三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速

三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速12.3能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速12.1變極調(diào)速12.2變頻調(diào)速本章主要介紹異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)與特性。本章小結(jié)§12－1變極調(diào)速變極調(diào)速是一種通過(guò)改變定子繞組極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的調(diào)速方式。在一定電源頻率下，由于同步速與極對(duì)數(shù)成反比，因此，改變定子繞組極對(duì)數(shù)便可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。改變定子的極對(duì)數(shù)，通常用改變定子繞組聯(lián)結(jié)法的方法。轉(zhuǎn)子為籠型，則轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)自動(dòng)隨定子的極對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)。也可以在電動(dòng)機(jī)上安裝兩組獨(dú)立的繞組，各個(gè)繞組聯(lián)結(jié)法不同構(gòu)成不同的極對(duì)數(shù)。改變極對(duì)數(shù)p都是成倍的變化，轉(zhuǎn)速也是成倍的變化，故為有級(jí)調(diào)速。改變定子繞組的聯(lián)結(jié)法改變繞組極對(duì)數(shù)的原理。見(jiàn)下頁(yè)圖12－1，12－2三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可由下式給出：由上式可見(jiàn)，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法大致分為如下幾種：變極調(diào)速；變頻調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；其中，改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法涉及：改變定子電壓的調(diào)壓調(diào)速；繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；電磁離合器調(diào)速；繞線式異步電動(dòng)機(jī)的雙饋調(diào)速與串級(jí)調(diào)速。圖12-1三相異步電動(dòng)機(jī)變極前后定子繞組的接線圖

圖12-1a、b、c分別為三相異步電動(dòng)機(jī)變極前后定子繞組的接線圖。其中，代表A相的半相繞組，代表A相的另一半相繞組。結(jié)論:只要改變定子半相繞組的電流方向便可以實(shí)現(xiàn)極對(duì)數(shù)的改變。

為了確保定子、轉(zhuǎn)子繞組極對(duì)數(shù)的同時(shí)改變以產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，變極調(diào)速一般僅適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。結(jié)論:對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，為了確保變極前后轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向不變，變極的同時(shí)必須改變?nèi)嗬@組的相序。這主要是極對(duì)數(shù)的改變會(huì)引起相序發(fā)生改變所致。圖12-2a三相異步電動(dòng)機(jī)Y/YY接變極調(diào)速的接線圖12-2b三相異步電動(dòng)機(jī)/YY接變極調(diào)速的接線a、Y/YY接變極調(diào)速

假定變極調(diào)速前后定子的功率因數(shù)、效率均不變，為了確保電動(dòng)機(jī)得到充分利用，每半相繞組中的電流應(yīng)均為額定值，于是變極前后電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩分別滿足下列關(guān)系：結(jié)論：Y/YY接變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

b、△/YY接變極調(diào)速

假定變極調(diào)速前后電機(jī)的功率因數(shù)、效率均不變，并設(shè)每半相繞組中的電流均為額定值，則/YY變極前后電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩分別滿足下列關(guān)系：結(jié)論：

/YY接變極調(diào)速屬于近似恒功率調(diào)速方式。

動(dòng)畫(huà)演示/YY接變極調(diào)速的機(jī)械特性

Y/YY接變極調(diào)速的機(jī)械特性§12－2變頻調(diào)速變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。一、變頻時(shí)的基本規(guī)律電動(dòng)機(jī)定子電路的電壓平衡方程式：當(dāng)U1不變時(shí)f1下降增大磁路過(guò)飽和f1上升減小輸出轉(zhuǎn)矩下降mF對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速對(duì)于恒功率調(diào)速原則：任何負(fù)載類型下變頻調(diào)速時(shí)都能保證電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力不變，由此推出：ml對(duì)變頻調(diào)速的要求：（1）主磁通，以防止定子鐵心過(guò)飽和；（2）電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力（或最大電磁轉(zhuǎn)矩）盡可能保持不變。a、基頻以下的變頻調(diào)速

