4)]NYYeUmpTfrrxx1UUNY形接法时，相电压是线电压的根号3分之一maxmax32eYYeTT线电压相电压由于属于近似恒功率调速方式，故多用于机床类负载的粗加工和精加工等。10变极调速的优点：稳定性好，初期投资不大，采用不同联结方式可获得恒转矩或恒功率调速特性，以满足不同生产机械的要求。变极调速的缺点：平滑性差、只能分级调速，多速电动机的体积比同容量的普通鼠笼型电动机大。11B、变频调速对变频调速的要求：（1）主磁通，以防止定子铁心过饱和；（2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩）尽可能保持不变。NmmaxeTa、基频以下的变频调速由可知，要想确保主磁通不变，可满足亦即变频的同时必须调压，实现定子电压和频率的协调控制。考虑到：因而，此时电机的过载能力保持不变。mwkNfEU1111144.4mconstfUfUNN1111211212111max)()(212fUxxUfpmTe下面对两种情况下变频调速时的机械特性进行讨论：)(11111jxrIEU)1(6060111spfnpfn])([222212112111maxxxrrUfpmTe2122Lfx1112xfL12（1）保持=常数的机械特性(与U1/f1=c比较，更为精确)11/fE根据三相异步电动机的T型等效电路，可以获得用感应电势表示的电磁转矩的表达式为：（机械特性参数表达式过去是在Γ型等效电路下推导出的）1E])()[()(22)(2222212111122211xsrsrffEpmfsrIpmPTemem（7-14）利用可以获得临界转差率和昀大转矩分别为：0sTemmsmaxeT222122mrrsxfL22111max41)(2LfEpmTe（7-15）（7-16）上式表明：若采用=常数控制，则最大转矩保持不变。11/fEmaxeT21222()rEEIjxs13mmmnnLprpfsnn1221126060)1(11nnnsmm对应于昀大转矩处的转速为：maxeT临界转速降：22602mrnpL保持不变，即保持不变1mnn图7.16三相异步电动机变频调速时的机械特性(=常数)11/fE结论:最大转矩处的转速降与频率无关。亦即:在变频调速过程中，若保持=常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。maxeTmn11/fE14保持=常数可以实现严格意义上的不变和昀大转矩不变。但考虑到定子电势难以直接测量，实际调速系统多采用=常数代替=常数实现变频调速。（2）保持=常数的机械特性11/fU11/fEmmaxeT1E11/fU11/fE现分析保持=常数时三相异步电动机的机械特性。11/fU将式（6-121简化Γ形电路图）稍加变形可得：mwkNfEU1111144.4])()[()(2221221212111xxsrrsrffUpmTem(7-18)式（6-125）稍加变形得昀大电磁转矩为：])([)(422121112111maxxxrrffUpmTe(7-19)pfn1160221212)(xxrrsm22'111211222'2'max112112(1)merrxxnsrKKTrxxrxx15根据式（7-18）绘出保持=常数时变频调速的典型机械特性如图7.17所示（实线部分）。为便于比较，图7.17还同时绘出了常数时的机械特性，即保持=常数时变频调速的机械特性，如图7.17中的虚线所示。11/fUmaxeT图7.17三相异步电动机变频调速时的机械特性(=常数)11/fU由图7.17可见，保持=常数，当减小时，昀大电磁转矩将有所降低。11/fU1fmaxeT若忽略定子绕组电阻即令，则式（7-19）变为：01r常数)(21)(4'212111maxLLfUpmTe11/fE由上式可见，的降低是由定子绕组电阻的影响所致。尤其是当低到使得可以与相比较时，下降严重。maxeT1r1f1r)(21xxmaxeT16解决措施：可以对的线性关系加以修正，提高低频时的，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响（见图7.18）。11/fU11/fU图7.18具有低频补偿的协调关系11/fU])([)(422121112111maxxxrrffUpmTe低频段调速，降低f1时，少降一点U1低频低压时异步电动机出现的这种情况，是由r1产生的电压降相对影响较大，气隙磁通无法保持恒值造成的。这导致低频低压下电动机的起动转矩变小了，甚至不能带正常的负载起动。如不对U1和f1的关系加以修正，这种调速方法只适用于调速范围不大、或转矩随转速下降而减小的负载(如通风机类负载)。17调速性质的分析：假定变频调速过程中电机的功率因数、效率均不变，为了充分利用电动机，每相绕组中的电流应保持额定值不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1111111112)(cosffUUIUmPNN（7-20）11229550fUnPT（7-21）结论：由于基频以下的调速过程中保持=常数，基频以下的变频调速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）（见图7.19中实线部分）。11/fU图7.19三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系ememTPU1/f1=常数基频pfpfn1111260602602)1(601spfn18b、基频以上的变频调速当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电压无法进一步提高，只能保持。1UNUU1此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性仍由式（6-121）得出：])()[()(222122121211xxsrrsrffUpmTNem（7-22）昀大电磁转矩由式（6-125）给出：21212122121121221211121max1)(8)(4])([4fLLfpUmxxfpUmxxrrfpUmTNNNe（7-23）临界转差率由式（6-124）给出：1111ffff思考：讨论基频以上调速时，为何可以考虑忽略r1，而基频以下为何不忽略？19121122122212121)(2)(fLLfrxxrxxrrsm（7-24）由上式得对应于昀大转矩时的转速为：maxeTmmmnnLLprpfsnn121211)(26060)1(（7-25）结论：最大转矩处的转速降与频率无关。（但随着频率增大，机械特性的硬度变软）mnmaxeT图7.20三相异步电动机基频以上变频调速时的机械特性()NUU10s1111ffff212121221max1)(8fLLfpUmTNenmTLmn20调速性质的分析：假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数、效率均不变，每相绕组中的电流仍保持额定值不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1111112cosUIUmPNN（7-20）11229550fUnPT（7-21）结论：由于基频以上的调速过程中保持，基频以上的变频调速属于恒功率调速，其输出转矩反比于定子绕组的供电频率（或转速）NUU11116022npff1f1NU1/f1=常数f1f1NU1=U1N=常数21一般结论：变频调速性能好，可与直流电机媲美基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速；变频调速过程中，调速范围宽，基频以下，异步电动机