三相异步电动机的启动及调速系统设计与应用论文.doc

三相异步电动机的启动及调速系统设计与应用三相异步电动机的启动及调速系统设计与应用 摘要摘要 文章从理论上研究了三相异步电动机的启动方法与调速系统的设计 给出了三相 异步电动机在工作时采用了电动机拖动生产机械 有足够大的启动转矩 保证了 生产机械正常启动 启动平滑 设备安全可靠 结构简单 操作方便等特点 有 许多启动方法 如 直接启动 鼠笼式异步电动机降压启动 三相鼠笼式异步电 动机 Y 启动绕线式三相异步电动机的启动及各种运行状态 调速就是在一定的 负载下 根据生产的需要人为的改变电动机的转速 这是生产机械经常向电动机 提出的要求 调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量 变频 调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 通过改 变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的 关键词 三相异步电动机 电机转速 功率因数 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 2 ABSTRACT Article theoretically studied three phase asynchronous motor startup method and speed control system design and gives the three phase asynchronous motor work when using the motor drag machinery are large enough to start torque ensure the production machinery booting normally Starting smoothness equipment safe and reliable simple structure convenient operation etc There are many start up methods such as direct start a rat trap type three phase asynchronous motor step down start a rat trap type asynchronous motor Y train start winding type three phase asynchronous motor start up and various operating status Speed is in certain load according to the needs of the production of the artificial change the turning speed of the motor this is often manufacturing machinery to motor of the request Speed the performance often affect production machinery work efficiency and product quality Variable frequency regulating speed technology is based on the basic principle of the motor speed and work power input frequency is proportional to the relationship by changing the motor work power frequency to change the motor speed purpose 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 3 目录目录 摘要摘要 2 2 ABSTRACTABSTRACT 3 3 第一章第一章 绪论绪论 5 5 第二章第二章 三相异步电动机启动方案三相异步电动机启动方案 6 6 2 1三相异步电动机直接启动 6 2 2 1定子串电抗器启动 7 2 2 2星 三角启动 9 2 2 3自耦减压启动 11 2 3绕线式三相异步电动机的启动 13 2 3 2 转子串频敏变阻器起动 14 第三章第三章 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 1616 3 1调速简介 16 3 2调速方法 18 3 3 3 3笼型异步电动机的变频调速笼型异步电动机的变频调速 2020 f1fN 21 3 4 变频调速的主要性能 