由可知，要想確保主磁通不變，可滿足亦即變頻的同時(shí)必須調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)定子電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制?？紤]到因而，此時(shí)電機(jī)的過(guò)載能力保持不變。（1）保持=常數(shù)的機(jī)械特性

下面對(duì)兩種情況下變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性進(jìn)行討論：

根據(jù)T型等效電路，可以獲得用感應(yīng)電勢(shì)表示的電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：（7-14）利用可以獲得臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩分別為：上式表明：若采用=常數(shù)控制，則最大轉(zhuǎn)矩保持不變。對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速為：結(jié)論:

最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降與頻率無(wú)關(guān)。亦即:在變頻調(diào)速過(guò)程中，若保持=常數(shù)，則機(jī)械特性的硬度保持不變。即不同頻率下的機(jī)械特性是平行的。

三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性(=常數(shù))（2）保持=常數(shù)的機(jī)械特性

保持=常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的不變和最大轉(zhuǎn)矩不變。但考慮到定子電勢(shì)難以直接測(cè)量，實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)多采用=常數(shù)代替=常數(shù)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。現(xiàn)分析保持=常數(shù)時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。最大電磁轉(zhuǎn)矩為：

由此繪出保持=常數(shù)時(shí)變頻調(diào)速的典型機(jī)械特性如下圖所示。為便于比較，圖中還同時(shí)繪出了常數(shù)時(shí)的機(jī)械特性，如圖中的虛線所示。三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性(=常數(shù))

由上圖可見(jiàn)，保持=常數(shù)，當(dāng)減小時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩將有所降低。若忽略定子繞組電阻即令，則可推出：

由上式可見(jiàn)，的降低是由定子繞組電阻的影響所致。尤其是當(dāng)?shù)偷绞沟每梢耘c相比較時(shí)，下降嚴(yán)重。解決措施：可以對(duì)的線性關(guān)系加以修正，提高低頻時(shí)的，以補(bǔ)償?shù)皖l時(shí)定子繞組電阻壓降的影響（見(jiàn)下圖）。具有低頻補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)關(guān)系調(diào)速性質(zhì)的分析：

假定變頻調(diào)速過(guò)程中電機(jī)的功率因數(shù)、效率均不變，為了充分利用電動(dòng)機(jī)，每相繞組中的電流應(yīng)保持額定值不變。此時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩分別滿足下列關(guān)系：結(jié)論：

由于基頻以下的調(diào)速過(guò)程中保持=常數(shù)，基頻以下的變頻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，其輸出功率正比于定子頻率（或轉(zhuǎn)速）（見(jiàn)下圖）三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)所容許的輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率與頻率之間的關(guān)系

b、基頻以上的變頻調(diào)速

當(dāng)定子頻率超過(guò)基頻時(shí)，受電機(jī)繞組絕緣耐壓的限制，定子電壓無(wú)法進(jìn)一步提高，只能保持。此時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性：最大電磁轉(zhuǎn)矩：

臨界轉(zhuǎn)差率：（7-24）由上式得對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速為：結(jié)論：最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降與頻率無(wú)關(guān)，即機(jī)械特性的硬度保持不變。

