電機(jī)與拖動(dòng)第9章

1、1電機(jī)與拖動(dòng)第9章 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)定子電源電壓、繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻、利用轉(zhuǎn)差離合器、串級(jí)調(diào)速雙饋調(diào)速（適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)）等；改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速調(diào)速。包括改變定子繞組極對(duì)數(shù)（適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)）、改變供電電源頻率。spfsnn16011139.1繞線式異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入對(duì)稱電阻的人為機(jī)械特性的特點(diǎn)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

2、同電阻時(shí)，其機(jī)械特性如圖9.1所示。當(dāng)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TN，電動(dòng)機(jī)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。4nT01nlT2r12Rr 22Rr 32Rr ABCN圖9.1 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速59.1.2 調(diào)速的性能和特點(diǎn)調(diào)速范圍 這種調(diào)整方法對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速不超過理想空載轉(zhuǎn)，低速運(yùn)行時(shí)機(jī)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(jí)調(diào)整.經(jīng)濟(jì)性 這種方法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，初期投資較少。但低速運(yùn)行時(shí)效率低。sspPPCumM:1:1:26調(diào)速方式 對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)

3、電源電壓仍為額定電壓時(shí)，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。 2020222222222()()NEEIrRrxxss定值7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) ()/ (2/ 22122112211xxsrrfsrpUmT22NrrRss常數(shù)222222/cosxsRrsRr8考慮式（9-3）后，則 (9-5)當(dāng)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)時(shí)，按照電磁轉(zhuǎn)矩

4、的計(jì)算公式：211 222/MfPm IrsTp常數(shù)常數(shù)NNNxsrsrxsRrsRr222222222222cos/cos99.2 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(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，A點(diǎn)為固有機(jī)械特性上的運(yùn)行點(diǎn)，B和C點(diǎn)為降低電壓后的運(yùn)行點(diǎn).可見。降壓調(diào)速方法比較簡單，但是，如電壓進(jìn)一步降低，最大轉(zhuǎn)矩減小很快，即使負(fù)載特性與機(jī)械特性有交點(diǎn)，負(fù)載能力嚴(yán)重下降，負(fù)載稍有波動(dòng)，電機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)；而且對(duì)于一般的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，降壓調(diào)速范圍很窄，沒有多大實(shí)用價(jià)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。10 (a) (b)圖9.2 三相異步電動(dòng)機(jī)

5、降壓調(diào)速1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；2泵類負(fù)載119.2.2高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的降壓調(diào)速分析如果要求電動(dòng)機(jī)有較寬的調(diào)速范圍，則應(yīng)選用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)，如高轉(zhuǎn)差率鼠籠電機(jī)、實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)、雙層轉(zhuǎn)子電機(jī)等。它們具有如圖9.2(b)所示的機(jī)械特性。值得注意的是，這種軟機(jī)械特性的電機(jī)，在高速運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率較普通電機(jī)的大，運(yùn)行效率要低些；低速運(yùn)行時(shí)，由于降低了供電電壓，為保持恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，需要更大的電流，除降低效率外，還應(yīng)注意過熱的問題。 129.2.3 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(jī)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(jī)械特性如圖9.3所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于圖9.3(b)所示的A點(diǎn)時(shí)，這時(shí)的負(fù)載

6、轉(zhuǎn)矩為TL，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)門L時(shí)，如果沒有轉(zhuǎn)速反饋，電動(dòng)機(jī)電壓不變，轉(zhuǎn)速應(yīng)由A點(diǎn)沿同一條機(jī)械特性降為C點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。13可見，轉(zhuǎn)速變化很大。現(xiàn)在是速度閉環(huán)控制，情況就不同了。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，U減小，這時(shí)U未變，偏差電壓U增大，使UK增大。 UK增大，角減小，則可控硅輸出電壓增大，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于圖9.3(b)中的B點(diǎn)?？梢姡俣乳]環(huán)的本質(zhì)是根據(jù)負(fù)載的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整電源電壓大小，從而提高了電機(jī)特性的硬度 .14交流電機(jī)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(jī)械特性分析159.3 鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速 9.3.1 變極的原理 異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)

7、速與電機(jī)極對(duì)數(shù)成反比，改變鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，就改變了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，實(shí)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。 16圖9.4為一臺(tái)四極三相異步電動(dòng)機(jī)定子A相繞組接線圖。每相繞組由兩個(gè)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(dāng)流過電流時(shí)，由繞組產(chǎn)生的磁極數(shù)便是四極的。 17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(gè)線圈頭尾串聯(lián)，而變成為兩個(gè)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(shí)產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)的極數(shù)都是二極的 。18從上面分析可以看出，若

8、把三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的極對(duì)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(duì)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行的電機(jī)來講，運(yùn)行的轉(zhuǎn)速也接近成倍改變。 19繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)不能自動(dòng)隨定子極對(duì)數(shù)變化，如果同時(shí)改變定、轉(zhuǎn)子繞組極對(duì)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(dòng)機(jī)。 需要說明的是，為了保證變極調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，變極調(diào)速的同時(shí)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變，就要求磁通勢(shì)旋轉(zhuǎn)方向不變。 20如圖9.6所示，當(dāng)p=1時(shí)，A、 B 、 C三相繞組空間分布

9、依次為0、120和240電角度。 p=2時(shí)，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(chǎng)將反向，電機(jī)相應(yīng)會(huì)反轉(zhuǎn)。 21 圖9-6 變極前后的定子三相繞組相序 22 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(shí)現(xiàn)倍極比變極，同時(shí)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- YY接法。23