22 3 3 5 5 具体设计具体设计 2222 结结 论论 2424 致谢致谢 2525 参考文献参考文献 2626 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 4 第一章第一章 绪论绪论 目前 工业中原动力主要由电动机提供 电动机可分为直流和交流电机 由 于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供 尤其以鼠笼式电机居多 根据统计 在电网的总负载中 动力负载约占 59 而 异步电机则占总动力负载中的 85 由此可见异步电动机在工农业中的重要性 异步电机的应用范围是非常广的 容量从几十瓦一直到几千瓦 应用在各种行业 例如 在工业方面 中小型的轧钢设备都采用异步电机 它也被广泛地用在各种 机床上和在各种轻工业中作为一般的动力装备 在矿山上 它常用来拖动卷扬机 和鼓风机等 在农业方面 它被用来拖动水泵和其它副产品加工机械 此外 它 在人民日常生活中也越来越占重要地位 例如电扇 冷冻机 和各种医疗机械钟 也都采用异步电机 总之 异步电动机应用范围广 需要量大 而且随着电气化 自动化的发展 它在工农业生产和人民生活中的重要性也将逐步增大 与直流电机相比 交流电机有结构简单 成本低 可靠性高等一系列优点 但是相对欠缺的是其启动性能和调速性能 作为调速性能 随着变频技术的发展 已经得到了很好的解决 所以一直处于弱势的是其启动性能 因为在该阶段 由 于启动过程中措施不到位导致电流过大有可能会出现烧毁电机和引发电网故障的 现象 所以在工程界比较重视电机的启动问题 随着我国现代化工业进程不断加快 能源消耗越来越大 能源紧张问题日益 突出 作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖 对于带周期性负 载和长期轻载运行的电机 在不采取节能措施情况下用电效率低 功率因数低 1 2 3 通过对电动机进行节能控制 可明显提高用电效率和提高功率因数 达到节能降耗的目的 4 8 因此 电动机经济运行的理论研究和节能技术研究 近年来备受关注 三相异步电机主要用作电动机 拖动各种生产机械 例如 在工业应用中 它可以拖动风机 泵 压缩机 中小型轧钢设备 各种金属切削机床 轻工机械 矿山机械等 在农业中 可以拖动水泵 脱粒机 粉碎机以及其他农副产品的加 工机械等 在民用电器中 电扇 洗衣机 电冰箱 空调机等都有单相异步电动 机拖动 总之 异步电动机应用范围广 需要量大 是实现电气化不可缺少的动 力设备 异步电动机运行时 定子绕组接到交流电源上 转子绕组自身短路 由于电 磁感应的关系 在转子绕组中产生电动势 电流 从而产生电磁转矩 所以 异 步电机又叫感应电机 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 5 第二章第二章 三相异步电动机启动方案三相异步电动机启动方案 2 12 1三相异步电动机直接启动三相异步电动机直接启动 三相异步电动机直接启动是指电动机直接加额定电压 定子回路不串任何电 器元件时的启动 特点 电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等 三相异步 电动机的启动要满足生产机械对异步电动机启动性能的要求启动转矩要大 以保 证生产机械的正常启动 缩短启动时间 启动电流要小 以减小对电网的冲击 由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道 在额定电压下直接起动三相 异步电动机 即转差率 S 1 主磁通 额定磁通的 1 2 功率因数 cos 很小 造成了起动电流相当大而起动转矩 并不大的结果 例如 对于普通鼠笼式异步 电动机 起动电流 4 7 IN 为起动电流倍数 起动转矩 TN 0 9 1 3 对于绕线式三相异步电动机的起动转矩 T S TN 起动电流过大 对电网冲击大 使电网电压降低 对电机前端供电变压器影 响大 使得变压器输入电压幅度下降 超过了额定值的允许偏差 10 或更 严重 这样 一方面影响了异步电机本身 由于 Tst 与电压 U 的平方成正比 导 致 Tst 下降更多 当重载时电机将不能起动 另一方面 影响由同一台供电变压 器供电的其它负载 如电灯会变暗 用电设备失常 重载的异步电机可能停转等 下面两种情况不能直接启动 变压器与 电机容量之比不足够大 启动转矩不 能满足要求 综上所述 三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大 电动 机容量小于 7 5kw 的小容量鼠笼式异步电机 对于大容量鼠笼式异步电机和绕线 式异步电动机可采用如下方法 1 降低定子电压 2 加大定子端电阻或电抗 3 对于绕线式异步电 