10 第10章 三相交流电动机调速

11.5异步电动机的调速我们知道，异步电动机的转速为：因此，三相异步电动机的调速方法很多，大致可以分成以下几种类型：（1）改变转差率s调速，包括降低电源电压、绕线式异步电动机转子回路串电阻等方法；)1(60)1(11spfsnn（2）改变旋转磁通势同步转速调速，包括改变定于绕组极对数、改变供电电源频率等方法；（3）双馈调速，包括串级调速，属改变理想空载转速的一种调速方法；（4）利用转差离合器调速。下面简要异步电机的几种常用调速方法。1.开环调压调速特性及其调速性能U1变化时：sm不变，n1不变，T∝U12，Tm∝U12，U1↓→n↓→s↑，机械特性如图所示，可见转子电阻为正常值如一般的鼠笼异步电动机，对恒转矩负载，调速范围很小，实用价值不高。nsn10TL1TL2ABCA'B'C'sm01TTm0.64Tm0.25Tm0.5UN0.8UNUN降低定子电压的人为机械特性TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性10.1降电压调速对风机类负载，调速范围较大，但存在低速时功率因数低(cosφ1低)，电流大(I2大)的问题。所以降压调速只适用于高转差率鼠笼电机或绕线式异步机。因为n↓→s↑→φ2↑→φ1↑→cosφ1↓又因T=CmΦmI2´cosφ2，T不变时，φ2↑→cosφ2↓→I2↑）调压装置：以前用饱和电抗器，现广泛采用可控硅交流调压装置。在前面所述开环系统的调速时，其机械特性软，调速范围不大。加转速负反馈环节后成了调压调速的闭环系统。速度调节器触发器晶闸管调压器u*-uuUKUM3~A~BC(a)原理接线图ABCn0TL1TL2T(b)机械特性三相异步电动机转速反馈调压调速系统TG-2.调压调速闭环控制系统10.2绕线式异步电动机转子回路率电阻调速我们知道，改变转子回路串入电阻值的大小，例如转子绕组本身电阻为r2，分别串入电阻RSl、RS2、RS3时，如图所示：所串电阻越大，转速越低.（拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即TL=TN）已知电磁转矩T为：当电源电压一定时，主磁通Φm基本上是定值，转子电流I2可以维持在它的额定值工作。至于COS,作如下的推导：22cosITm2根据转子电流：从上式看出，转子串电阻调速对，如果保持电机转子电流为额定值，必有：222222222222xsrrExsrEIIsNN常数srrsrN122当电机转子回路串了电阻后，转子回路的功率因数为：常数2222212/)(cosxsrrSrrs222222222212//)(cosxsrsrxsrrSrrNNsncos可见，转子回路串电阻是属恒转矩调速方法，当负载转矩TL=TN时，根据上式，则有：式中s1、s2、s3别是转子串入不同的电阻后的转差率。这种调速方法的调速范围不大，一般为（2～3）:1。3322221122sRrsRrsRrsrSSSN负载小时，调速范围就更小了。由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性不好，基本上属有级调速。多用于断续工作的生产机械上，在低速运行的时间不长，且要求调速性能不高的场合，如用于桥式起重机。10.3鼠笼式三相异步电动机变极对数调速变频调速要采用专用变速电机，其转子为鼠笼式。根据当f1一定时，n1∝1/p，改变极对数p，可变n1。spfsnn160111变极原理现改变接线，使一个半相绕组的电流反向，则如下图所示。如果二个绕组电流方向相同，2p=4，让一个半相绕组电流反向，2p=2，则极对数可减半。(b)反向串联或反向并联(2p=2)NSAXa1x1a2x2NSa1a2x1x2NSAXa1x1a2x2(a)正向串联(2p=4)NSAXa1x1a2x2NSNNSSa1a2x2(b)反向串联或反向并联(2p=2)NSAXa1x1a2x2NSa1a2x1x2NSAXa1x1a2x2A相绕组变极原理变极接线方式2p=4时，n1=1500r/min；2p=2时，n1=3000r/min；二个半相绕组由串→并(电流方向要改变)极对数减半，n1升高一倍。改变一个半相绕组的接线方式很多。如下：YYYYYY2.三相绕组的接线方式1）Y—YY变换(单星形变双量形)三相绕组的每相定子绕组有中心抽头。在Y接法中，将绕组1、2、3端接电源，二个半相绕组电流相同，设此时极对数为2p，同步转速为n1。Y—YY变换在YY接法中，将1、2、3端都于0点相联，4、5、6端接电源，B、C二相接电源对调，每相二个半相绕组并联，其中一个半相绕组电流反相，这时，极对数为p，同步转速为2n1，属恒转矩调速。2）Δ—YY变换在Δ接线中，端点1、2、3接电源，4、5、6空着，二个半相绕组中电流方向相同，设此时极对数为2p，同速转速为n1。Δ—YY变换在YY接线中，1、2、3端点连在一起，4、5、6端点接电源，其中一个半相绕组电流反向，这时，极对数为p，同步转速为2n1，(近似)属恒功率调速3.容许输出功率和转矩输出功率：P2=P1η=3U1I1ηcosφ式中：η为电动机的效率，P1为电动机的输入功率，U1为电动机定子相电压，I1为电动机定子相电流；cosφ为电动机定子的功率因数。现假设变极前后，η和cosφ保持不变，则P2∝U1I1。已知T=Pem/Ω1，Ω1=2πf1/p，则T=Pemp/2πf1。设Pem=P1(忽略定子损耗)，T=3U1I1cosφp/2πf1所以有T∝U1I1p分析为使电机得到充分利用，在变极前后均使电动机绕组内流过额定电流，即保持半相绕组电流为I1N不变。