右圖給出了三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的典型機(jī)械特性。

假定基頻以上變頻調(diào)速過(guò)程中電機(jī)的功率因數(shù)、效率均不變，每相繞組中的電流仍保持額定值不變。此時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩分別滿足下列關(guān)系：一般結(jié)論：基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；基頻以上為恒功率調(diào)速；變頻調(diào)速過(guò)程中，異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度保持不變，調(diào)速范圍寬；頻率連續(xù)可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。結(jié)論：由于基頻以上的調(diào)速過(guò)程中保持，基頻以上的變頻調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，其輸出轉(zhuǎn)矩反比于定子繞組的供電頻率（或轉(zhuǎn)速)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)變頻時(shí)的機(jī)械特性：12.3能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速一、轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻調(diào)速在額定電壓時(shí)，磁通定值，調(diào)速時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)速降低（s增高）時(shí)，效率下降，轉(zhuǎn)子損耗功率增高，故經(jīng)濟(jì)性不高。轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻的數(shù)值愈大，人為機(jī)械特性愈軟。轉(zhuǎn)子損耗功率為輸出功率為調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子電路的效率為轉(zhuǎn)子電路串接不同電阻時(shí)的人為特性二、改變定子電壓調(diào)速改變異步電動(dòng)機(jī)定子電壓的人為特性轉(zhuǎn)子電路電阻較高時(shí)改變定子電壓的人為特性多速電動(dòng)機(jī)在變極變壓時(shí)的機(jī)械特性三、滑差電動(dòng)機(jī)（一）電磁滑差離合器的調(diào)速原理滑差離合器的示意圖滑差離合器電樞內(nèi)渦流的方向與路徑當(dāng)繞組內(nèi)有電流通過(guò)時(shí)，在電樞與感應(yīng)子之間便有磁通相鏈，如圖中虛線所示。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞便以相應(yīng)的轉(zhuǎn)速在感應(yīng)子所建立的磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，于是電樞的各點(diǎn)上磁通處在不斷重復(fù)的變化之中，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，電樞上將出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)感應(yīng)子也旋轉(zhuǎn)時(shí)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為動(dòng)畫(huà)在此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，電樞內(nèi)將出現(xiàn)渦流，其值為渦流與感應(yīng)子磁場(chǎng)相互作用力為轉(zhuǎn)矩為如主動(dòng)與從動(dòng)部分間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即，則。因此電樞與感應(yīng)子間必須存在轉(zhuǎn)速差，這點(diǎn)與異步電動(dòng)機(jī)的工作原理極為相似。其區(qū)別僅在于異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由三相交流電流產(chǎn)生，而滑差離合器的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)則由直流電流產(chǎn)生，由于電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)才起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用。（二）電磁滑差離合器的幾種結(jié)構(gòu)類型1．雙電樞無(wú)集電環(huán)滑差離合器2．杯形電樞滑差離合器3．爪式無(wú)集電環(huán)滑差離合器（三）電磁滑差離合器的調(diào)速性能滑差離合器的輸入功率滑差離合器的輸出功率如果調(diào)速時(shí)離合器效率為滑差離合器在實(shí)際應(yīng)用中總是與異步電動(dòng)機(jī)組合在一起的，因此滑差電動(dòng)機(jī)的總效率為可見(jiàn)，滑差電動(dòng)機(jī)的效率隨轉(zhuǎn)速之下降而下降，而損耗功率則隨轉(zhuǎn)速之下降而增高。四、串級(jí)調(diào)速（一）串級(jí)調(diào)速的一般原理中等以上功率的繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)或電子設(shè)備串級(jí)聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，稱為串級(jí)調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速，就是在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)引入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。引入電動(dòng)勢(shì)的方向，可與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)方向相同或相反，其頻率則與轉(zhuǎn)子頻率相同。1．與同相未引入時(shí)引入后

未引入時(shí)

超前90°2．與反相顯然，對(duì)于右圖所示超前某一角度的一般情況，可將分解為二個(gè)分量，即與同相的分量，和超前90°的分量，它們既能使電動(dòng)機(jī)調(diào)速，又能提高定子的功率因數(shù)sE2sE2sE2

超前某一角度轉(zhuǎn)子電路電壓相量圖

（二）串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性根據(jù)相量圖異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)子電流的有功分量1．時(shí)轉(zhuǎn)矩為2．時(shí)轉(zhuǎn)矩為或（三）晶閘管串級(jí)調(diào)速的基本原理

晶閘管串級(jí)調(diào)速具有調(diào)速范圍寬，效率高（轉(zhuǎn)差功率可反饋電網(wǎng)），便于向大容量發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，是