机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法 对于鼠笼式异步电机 可以结构上 采取措施 如增大转子导条的电阻 改进转子槽形 总结 直接起动即全压起动 直接启动的条件 由于直接启动的启动电流很 大 因此在什么情况下采用直接启动 有关供电 动力部门都有规定 主要取决 于电动机的功率与供电变压器的容量之比值 一般在有独立变压器供电 即变压器供动力用电 的情况下 1 若电动机启动频繁时 电动机功率小于变压器容量的 20 时允许直接启动 2 若电动机不经常启动 电动机功率小于变压器容量的 30 时也允许直接启动 如果没有独立的变压器供电 即与照明共用电源 的情况下 电动机启动比较频 繁 则常按经验公式来估算 满足下列关系则可直接启动 全压起动条件 1 异步电动机功率低于 7 5KW 2 kf小于或等于 1 4 乘以 3 加电源总容量 启动电动机容量 直接起动时的影响 f 3 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 6 1 起动电流较大 可达额定电流的 4 7 倍 甚至达到 8 12 倍 2 过大的起动电流造成电机过热 影响电动机的寿命 3 过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击 绕组变形可能造成短路而烧 毁电动机 4 过大的起动电流会使电网线路电压降增大 对同一线路中的其他电器设备 造成影响 2 22 2三相鼠笼式异步电动机启动三相鼠笼式异步电动机启动 2 2 12 2 1 定子串电抗器启动定子串电抗器启动 起动时电抗器接入定子电路 起动后 切除电抗器 进入正常运行 三相异步电动机直接起动时 每相等效电路如图 1 1 所示 电源额定电 压直接加在短路阻抗上 定子侧串入电抗 X 起动时 每相等效 nU kkk jXRZ 电路如图 1 2 所示 Un 加在 jX 上 而上的电压是 U 定子侧串电 k Z k Z 抗起动可以理解为增大定子侧电抗值 也可以理解为降低定子侧实际所加电压 其目的是减小起动电流 在定子侧串入电抗后 其堵转电流为 I s 图 1 1 直接起动 图 1 2 定子串电抗起动 kk N s Z U jXZ U I 1 三相异步电动机直接起动的时候转子功率因数很低 这是由于电动机设计时 短路阻抗中 所致 一般的说 因此 KKK ZRjX KK XZ 0 9 KK XZ 串电抗起动时 可以近似把 ZK的模值与 X 相加 而不考虑阻抗角 误差不大 设 串电抗时电动机定子电压与直接起动时定子的额定电压比值为 u 则 1 U NU 1 K nK zU U UZX 1 1 k s sk ZIU U IUZX 222 1 1 k s sk ZTU u TUZX 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 7 式中 分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转电流 分别是定 SS I I SS T T 子串电抗与不串电抗时候的堵转转矩 当选定 u 时 定子应串的电抗为 k Z u u X 1 从减小起动电流和改善电网电压品质的角度看 定子回路中串电阻或是串电 抗效果是一样的 但是串电阻将增加起动损耗 浪费电能 只有在电机容量较小 时才允许使用 大中型电机仅采用串电抗起动 定子回路串电阻或是电抗都能减 小起动电流 使得电网的冲击电流减小 对改善电网的稳定性是有利的 但是 问题的另一面是 随着起动电流的减小 电机产生的起动转矩也随着变化 有必 要对起动转矩进行校验 看它是否能满足生产工艺的要求 拖动系统是否能顺利 的升速到要求的转速根据图示的等值电路 起动时的电磁功率为 1 qKsD MRIP 对于恒定的同步角速度 起动转矩和起动电流的平方成正比 利用这个重 要关系式可以得出结论 不管是定子回路串电阻还是电抗 只要能将起动电流改 变为直接起动是的倍 则起动转矩就将变成直接起动时的倍 显然 如果起a 2 a 动电流是直接起动时的 1 2 则起动转矩将是直接起动时的 1 4 因为鼠笼异步 机的直接起动转矩本来就不大 采用定子回路串电阻或是电抗后起动转矩就更小 必须对这种起动转矩的大幅度下降进行校验 看它是否能保证拖动系统顺利完成 起动任务 一般地说由于起动转矩较小 所以定子回路串阻抗的起动方法只适用 于轻载起动或者是空载起动的生产机械 2 2 22 2 2 星星 三角启动三角启动 凡正常运行时定子绕组接成三角形的是三相鼠笼式异步电动机 在启动时临 时成星形 待电动机启动后接近额定转速时 在将定子绕组通过 Y 降压启动 装置接换成三角形运行 这种启动方法叫 Y 降压启动 属于电动机降压启动 的一种方式 由于启动时定子绕组的电压只有原运行电压的 启动力矩较小只有 原力矩的 所以这种启动电路适用于轻载或空载启动的电动机 