Y接时：每相电压为U1,每相电流为I1N，极对数p=2，故TY∝U1I1N×2；YY接时：相电压为U1，每相电流为2I1N，极对数p=1，故TYY∝U12I1N×1。所以有TY=TYY，属恒转矩调速。又因P=TΩ，PYY=2PY，则输出功率不等。分析Δ接时，相电压等于线电压为U1，相电流为I1N极对数p=2。可见，从Δ-YY变换的变级调速为非恒转矩调速。3577.0231223111111YYNNYYNTTIUIUTTIUT分析输出功率：可见，从Δ-YY变换的变极调速亦为非恒功率调速，但比较接近于恒功率调速方式，故可认为是近似恒功率调速，允许输出转矩将减少近一半。n2n1smYYn1smY0TstYTstYYTmYTmYYT(c)Y-YY变换的机械特性（b）YY接线（a）Y接线Y-YY变极调速接线和机械特性AUNUNBCABCI1I1I1I12I1I1YYY4.机械特性(定性分析)定性分析由上面公式得：Y接时：YY接时：2212122212111211'''4xxrrsxxrrfpUmTmYmY；stYstYYmYmYYmYxxrrmYYTTssTfpUmT2242/24'424412112111；定性分析若拖动恒转矩负载时，从Y向YY变极调速时，转速从nB升到nA，几乎增加一倍。当负载转矩小于TmY时，可以实现恒转矩调速，变极速由高速降为低速时，电机要经回馈制动状态。Δ-YY变换的机械特性Δ接时：极对数为p，同步转矩为n1，电压为U1，阻抗为z1=r1+jx1、z2´=r2´+jx2´；YY接时：极对数为p/2，同步转速为2n1，电压为阻抗为z1/4=r1/4+jx1/4、z2´/4=r2´/4+jx2´/4；Δ接时有YY接时31U2212122122111211'''4xxrrsrxxrfpUmTmm；3/23242/24'4244123121111ststYYmmYYmxxrrUmYYTTssMfpmT；；n2n1smYYn1sm0TstYYTstTmYYTmT(c)-YY变换的机械特性（b）YY接线（a）接线-YY变极调速接线和机械特性AUNUNBCABCI1I1I1I12I1√3I1YY4.应用及注意问题1)应用a.变极调速适用变速电机其转子为鼠笼式。b.适用于有级调速的场合：Y-YY用于恒转矩生产机械，如起重运输等生产机械；Δ-YY用于恒功率生产机械，如各种机床的粗加工和精加工。除以上两种变极方法外，还可以利用一套定子绕组改变成三种甚至四种极数的电动机，如2、4、8极及4、6、8、12极等。这种变极调速的电动机称为多速电动机，已较普遍地用于生产机械上。注意问题2)注意问题改变定子接线方式时，必须将三相绕组中任意两相的出线端交换一下，否则电机将反转。3)优缺点变极调速的优点：设备简单，运行可靠，机械特性较硬，可以有恒转矩调速方式和恒功率调速方式。缺点：转速只能成倍增长，为有级调速。应用举例为了改善变极调速电动机的调速平滑性，可以综合应用变极调速与降压调速，即变极降压调速。粗调用变极法，细调用降压法。此法可以使降压调速不运行在转差率低的情况下。变极降压调速既扩大了调速范围，提高调速平滑性，又减小低速损耗。4、6、10级三速如图所示。0TLnT变极降压调速机械特性U1U2U3U4U1U2U3U4U2U1U3U3U2U1U4U4p=2(2p=4)p=3(2p=6)p=5(2p=10)10.4变频调速：已知：因此，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。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。pfn11601.从基频向下变频调速我们知道，三相异步电动机每相电压：降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压有两种控的制方法。⑴保持=常数：这种方法是恒磁通控制方式，mNkNfEU1111144.41U11fEsrxsrEfpmnsrImPTM2222222111222112602上式是保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程式。下面根据该方程式，具体分析一下最大转矩Tm及相应的转差率sm。最大转矩处，对应的转差率为sm，即：2222221111112222221111222rxssrsrfEpfmpfmxsrsrfEpfm0dsdT22xrsm式中为转子静止时转子一相绕组漏电感系数折合值，=最大转矩处的转速降落为：222111112xxfEpfmTm212111221xffEpm常数2211121221LfEpm2L212Lf2x常数pLrpfxrnsnmm60260221221当改变频率时，若保持=常数，最大转矩常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。根据上式画出保持恒磁通变频调速的机械特性，如图所示。这种调速方法机械特性较硬，在一定的静差率要求下，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，电动机在正常负载运行时，转差率s较小，因此转差功率较小，效率较高。经分析，恒磁通变频调速是属于为恒转矩调速方式。即当：时，⑵保持=常数11fEmTNII11NII22NTT11fU22122112211)(2xxSrrfSrpUmT2212212121112xxsrrsrffUpm从上式可以看出，当频率减小时，最大转矩不是一个常数。如图：221111211221xxrrfpUmTm