李發(fā)海電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)第四版第十章

1、 第十章 三相交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 交流電機(jī)的調(diào)速日趨完善，并有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。交流電動(dòng)機(jī)包括同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩種，異步電動(dòng)機(jī)又有鼠籠式和繞線式之分。下面分別討論之。 10.1 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 10.1.1 降壓調(diào)速 三相異步電動(dòng)機(jī)降壓人為機(jī)械特性，其同步速 不變，電磁轉(zhuǎn)矩 。對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其固有特性上的運(yùn)行點(diǎn)為圖 10.1中的 A點(diǎn)，降壓后的運(yùn)行點(diǎn)為 B 點(diǎn)，兩點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 三相異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，2風(fēng)機(jī)負(fù)載差極小，實(shí)用價(jià)值不大。 對(duì)風(fēng)機(jī)類負(fù)載，其負(fù)載特性如圖 10.1中的曲線 2 ，降壓運(yùn)行時(shí)，其工作點(diǎn)為 C、D、E ，雖然對(duì)應(yīng)各點(diǎn)轉(zhuǎn)速差較大，但低速運(yùn)行時(shí)存在過電流和功

2、率因數(shù)低的問題。一般鼠籠異步電動(dòng)機(jī)不采用降壓調(diào)速。 10.1.2 變極對(duì)數(shù)調(diào)速 改變定子繞組的接線方式，即可改變其磁極對(duì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)變極調(diào)速。圖 10.2（a）為A相繞組的接線方式， 與 頭尾相連，形成了四個(gè)磁極，見圖 10.2（b）。 如果改變連接方式，將 與 反向串聯(lián)如圖 10.3（a）示，或頭尾串聯(lián)后再反向并聯(lián)，如圖10.3（b），則形成了兩個(gè)磁極， 可見改變每相繞組中一半線圈的電流方向，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)便成倍變化，其同步速也成倍變化，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速也接近成倍地變化。 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)取決于定子的磁極數(shù)，而線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)不能隨定子磁極數(shù)自行改動(dòng)，故線

3、繞式異步電動(dòng)機(jī)不采用變極調(diào)速。 10.1.3 變頻調(diào)速 三相異步電動(dòng)機(jī)的同步速為 ，改變異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率 ，就能旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速，達(dá)到調(diào)速的目的。 10.1.3.1 從基頻向下變頻調(diào)速 三相異步電動(dòng)機(jī)的每相電壓 ，在頻率下調(diào)的同時(shí)必須降低電源電壓，否則將引起磁路飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，這是不允許的。降低電源電壓調(diào)速有兩種方法。 1.降低頻率 ，保持 常數(shù)，則 常數(shù)，是恒磁通控自式。調(diào)速過程中，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為（10-1） （10-1）為每極氣隙磁通為常數(shù)時(shí)的變頻調(diào)速機(jī)械特性方式，據(jù)此方程可推出最大轉(zhuǎn)矩 和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率 。令 ，即推得 （10-2）再將式（10-2）代入式（10-1）得（10

4、-3）式中 為轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，轉(zhuǎn)子一相繞組漏電感折合值，漏電抗折合值為 。上式表明，調(diào)速過程中最大轉(zhuǎn)矩保持不變。 最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)速降落為 （10-4）在保持 常數(shù)的變頻調(diào)速過程中，由于轉(zhuǎn)速降落為常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩又保持不變，故其各條機(jī)械特性是平行的，硬度相同，其機(jī)械特性見圖 10.4 。 這種調(diào)速方法與直流電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速類似，機(jī)械特性較硬，范圍寬，穩(wěn)定性好，屬無級(jí)調(diào)速，平滑性好。且正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，s 較小，則 值較小，效率也較高。 下面分析恒磁通調(diào)速的性質(zhì)，先分析電磁轉(zhuǎn)矩為常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)差率s 與電源頻率 的關(guān)系。 當(dāng) 常數(shù)，若 常數(shù)時(shí)，據(jù)式（10-2）有由于 C為常數(shù)，又有展開后解得 其中根據(jù) 的結(jié)論，

5、在 常數(shù)，且 T 不變時(shí)， 轉(zhuǎn)子電流則有 由于調(diào)速過程中，故為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 2. 保持 常數(shù) 降低頻頻率時(shí)，保持 常數(shù)，則氣隙每極磁通 常數(shù)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為（10-5）其最大轉(zhuǎn)矩 為（10-6） 上式表明，保持 常數(shù)，降低頻率時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩隨之降。當(dāng)頻率接近額定值時(shí)， ，隨 的下降，最大電磁轉(zhuǎn)矩 下降不多，當(dāng) 值較小時(shí)， 較小，隨 的下降，最大電磁轉(zhuǎn)矩 將明顯下降。其機(jī)械特性如圖 10.5所示。 與保持 常數(shù)的機(jī)械特性相比，該特性的低速部分變壞。保持 常數(shù)的機(jī)械特性也屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，證明從略。 10.1.3.2 從基頻向上的變頻調(diào)速（弱磁升速） 保持 不變升高頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為由于頻率