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 8 三相异步电动机 Y 降压控制接线示意图 特点 定子绕组星形接法时 启动电压为直接启动采用三角形接法的 1 3 起 动电流为三角形接法的 1 3 因而启动电流特性好 线路比较简单 投资少 其中 启动转矩特性差 所以该线路适应用于轻载或空载启动场合 线路分析如下 1 合上空气开关 QF 接通三相电源 2 按下启动按钮 SB2 首先交流接触器 KM3 线圈通电吸合 KM3 的三对主触 头将定子绕组尾端联在一起 KM3 的辅助常开触点接通使交流接触器 KM1 线圈通 电吸合 KM1 三对主常触头闭合接通电动机定子三相绕组的首端 电动机在 Y 接 下低压启动 3 随着电动机转速的升高 待接近额定转速时 或观察电流表接近额定电流 时 按下运行按钮 SB3 此时 BS3 的常闭触点断开 KM3 线圈的回路 KM3 失电释 放 常开主触头释放将三相绕组尾端连接打开 SB3 的常开接点接通中间继电器 KA 线圈通电吸合 KA 的常闭接点断开 KM3 电路 互锁 KM3 的常开接点吸合 通过 SB2 的常闭接点和 KM1 常开互锁接点实现自保 同时通过 KM3 常闭接点 互 锁 使接触器 KM2 线圈通电吸合 KM2 主触头闭合将电动机三相绕组连接成 使电动机在 接法下运行 完成了 Y 接压启动的任务 4 热继电器 FR 作为电动机的过载保护 热继电器 FR 的热元件接在三角形的 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 9 里面 流过热继电器的电流是相电流 定值时应按电动机额定电流的 计算 5 KM2 及 KM3 常闭触点构成互锁环节 保证了电动机 Y 接法不可能同时 出现 避免发生将电源短路事故 三相异步电动机 Y 降压控制接线示意图安装注意事项 1 Y 降压启动电路 只适用于 形接线 380V 的鼠笼异步电动机 不可 用于 Y 形接线的电动机应为启动时已是 Y 形接线 电动机全压启动 当转入 形 运行时 电动机绕组会应电压过高而烧毁 2 接线时应先将电动机接线盒的连接片拆除 3 接线时应特别注意电动机的首尾端接线相序不可有错 如果接线有错 在 通电运行会出现启动时电动机左转 运行时电动机右转 应为电动机突然反转电 流剧增烧毁电动机或造成掉闸事故 4 如果需要调换电动机旋转方向 应在电源开关负荷侧调电源线为好 这样 操作不容易造成电动机首尾端接线错误 5 电路中装电流表的目的 是监视电动机起动 运行电流的 电流表的量 程应按电动机额定电流的 3 倍选择 常见故障 1 Y 启动过程正常 但按下 SB3 后电动机发出异常声音转速也急剧下降 这 是为什么 分析现象 接触器切换动作正常 表明控制电路接线无误 问题出 现在接上电动机后 从故障现象分析 很可能是电动机主回路接线有误 使电路 由 Y 接转到 接时 送入电动机的电源顺序改变了 电动机由正常启动突然变成 了反序电源制动 强大的反向制动电流造成了电动机转速急剧下降和异常声音 处理故障 核查主回路接触器及电动机接线端子的接线顺序 2 线路空载试验工作正常 接上电动机试车时 一起动电动机 电动机就 发出异常声音 转子左右颤动 立即按 SB1 停止 停止时 KM2 和 KM3 的灭弧罩内 有强烈的电弧现象 这是为什么 分析现象 空载试验时接触器切换动作正常 表明控制电路接线无误 问题出现在接上电动机后 从故障现象分析是由于电动 机缺相所引起的 电动机在 Y 起动时有一相绕组为接入电路 电动机造成单相启 动 由于缺相绕组不能形成旋转磁场 使电动机转轴的转向不定而左右颤动 处理故障 检查接触器接点闭合是否良好 接触器及电动机端子的接线是否 紧固 2 2 32 2 3 自耦减压启动自耦减压启动 在定子回路中串阻抗虽然能满足电网减小起动电流的要求 但是往往因为起 动转矩过小而满足不了生产工艺的要求 为了解决这个矛盾人们采用自耦减压起 动 三相鼠笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动称为自耦减压起动 其接线 图如图所示 起动时 开关 K 投向起动一边 电动机的定子绕组通过自耦变压器 接到三相电源上 当转速升高到一定程度后 开关 K 投向运行边 自耦变压器被 切除 电动机定子直接接到电源上 电动机进入正常运行 自耦减压起动时 一相电路如图所示 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 10 自耦减压起 自耦减压起动一相电路 电动机起动电压下降为 U 与直接起动时电压 UN的关系为 2 1N NU UN 电动机降压起动电流为 与直接起动时的起动电流之间关系为 S I S I 2 1 S SN INU IUN 自耦变压器高压边的起动电流为 与之间的关系为 