論述繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

1、論述繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速原理蘭州理工大學(xué) 控制理論與控制工程 譙自健 1220811010150 引言 繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速是傳統(tǒng)調(diào)速方式之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。本文通過對(duì)繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的原理、效率和缺點(diǎn)方面作出分析。1 繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速原理轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的線路圖和機(jī)械特性如圖（a)和（b）所示，拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，可以得到幾級(jí)不同的速度。 。圖（a）轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速線路圖圖（b）機(jī)械特性曲線根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知：（1）其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，S為轉(zhuǎn)差率 （2） （3）其中Pe為異步電動(dòng)機(jī)電磁功率，Pm

2、為異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率，Pa為轉(zhuǎn)子銅耗即轉(zhuǎn)差功率(4)所以得 由式（4）可以看出S越大，則輸出機(jī)械功率Pm減小，相反轉(zhuǎn)差功率Pa在增大，而轉(zhuǎn)速n隨S的增大而減小。所以所繞線式異步交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的實(shí)質(zhì)是通過改變轉(zhuǎn)差功率或者轉(zhuǎn)差率的大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n的。當(dāng)串入的電阻阻值越大則轉(zhuǎn)差功率增大，隨之轉(zhuǎn)差率S變大，從而使轉(zhuǎn)速n下降。2 繞線式異步交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn) 繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，通過轉(zhuǎn)子回路串入不同數(shù)值的電阻R，改變轉(zhuǎn)差率S調(diào)速的傳統(tǒng)方法，可以獲得不同斜率的機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法簡(jiǎn)單方便，但存在如下缺點(diǎn)： （1）調(diào)速是有級(jí)的，不平滑。 （2）在深度調(diào)

3、速時(shí)機(jī)械特性很軟，致使負(fù)載有較小變化，便可引起轉(zhuǎn)速的很大的波動(dòng)，降低了靜態(tài)調(diào)速精度。 （3）轉(zhuǎn)差功率Pa消耗在電阻發(fā)熱上，效率低。由于是通過增大轉(zhuǎn)子回路的電阻值來降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，當(dāng)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速n越低，轉(zhuǎn)差率S就越大，從而使得轉(zhuǎn)差功率也愈大，電能消耗大，效率更低。當(dāng)轉(zhuǎn)差功率S=0.5時(shí)，效率<0.5。三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機(jī)械特性是一組同步轉(zhuǎn)速n1，最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，臨界轉(zhuǎn)差率Sm與轉(zhuǎn)子回路串入電阻增大（R1<R2<R3）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)差率越大（）,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低。如圖一所示： 圖一 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的機(jī)械特性3 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的效率和節(jié)能問題 由于

4、電磁轉(zhuǎn)矩,在轉(zhuǎn)子回路中串電阻調(diào)速時(shí)，和為常數(shù)，在的前提下，調(diào)速時(shí)T不變，所以屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。從轉(zhuǎn)子效率上看可以看出，轉(zhuǎn)速越低，S越大，則效率越低。由于轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速線路簡(jiǎn)單，所用設(shè)備少，在對(duì)調(diào)速性能不高的生產(chǎn)機(jī)械，如電車提升機(jī)構(gòu)仍在應(yīng)用。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論電磁功率等于機(jī)械功率加上轉(zhuǎn)差功率，而轉(zhuǎn)差功率等于電磁功率的S倍，隨著轉(zhuǎn)速降低，S增大，轉(zhuǎn)差功率增大，所以不節(jié)能。但是，上式的成立僅指帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)差率S變而電磁功率不變的前提下是對(duì)的，這時(shí)調(diào)速是不節(jié)能的。然而，在風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載條件下，由于調(diào)速，轉(zhuǎn)軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方迅速下降，輸入電磁功率不是恒定的，而是按轉(zhuǎn)速的二次方下降，這時(shí)調(diào)

5、速是節(jié)能的。繞線型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻效率，n減小，S增大，所以減小，節(jié)能效果差。首先我們認(rèn)為節(jié)能效果的大小用效率來衡量是不確切的。節(jié)能效果是在風(fēng)機(jī)，泵供給流量相同的條件下看調(diào)速與不調(diào)速，電網(wǎng)輸入功率P1的變化大小。在由額定流量往小調(diào)節(jié)時(shí)，效率一般要逐漸降低，這僅說明P2比P1減少的多，由于P1逐漸減小，節(jié)能量在增加，所以節(jié)能效果與效率不是一回事。如圖二所示， 圖二所以轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與其他低效調(diào)速方法（如調(diào)壓調(diào)速，電磁調(diào)速，液力耦合器）相比軸功率等效于隨轉(zhuǎn)速二次方下降這一點(diǎn)是一樣的，所以說轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速在所有低效調(diào)速方法中節(jié)能效果是最高的，不管是高效還是低效都有很大節(jié)能效果。當(dāng)然高效方法節(jié)約

6、功率比低效多些。閉環(huán)控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析 為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，繪制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖是必須的。圖三（異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖）可以得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)框圖，如圖四所示。圖三 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖四 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖中各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下。（1） 速度調(diào)節(jié)器ASR為消除靜差，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，通常采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （2） 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置假設(shè)其輸入、輸出是線性的，其動(dòng)態(tài)特性可近似看成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 （3） 測(cè)速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋的濾波作用，其傳遞函數(shù)為 （4） 異步電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié) 由于異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多輸

7、入、多輸出，耦合非線性系統(tǒng)，用一個(gè)傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確描述異步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的輸入輸出關(guān)系是不的，因此，可以采用在其穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近微偏線性化的方法得到近似的傳遞函數(shù)。 圖五 異步電動(dòng)機(jī)在不同定子供電供壓下的機(jī)械特性曲線異步電動(dòng)機(jī)在其穩(wěn)定工作點(diǎn)A點(diǎn)（見圖五）的機(jī)械特性方程為 式中為異步電動(dòng)機(jī)在工作點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的同步旋轉(zhuǎn)角速度。通常在異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)附近s值很小，可以認(rèn)為 后者相當(dāng)于忽略異步電動(dòng)機(jī)的漏感電磁慣性。因此可以得到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)A附近的線性機(jī)械特性方程式 在A點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)，展開上式，忽略兩個(gè)以上微偏量乘積項(xiàng)得，將代入上式得電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為在工作點(diǎn)A穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，式中為異步電動(dòng)機(jī)在工作點(diǎn)A時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)在A點(diǎn)附近有微小偏差時(shí)， 兩式相減得， 根據(jù)上式異步電動(dòng)機(jī)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖六所示。 圖六 異步電動(dòng)機(jī)微偏線性化的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如果只考慮式中為異步電動(dòng)機(jī)傳遞系數(shù)；為異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。由于忽略了電磁慣性，異步電動(dòng)機(jī)