6、較高， 都小得多，故 及 分別為 （10-8） 因此，頻率升高時(shí)， 減小， 也減小，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落為 常數(shù) （10-9）根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式畫出的升高電源頻率的機(jī)械特性如圖 10.6所 示。 升高頻率，保持 不變，近似為恒功率調(diào)速方式。證明如下：由于正常運(yùn)行時(shí)，s很小， 比 、 都大得多，則后兩者可忽略。則 運(yùn)行時(shí)，若 保持不變，s 就變化很小，則 常數(shù)。 綜上所述，變頻調(diào)速有如下特點(diǎn)：（1）從基頻向下調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，從基頻向上調(diào)速近似 為恒功率調(diào)速方式；（2）調(diào)速范圍大；（3）轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好；（4）運(yùn)行時(shí)s小，效率高；（5）頻率可連續(xù)調(diào)節(jié)，屬無級(jí)調(diào)速。 10.1.3.3 變頻電源

7、變頻電源都采用大功率可關(guān)斷半導(dǎo)體器件，目前流行的是絕緣門極雙極晶體管IGPT。本節(jié)僅介紹用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的通用變頻器。 圖 10.7 為低壓變頻器的主電路，它由整流橋、濾波電容和逆變橋組成。整流橋?qū)⑷喙ゎl 380 V電壓整流成直流電壓，再由逆變橋進(jìn)行脈寬調(diào)制控制，輸出三相頻率和電壓可控的正弦交流電壓，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 在圖 10.7 的電路中，上、下各有一個(gè)橋臂導(dǎo)通時(shí)輸出高電平，而這兩個(gè)管子關(guān)斷時(shí)輸出為低電平，可見，這是一輸出電壓為兩電平的變頻器。 受 IGPT單管耐壓的限制，當(dāng)電源電壓較高（如3kv）時(shí)，宜采用圖 10.8所示的二極管嵌位式三電平變頻器。 所謂三電平是指輸出波形多了

8、一個(gè)臺(tái)階，更接近正弦波。 對(duì)于更高的供電電壓，如（6kv或10kv），宜采用多個(gè)低壓變頻器彼此串聯(lián)的方案。圖 10.9為串聯(lián) H 橋多電平高壓變頻器主電路。 圖 10.9 中，移相變壓器的一次側(cè)為三相高壓繞組，采用 連接。二次側(cè)為多個(gè)彼此獨(dú)立的三相低壓繞組，分別采用延邊三角形連接，實(shí)現(xiàn)輸出電壓間的移相功能，用以減小網(wǎng)側(cè)諧波。網(wǎng)側(cè)諧波。 圖10.9二次側(cè)的變頻器由許多功率單元串聯(lián)組成，每個(gè)單元的主電路如圖 10.10 所示。每個(gè)功率單元都有整流橋、濾波電容和逆變橋組成。其輸出電壓大小都相同。 將各功率單元按圖 10.9 彼此串聯(lián)，則提升了每相電壓，再將每相接成Y形，使其線電壓增加了 倍。 串聯(lián)

9、H 橋變頻器的輸出電壓為多電平，諧波小，輸出電壓更接近正旋波。 10.1.4 電磁轉(zhuǎn)差離合器 電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞和磁極兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部分組成，電樞部分與異步電動(dòng)機(jī)連接，是主動(dòng)部分；磁極部分與機(jī)械負(fù)載連接，是從動(dòng)部分。如圖 10.11所示。圖中電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極部分裝有勵(lì)磁繞組，電樞部分可以是鼠籠繞組，也可是整塊磁鋼。 異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)其電樞部分隨電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為 n，如圖 10.12 所示。當(dāng)磁極部分電流為零時(shí)，磁極與電樞間無磁的聯(lián)系，磁極及所連的負(fù)載不動(dòng)，相當(dāng)于“離”；當(dāng)磁極部分電流不為零時(shí)，兩者間就有磁的聯(lián)系，兩者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使電樞的鼠籠條中感應(yīng)電流，對(duì)著 N極的電流流出紙面，對(duì)