S I S I 2 1 S S IN IN 因此 降压起动与直接起动相比 供电变压器提供的起动电流的关系为 S I 2 2 1 S S IN IN 自耦变压器降压时电动机的堵转转矩为 与直接起动时的堵转转矩之间的关 S T s T 系为 22 2 1 S SN TNU TUN 由以上可以看出 采用自耦减压起动时 与直接起动相比较 电压降低到 N2 N1 倍 堵转电流与堵转转矩降低到 N2 N1 2倍 换句话说 如果采用自耦减压起 动 则起动电流变化的比值和转矩变化的比值相等 都是直接起动时的 KA分之 一 自耦减压起动 比起定子串阻抗起动 当限定的起动电流相同时 堵转转矩损失 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 11 较少 比 Y 起动灵活 并且当 N2 N1较大时 可以拖动较大的负载起动 但是 自耦变压器体积大 价格高 也不能带重负载起动 自耦减压起动在较大 容量鼠笼型异步电动机上广泛应用 前面介绍的几种鼠笼型异步电动机的降压起动方法 主要目的都是减小起动电流 但同时有都程度不同地降低了堵转转矩 因此 只适合空载或轻载起动 尤其要 求起动过程很快的情况下 则经常需要堵转转矩较大的异步电动机 加大堵转转 矩的方法是增大转子电阻 对于绕线型异步电动机 则可在转子回路内串电阻 对于鼠笼型异步电动机 只有设法加大鼠笼本身的电阻值 2 2 3 3 绕线式三相异步电动机的启动绕线式三相异步电动机的启动 2 3 1 转子回路串电阻转子回路串电阻 绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻 可以减小定子电流 当所串入的 电阻 RS合适 可以增大堵转转矩值 当所串电阻折合值为 S R 212S RRXX 122S RXXR 即 Sm 1 电动机的堵转转矩达最大值 为什么在绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻后 定 转子电流减小了 而 堵转转矩却能增大 从电动机电磁转矩公式知道 在气隙每极磁通 2 2 cos IC mT 量一定时 电磁转矩 T 与转子有功电流成正比 已知串入电阻 RS后 m 2 2 cos I 转子功率因数角为 s s RR X 2 2 2 arctan 即角比不串时小很多 使得值增大 尽管刚起动时 因为串电阻使 2 S R 2 cos S R 得减小 但值的增大 使得转子有功电流反而增大了 从而增大 2 I 2 cos 22cos I 堵转转矩值 当然 过分增大所串电阻 虽然会增大 其极限值为 1 S R 2 cos 因转子电流减小使堵转转矩也跟着减小 图 1 7 a 是绕线型异步电动机转子串电阻的示意图 为了简单 也有采用 图 1 7 b 不对称电阻 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 12 图 1 7 a 图 1 7 b 绕线型三相异步电动机多用在拖动那些要求堵转转矩大的生产机械 如起重机械 球磨机 空压机 皮带运输机以及矿井提升机等 为了减小绕线型三相异步电动机运行时电刷与集电环间的摩擦损耗 有些电机安 装了电刷提起装置 当电动机起动完毕后 把转子三相绕组彼此短路 将电刷从 集电环上举起 2 3 22 3 2 转子串频敏变阻器起动转子串频敏变阻器起动 对于那些单纯为了限制起动电流增大堵转转矩的绕线型异步电动机 可以采 用转子串频敏变阻器起动 如图 1 8 所示 频敏变阻器是一个三相铁心线圈 它的铁心是由实心铁板或钢板叠加而成 板的厚度为 30 50mm 图 1 8 中 接触器点 K 断开时 电动机转子串入频敏变阻器起动 起动过程结束后 接触器 点 K 再闭合 切除频敏变阻器 电动机进入正常运行 频敏变阻器每一相的等效电路与变压器空载运行时的等效电路是一致的 忽略绕 组漏阻抗时 其励磁阻抗为励磁电阻与励磁电抗串联组成 用表示 PPP ZRjX 但是 与一般变压器励磁阻抗不完全相同 主要表现在以下两点 频率为 50HZ的电流通过时 阻抗比一般的变压器励磁阻抗小的 PPP ZRjX 多 这样 串在转子回路中 既限制了定 转子电流 又不致使堵转电流过小而 减小堵转转矩 频率为 50HZ的电流通过时 其原因 频敏变阻器中磁通密度取的较 P R P X 高 铁心处于饱和状态 励磁电流较大 因此 励磁电抗较小 而铁心是厚 P X 铁板或后钢板的 磁滞 涡流损耗都比较大 频敏变阻器的单位重量铁心中的损 耗 与一般变压器相比较要大几百倍 因此较大 P R 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 13 图 1 8 转子串频敏变阻器起 动 绕线型三相异步电动机转子串频敏变阻器起动 时 s 1 转子回路 频率为 50HZ 因为 P R 转子回路主要是 