10、圖9.8 異步電動(dòng)機(jī)-YY變極調(diào)速接線圖9.7 異步電動(dòng)機(jī)Y-YY變極調(diào)速接線249.4 變頻調(diào)速 改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)每相電壓 (9.7)mWkWfEU1111144. 425 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m增加。電動(dòng)機(jī)磁路本來就剛進(jìn)入飽和狀態(tài)， m增加，磁路過飽和，勵(lì)磁電流會(huì)急劇增加，電機(jī)的功率因數(shù)下降，負(fù)載能力減小，甚至導(dǎo)致無法正常運(yùn)行。因此，降低電源頻率時(shí)，必須同時(shí)降低

11、電源電壓。降低電源電壓，有兩種控制方法。261. 保持 常數(shù)降低電源頻率的同時(shí)，保持 常數(shù)，則m=常數(shù)，是恒磁通控制方式。 11fE11fE 222221111222222211122211122602rxssrfEpfmsrxsrEfpmnsrImPTM27令可求得：0dsdT22xrsm常數(shù)2211121221LfEpmTm常數(shù)pLrpfxrnsnmm60260221221最大轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，與頻率無關(guān)，并且與頻率無關(guān)，并且最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速落降相等，也就速落降相等，也就是不同頻率的各條是不同頻率的各條機(jī)械特性是近似平機(jī)械特性是近似平行的，硬度相同。行的，硬度相

12、同。 28圖9-11 保持 常數(shù)時(shí)，變頻調(diào)速的機(jī)械特性 11fE29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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流不變，因此有：2122222222121()()()(2)EEIrrxfLssf常數(shù)22221222212()(2)()()(2)rLCsfrsfCL222112()1(2) rKsffCL 常數(shù)2122212212111122222111141212rfLfCsCrffEpfmrxssrfEpfmT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。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。 30若驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前后的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下

13、轉(zhuǎn)子電流不變。由于磁通不變，勵(lì)磁電流恒定，定子電流同樣不變。即NNNIIIITT1122,312. 保持 常數(shù)當(dāng)降低電源頻率時(shí)，保持 常數(shù)，則氣隙每極磁通m=常數(shù)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為11fU11fU2212212121112212211221122xxsrrsrffUpmxxsrrfsrpUmT221211121112212111211221221xxrrffUpmxxrrfpUmTm32由上式可以看出，保持U1/f1=常數(shù)，當(dāng)減小f1時(shí)，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(shí)， r1 s，轉(zhuǎn)速降低了。即所以引入附加電勢(shì)后電機(jī)

14、的轉(zhuǎn)差率為: （9.22） 2222rsErEEsf2EEssf42由上式看出，調(diào)節(jié)附加電勢(shì)的大小，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低，附加電勢(shì)越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。反相時(shí)的串級(jí)調(diào)速稱為低同步串級(jí)調(diào)速。當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，I2a接近于零，轉(zhuǎn)差率s值很小，這時(shí)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)差率為可見，即使電機(jī)空載運(yùn)行，也能進(jìn)行調(diào)速，Ef增大，s增大，顯然可以有s等于1或大于1運(yùn)行情況。 20EEsf43 2. 與 同相此時(shí)的轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式為 （9.23）新的平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)差率表達(dá)式為 （9.24） 根據(jù)的相對(duì)大小，可分為如下情況:（1） 。這時(shí)， ，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高了，但仍低于同步轉(zhuǎn)速。（2） 。這時(shí)， ，電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高了，且以同步轉(zhuǎn)

15、速運(yùn)行。（3） 。這時(shí)， ，電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高了，運(yùn)行速度高于同步轉(zhuǎn)速。稱為超同步串級(jí)調(diào)速。.fE.2sE222rEEsIf2sEEf2sEEf2sEEf2EEssfss 00s0s449.5.2 串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性分析串入附加電勢(shì)后，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： (9.25)T1為附加電勢(shì)為零時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，即依靠電動(dòng)機(jī)自身電磁感應(yīng)產(chǎn)生的正常電磁轉(zhuǎn)矩；T2為附加電勢(shì)引起的電磁轉(zhuǎn)矩。 圖9.18中，曲線1對(duì)應(yīng) 與 反相時(shí)的合成機(jī)械特性，曲線2對(duì)應(yīng) 時(shí)的機(jī)械特性，曲線3對(duì)應(yīng) 與 同相時(shí)的合成機(jī)械特性。通過機(jī)械特性曲線，同樣可以得出上面所敘述的調(diào)速效果。2122222122222212222221)()(TTxrErCxrsErCxrEsErCTsfTjsTjsfTj.fE.2sE.0fE.fE.2sE45 圖9.18 串級(jí)調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線469.5.3 異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成 根據(jù)串級(jí)調(diào)速原理，轉(zhuǎn)子回路需要引入與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)同頻率的附加電勢(shì)。由于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化，實(shí)時(shí)檢測(cè)和改變附加電勢(shì)的頻率難度較大，因此可以采用圖4.20所示的方式。先將轉(zhuǎn)子電勢(shì)通過整流單元整成直流電壓，經(jīng)濾波電抗器濾波后加到逆變器上，再由逆變器將直流變成交流，通過變壓器與電網(wǎng)連接。47圖9.20 異步電動(dòng)