10、著 S 極的電流流入紙面，鼠籠條受力為 f ，形成逆時(shí)針方向的力矩，按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁極部分受到順時(shí)針方向的力矩，帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載以轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于“合”。此時(shí)機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)速 必定小于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n ,否則 ，這就是“轉(zhuǎn)差”的含義。電磁離合器的機(jī)械特性與異步電動(dòng)機(jī)相似，但空載理想轉(zhuǎn)速為 n而不是 。轉(zhuǎn)速相同時(shí)， 越大，電磁轉(zhuǎn)矩 T 也越大；若轉(zhuǎn)矩相同， 越大，轉(zhuǎn)速越高。電磁轉(zhuǎn)差離合器的機(jī)械特性如圖 10.13 所示。改變勵(lì)磁電流就可改變機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)速。 電磁轉(zhuǎn)差離合器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、控制方便、可平滑調(diào)節(jié)。但其機(jī)械特性較軟，穩(wěn)速性能較差，調(diào)節(jié)范圍較小，且低速時(shí)效率也較低。 電磁離合器與異步電動(dòng)機(jī)裝

11、成一體，稱為滑差電機(jī)或電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。 10.2 繞線式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 10.2.1 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入電阻調(diào)速 設(shè)轉(zhuǎn)子繞組電阻為 ，分別串入電阻 時(shí)，其機(jī)械特性如圖10.14 所示 。若拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率由 分別變?yōu)?。顯然，所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。 已知電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電壓一定時(shí)， 基本是定值，而轉(zhuǎn)子電流 維持額定值不變。 推導(dǎo)如下。轉(zhuǎn)子電流當(dāng)轉(zhuǎn)子電流保持不變時(shí)，必有 （10-1）轉(zhuǎn)子功率因數(shù)為 可見，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 當(dāng)福載轉(zhuǎn)矩 時(shí)，根據(jù)（10-10）有 其中 分別是轉(zhuǎn)子串入不同電阻 的轉(zhuǎn)差率。 此調(diào)速方法調(diào)速范圍不大，負(fù)載小時(shí)調(diào)速范圍更小。

12、從異步電動(dòng)機(jī)的功率有 上式表明欲擴(kuò)大調(diào)速范圍，必須增大轉(zhuǎn)差率，這將使轉(zhuǎn)子回路總銅秏增大，電機(jī)效率降低。轉(zhuǎn)速越低，情況月嚴(yán)重。 這種調(diào)速方式多用于低速運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)、調(diào)速性能不高的場(chǎng)合。 10.2.2 雙饋電機(jī)調(diào)速 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速可提高啟動(dòng)力矩，但調(diào)速范圍小，效率低。若采用雙饋調(diào)速法，則效果較好。所謂雙饋，是指繞線式異步電動(dòng)機(jī)定子繞組接一固定頻率的工業(yè)電源，而轉(zhuǎn)子繞組接一電壓幅值、頻率、相位可按需要調(diào)整的電源，來調(diào)速。 1. 雙饋電機(jī)的原理 雙饋調(diào)速系統(tǒng)不僅能調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，還能改變電動(dòng)機(jī)定子邊的功率因數(shù)。當(dāng)普通電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子有功電流有效值為 為了簡(jiǎn)化分析，忽略轉(zhuǎn)子漏電抗

13、，當(dāng)電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，轉(zhuǎn)子電流為常數(shù)， 即 。 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路接外電源時(shí)，各物理量的正方向如圖10.15所示。為了便于分析，用不帶撇的符號(hào)表示折合過的物理量。 下面分三種情況對(duì)其進(jìn)行討論。（1）轉(zhuǎn)子外接電壓 與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 反向 見圖10.16（a），剛加 時(shí)，合成電勢(shì)減小， 減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)子減速，轉(zhuǎn)差率增大，當(dāng)轉(zhuǎn)差率增至 時(shí)，使等于原來的 時(shí)，就能保持轉(zhuǎn)子電流 不變，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡， ，即低速運(yùn)行。此情況下，轉(zhuǎn)子電流為電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率為由于空載運(yùn)行時(shí)，s 值很小，由上式可得空載轉(zhuǎn)差為 ?？梢?，空載運(yùn)行時(shí)也能調(diào)速。（2）轉(zhuǎn)子外接電壓 與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 同相（

14、a） 的情況，如圖 10.16（b） 剛加入 時(shí)，轉(zhuǎn)子回路合成電勢(shì)增大， 增大，電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)又減小，直至 等于原來的 ，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到新平衡，此時(shí) ，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高。（b） 的情況，見圖 10.16（c）此時(shí)， 的作用就能產(chǎn)生 ，使轉(zhuǎn)子達(dá)到同步速，故 為零。（c） 的情況，如圖 10.16（d）這種情況下，轉(zhuǎn)子電流為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)差率為 ，空載運(yùn)行時(shí)，s很小，則有 同樣能把電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到高于同步速。（3）轉(zhuǎn)子外接電壓 與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì) 相位差 此時(shí)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子合成電動(dòng)勢(shì) 同相的電流 ， 包括有功電流 和無功電流 ，無功電流起到勵(lì)磁的作用。如圖 10.17 。 已知定子電流為忽