P X 串入了电阻 提高了转子 回路的功率因数 既限制了堵转电流 又提高 了堵转转矩 起动过程中 随着转速升高 转子回路频率逐渐降低 频敏变阻器中铁损耗减 1 sf 小 电阻也小 电抗也小 正因如此 电动机在几乎整个起动过程中始终 P R P X 保持较大的电磁转矩 为了用户的方便 频敏变阻器的等效阻抗是可以调节的 实际的频敏变阻器线圈 上都有几级中间抽头 供使用时选择一个比较合适的等效阻抗值 铁损和磁密的 平方成正比 改变线圈的匝数将引起等效阻抗的较大变化 中间抽头受到结构条 件的限制 只能是有限的几种 不可能适应紧密调节的需要 为了将起动电流和 起动转矩比较准确的整定在要求的数值上 频敏变阻器都装有调节气隙长度的活 动铁心 气隙越大 磁密越小 等效阻抗也愈小 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 14 第三章第三章 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 3 3 1 1 调速简介调速简介 调速就是在一定的负载下 根据生产的需要人为的改变电动机的转速 这是 生产机械经常向电动机提出的要求 调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作 效率和产品质量 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 n 60 f 1 s p 式中 n f s p 分别表示转速 输入频率 电机转差率 电机磁极对数 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的 三相异步电动机转速公式为 n 60f p 1 s 从上式可见 改变供电频率 f 电动机的极对数 p 及转差率 s 均可太到改变转速的目的 从调速的本质来看 不 同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种 在生产 机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速 斩波调速 串级调速以及应用电磁转差离合器 液力偶合器 油膜离合器等调速 改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机 改变定子电压 频率的变频调 速有能无换向电动机调速等 从调速时的能耗观点来看 有高效调速方法与低 效调速方法两种 高效调速指时转差率不变 因此无转差损耗 如多速电动机 变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法 如串级调速等 有转差损耗的调 速方法属低效调速 如转子串电阻调速方法 能量就损耗在转子回路中 电磁离 合器的调速方法 能量损耗在离合器线圈中 液力偶合器调速 能量损耗在液力 偶合器的油中 一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加 如果调速范围不大 能量损耗是很小的 电动机的调速指标 调速范围 电动机在满载 电流为额定值 情况下所能得到的最高转速与最 低转速之比称为调速范围 用 D 表示 即 minmax min max nn n n D 例如 4 1 10 1 等 不同生产机械要求的调速范围各不相同 调速方向 调速方向指调速后的转速比原来的额定转速 基本转速 高还是 低 若比基本转速高 称为往上调 比基本转速低 称为往下调 调速平滑性 调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明 级 数越多 相邻两转速的差值越小 平滑性越好 如果转速只能跳跃式的调节 例 如只能从 3000 r min 一下调节到 1500 r min 再又调节到 1000 r min 等 两者中间的转速无法得到 这种调速称为有级调速 stepped speed regulation 如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速 stepless speed regulation 无级调速的平滑性当然比有级调速好 平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量 称为平滑系数 smooth factor 即 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 15 1 i i n n 越接近于 1 平滑性越好 无级调速时 1 平滑性最好 调速稳定性 调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时 负载变 化而引起转速变化的程度 通常用静差率 static slip 来表示 其定义为 在某一机械特性上运行时电动机有理想空载到满载时的转速差与理想空载转速之 百分比 即 100 0 0 n nn f 越小 稳定性越好 静差率与机械特性的硬度有关 机械特性的硬度的定义为 n T dn dT 越大 转矩变化时 n 变化的程度就越小 机械特性就越硬 静差率 就越小 稳定性就越好 静差率还与理想空载转速 n0 的大小有关 例如两条平 行的机械特性硬度相同 中的 n0 nf 相同 由于 n0不同 它们的 100 0 0 n nn f 就不同 n0大的 小 n0小的 就大 生产机械在调速时 为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求 静差率还会对调速范围起到制约的作用 因为如果调速时所得到的最低转速 下的 太大 则该转速的稳定性太差 便难以满足生产机械的要求 调速时的允许负载 电动机在各种不同转速下满载运行时 如果允许输出 的功率相同 则这种调速方法称为恒功率调速 constant power speed adjustment 如果允许输出的转矩形同 则这种调速方法称为恒转矩调速 speed control with constant torque 不同的生产机械对此的要求往往不同 例如切削机床 要求精加工小切削量 时 工件转速高 粗加工大切削量时 工件转速低 因此 它希望电动机能具有 恒功率调速的性能 另一类生产机械 例如起重机 卷扬机等则要求电动机在各 种转速下都能输出同样的转矩 因此 它希望电动机具有恒转矩调速的性能 那么对于三相异步电动机来说 由于 p f snsn 1 0 60 1 1 所以三相异步电动机的调速方法可以分为两大类 一类是通过改变同步转速 n0来改变转速 n 具体方法有变极调速 改变 p 和变频调速 改变 f1 另一类 是通过改变转差率 s 来实现调速 这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为 特性上运行 具体方法有变压调速 改变 U1 转子电路串电阻调速 改变 R2 等等 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 16 3 3 2 2 调速方法调速方法 1 变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调 速目的 特点如下 具有较硬的机械特性 稳定性良好 无转差损耗 效率高 接线简单 控制方便 价格低 有级调速 级差较大 不能获得平滑调速 可以与调压调速 电磁转差离合器配合使用 获得较高效率的平滑调速特性 本方法适用于不需要无级调速的生产机械 如金属切削机床 升降机 起重设备 风机 水泵等 2 变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率 从而改变其同步转速的调速方法 变频 调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 变频器可分成交流 直流 交流变 频器和交流 交流变频器两大类 目前国内大都使用交 直 交变频器 其特点 效率高 调速过程中没有附加损耗 应用范围广 可用于笼型异步电动机 调速范围大 特性硬 精度高 技术复杂 造价高 维护检修困难 本方法适用于要求精度高 调速性能较好场合 3 串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转 差 达到调速的目的 大部分转差功率被串入的附加电势所吸收 再利用产生附 加的装置 把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用 根据转差功率吸收 利用方式 串级调速可分为电机串级调速 机械串级调速及晶闸管串级调速形式 多采用晶闸管串级调速 其特点为 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 17 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上 效率较高 装置容量与调速范围成正比 投资省 适用于调速范围在额定转速 70 90 的 生产机械上 调速装置故障时可以切换至全速运行 避免停产 晶闸管串级调速功率因数偏低 谐波影响较大 本方法适合于风机 水泵及轧钢机 矿井提升机 挤压机上使用 4绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻 使电动机的转差率加大 电动机在较低的 转速下运行 串入的电阻越大 电动机的转速越低 此方法设备简单 控制方便 但转差功率以发热的形式消耗在电阻上 属有级调速 机械特性较软 5 定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时 