15、略定子邊漏阻抗，將定子端電壓 ，電流 都畫在圖10.17（a）中，可見，調(diào)節(jié) 可使定子邊的功率因數(shù)得到改善。 如果 與 的相位差為某一角度，如圖10.17（b），可將分解成 和 兩個(gè)分量，按上述方法分析。 圖10.17（b）為電機(jī)運(yùn)行于次同步速的情況，既能調(diào)速，又提高了定子功率因數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)的組成 異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)如圖10.18 所示，其中圖（a）是交直交變頻器供電，圖（b）是交交變頻器供電。 因轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率是隨轉(zhuǎn)速而變化的，因此要求任何轉(zhuǎn)速下，變頻器的輸出電壓 與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同頻率。 在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝上轉(zhuǎn)子頻率檢測(cè)器，利用此信號(hào)去自動(dòng)控制變頻器輸出電壓

16、 的頻率，可達(dá)到轉(zhuǎn)子頻率自控的目的，避免了電機(jī)的失步現(xiàn)象。這種控制方式具有過載能力大、抗干擾能力強(qiáng)、定子功率因數(shù)可調(diào)，可拖動(dòng)沖擊性負(fù)載，如用于軋鋼機(jī)中。 雙饋調(diào)速系統(tǒng)還能根據(jù)轉(zhuǎn)軸上機(jī)械功率的流向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行或發(fā)電機(jī)運(yùn)行，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。 10.2.3 晶閘管異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速 圖 10.19 是異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速主電路。轉(zhuǎn)子繞組接到整流橋的輸入側(cè)，整流后接到晶閘管逆變器的輸入端，逆變器的輸出接到異步電動(dòng)機(jī)定子的反饋繞組（定子有兩套繞組）。 運(yùn)行時(shí)，整流橋把異步機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差電動(dòng)勢(shì)變成直流，再經(jīng)逆變器將轉(zhuǎn)差功率 經(jīng)定子反饋繞組，送回交流電源。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的相電動(dòng)勢(shì)為 經(jīng)

17、三相整流后的直流電勢(shì)為式中 為整流系數(shù)。 逆變器直流側(cè)的電動(dòng)勢(shì)為式中 為逆變系數(shù)， 為逆變器二次側(cè)相電壓， 為逆變系數(shù)。 直流回路電流為 ，此式可寫成忽略 R 值，上式變?yōu)?當(dāng)整流器、逆變器都為三相橋式電路時(shí)， 得轉(zhuǎn)差率為由上式可知，改變逆變角的大小，就能改變轉(zhuǎn)差率，進(jìn)行調(diào)速。 電網(wǎng)的輸入功率為 P，異步電機(jī)輸入的有功功率為 ，電磁功率為 。電磁功率中一部分為轉(zhuǎn)差功率 ，另一部分為機(jī)械功率 。轉(zhuǎn)差功率中，一部分作轉(zhuǎn)子銅耗，另一部分減去整流器、逆變器、電抗器的損耗 就是回饋給電網(wǎng)的功率 ，即 。電網(wǎng)送給異步電動(dòng)機(jī)的功率為 ，總效率為 。圖 10.18是串級(jí)調(diào)速功率流程圖。 低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差功率較

18、大，大部分動(dòng)率回饋給電源，總效率較高。10.3 同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 由同步電動(dòng)機(jī)、變頻器、磁極位置檢測(cè)器和控制器組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為自控式同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如圖10.21所示。圖中MS是同步電動(dòng)機(jī)，PS 是位置檢測(cè)器。 改變自控式同步電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，即可調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，類似直流電機(jī)的調(diào)速特性且不需要機(jī)械式換向器，亦稱無刷直流電機(jī)。 10.3.1 交直交電流型自控式同步電動(dòng)機(jī) 圖10.22 是交直交電流型自控式同步電動(dòng)機(jī)原理圖。其主電路是由整流橋、逆變橋和平波電感器組成，使用的電力半導(dǎo)體器件 均為晶閘管。通過整流橋?qū)⒐ゎl整流為可控直流，再由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流交流電，供同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 其特點(diǎn)有： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用晶閘管少，控制方便，能適應(yīng) 惡劣的環(huán)境及高壓大容量高轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)； 能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速 ，調(diào)速范圍為10:1，并能四象限運(yùn)； 能實(shí)現(xiàn)恒流啟動(dòng)，啟動(dòng)方便、平穩(wěn)。但低速采用斷續(xù)換流，低速性能差，且過載倍數(shù)小。 10.3.2 交直交電壓型自控式同步電動(dòng)機(jī) 圖 10.23 為交直交電壓型自控式同步電動(dòng)機(jī)原理圖。圖中MS為永磁同步電動(dòng)機(jī)，主電路由三相不控整流橋、濾波電感及電容和大功率晶體管逆變器組成。整流橋?qū)⒐ゎl電轉(zhuǎn)換成恒定的直流電壓，濾波后送晶體管，用脈寬調(diào)制法經(jīng)逆變器產(chǎn)