可以得到一组不同的机械特性曲线 从而获得不同 转速 由于电动机的转矩与电压平方成正比 因此最大转矩下降很多 其调速范 围较小 使一般笼型电动机难以应用 为了扩大调速范围 调压调速应采用转子 电阻值大的笼型电动机 如专供调压调速用的力矩电动机 或者在绕线式电动机 上串联频敏电阻 为了扩大稳定运行范围 当调速在 2 1 以上的场合应采用反 馈控制以达到自动调节转速目的 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源 目前常用的调压方式有串联 饱和电抗器 自耦变压器以及晶闸管调压等几种 晶闸管调压方式为最佳 调压 调速的特点 调压调速线路简单 易实现自动控制 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中 效率较低 调压调速一般适用于 100KW 以下的生产机械 6电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机 电磁转差离合器和直流励磁电源 控制器 三部 分组成 直流励磁电源功率较小 通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成 改 变晶闸管的导通角 可以改变励磁电流的大小 电磁转差离合器由电枢 磁极和励磁绕组三部分组成 电枢和后者没有机械 联系 都能自由转动 电枢与电动机转子同轴联接称主动部分 由电动机带动 磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分 当电枢与磁极均为静止时 如励磁绕组 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 18 通以直流 则沿气隙圆周表面将形成若干对 N S 极 替的磁极 其磁通经过电 枢 当电枢随拖动电动机旋转时 由于电枢与磁极间相对运动 因而使电枢感应 产生涡流 此涡流与磁通相互作用产生转矩 带动有磁极的转子按同一方向旋转 但其转速恒低于电枢的转速 N1 这是一种转差调速方式 变动转差离合器的直流 励磁电流 便可改变离合器的输出转矩和转速 电磁调速电动机的调速特点 装置结构及控制线路简单 运行可靠 维修方便 调速平滑 无级调速 对电网无谐影响 速度失大 效率低 本方法适用于中 小功率 要求平滑动 短时低速运行的生产机械 7 液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置 一般由泵轮和涡轮组成 它们统称工作轮 放在密封壳体中 壳中充入一定量的工作液体 当泵轮在原动机带动下旋转时 处于其中的液体受叶片推动而旋转 在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时 就在同一转向上给涡轮叶片以推力 使其带动生产机械运转 液力耦合器的动力 转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的 在工作过程中 改变充液率就可以 改变耦合器的涡轮转速 作到无级调速 其特点为 功率适应范围大 可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要 结构简单 工作可靠 使用及维修方便 且造价低 尺寸小 能容大 控制调节方便 容易实现自动控制 本方法适用于风机 水泵的调速 3 3 3 3 笼型异步电动机的变频调速笼型异步电动机的变频调速 f1 fN f1 fN时 要保持 U1 f1 常数 以电动机拖动恒转矩负载为例 它们的机械特性的负载特性如图所示 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 19 调速前 系统共在固有特性与负载特性的交点 a 上 频率改变的瞬间 因机 械惯性 转速来不及改变 工作点由 a 平移到人为特性上的 b 点 由于此时 Tf fN N f1 fN 时 要保持 U1 UN 这时的机械特性和负载特性如图 安徽工贸职业技术学院毕业设计 论文 20 调速前系统工作在固有特性和负载特性的交点 a 上 f1改变瞬间 工作点平 移到人为特性上的 b 点 由于这时的 T TL n 上升 工作点沿人为特性由 b 移至 新交点 c 为止 系统重新在比原来高的转速下稳定运行 可见 f1增加时 转速 n 随之增加 3 3 4 4 变频调速的主要性能变频调速的主要性能 1 调速方向即可往上调 也可往下调 2 平滑性好 可实现无级调速 3 调速的稳定性好 机械特性的工作段基本平行 硬度大 静差率小 4 调速范围广 5 调速的经济性方面 初期投资达 需要专用的变频装置 但运行费用不大 6 调速时的允许负载分析如下 f1 fN时为恒转矩调速 由于 f1 fN是 U1 f