第十二章_三相异步电动机的调速

1、第12章 三相异步电动机的调速第十二章 三相异步电动机的调速12.3 12.3 能耗转差调速能耗转差调速12.1 变极调速变极调速12.2 12.2 变频调速变频调速本章主要介绍异步电动机的各种调速方法的基本章主要介绍异步电动机的各种调速方法的基本原理、实现与特性。本原理、实现与特性。本章小结本章小结第12章 三相异步电动机的调速121 变极调速pfn1160变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步速调速方式。在一定电源频率下，由于同步速 与极对数与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数

2、便可以改变转子转速。成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。改变定子的极对数，通常用改变定子绕组联结法的方法。转子为笼型，改变定子的极对数，通常用改变定子绕组联结法的方法。转子为笼型，则转子的极对数自动随定子的极对数对应。也可以在电动机上安装两组则转子的极对数自动随定子的极对数对应。也可以在电动机上安装两组独立的绕组，各个绕组联结法不同构成不同的极对数。独立的绕组，各个绕组联结法不同构成不同的极对数。改变极对数改变极对数p p都是成倍的变化，转速也是成倍的变化，故为有级调速。都是成倍的变化，转速也是成倍的变化，故为有级调速。改变定子绕组的联结法改变绕组极对数的原理。改变定子绕组的联

3、结法改变绕组极对数的原理。 见下页图见下页图12121 1，12122 2第12章 三相异步电动机的调速三相异步电动机的转子转速可由下式给出：三相异步电动机的转子转速可由下式给出： )1 (601spfn由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种： 变极调速；变极调速； 变频调速；变频调速； 改变转差率调速；改变转差率调速； 其中，改变转差率的调速方法涉及：其中，改变转差率的调速方法涉及： 改变定子电压的调压调速；改变定子电压的调压调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速；绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 电磁离合器调速；电磁离

4、合器调速； 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。第12章 三相异步电动机的调速图12-1 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图 图图12-1a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中，分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中， 代表代表A相的半相绕组，相的半相绕组， 代表代表A相的另一半相绕组。相的另一半相绕组。11xa22xa结论结论: : 只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。 为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般为

5、了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。仅适用于鼠笼式异步电动机。结论结论: : 对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。必须改变三相绕组的相序。这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。第12章 三相异步电动机的调速图12-2a 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线图12-2b 三相异步电动机 /YY 接变极调速的接线第12章 三相异步电动机的调速a、Y/YY接变极调速接变极调速 假定变极调速前后定子的功率因数 、效率 均不

6、变，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值 ，于是变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI121cos)2(3cos31111NNNNYYYIUIUPP1)29550/()9550(11nPnPTTYYYYYY结论：结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。接变极调速属于恒转矩调速方式。 第12章 三相异步电动机的调速b、/YY接变极调速接变极调速 假定变极调速前后电机的功率因数 、效率 均不变，并设每半相绕组中的电流均为额定值 ，则 /YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1866. 023cos)2(3cos)3(

7、31111NNNNYYIUIUPP3)29550/()9550(11nPnPTTYYYY结论：结论： /YY接变极调速属于近似恒功率调速方式接变极调速属于近似恒功率调速方式。 第12章 三相异步电动机的调速/YY接变极调速的机械特性 Y/YY接变极调速的机械特性第12章 三相异步电动机的调速122 变频调速m11m11111m1111111fKWf44. 4EUKWf44. 4EzIEUmm第12章 三相异步电动机的调速NNTT11xxffUU定值1x1xfUfU定值1111ffffxxNNUUTT原则：任何负载类型下变频调速时都能保证电动机过载能力 不变，由此推出：ml第12章 三相异步电动

8、机的调速对变频调速的要求：对变频调速的要求：（1 1）主磁通）主磁通 ，以防止定子铁心过饱和；，以防止定子铁心过饱和；（2 2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 ）尽可能保持不变。）尽可能保持不变。NmmaxeTa、基频以下的变频调速、基频以下的变频调速 由 可知，要想确保主磁通 不变，可满足亦即变频的同时必须调压变频的同时必须调压，实现定子电压和频率的协调控制。 考虑到因而，此时电机的过载能力保持不变。mwkNfEU1111144. 4mconstfUfUNN1111211212111max)()(212fUxxUfpmTe（1 1）保持）保持 = =常数的

9、机械特性常数的机械特性 11/ fE下面对两种情况下变频调速时的机械特性进行讨论： 根据T型等效电路，可以获得用感应电势 表示的电磁转矩的表达式为：1E第12章 三相异步电动机的调速)()()(22)(2222212111122211xsrsrffEpmfsrIpmPTemem（7-14）利用利用 可以获得临界转差率可以获得临界转差率 和最大转矩和最大转矩 分别为：分别为：0sTemmsmaxeT22xrsm22111max41)(2LfEpmTe上式表明：上式表明：若采用若采用 = =常数控制，则最大转矩常数控制，则最大转矩 保持不变。保持不变。11/ fEmaxeT对应于最大转矩对应于最大

10、转矩 处的转速为：处的转速为：maxeTmmmnnLprpfsnn1221126060)1 (结论结论: : 最大转矩最大转矩 处的转速降处的转速降 与频率无关。亦即与频率无关。亦即: :在变频调速过程在变频调速过程中，若保持中，若保持 = =常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。下的机械特性是平行的。 maxeTmn11/ fE第12章 三相异步电动机的调速 三相异步电动机变频调速时的机械特性三相异步电动机变频调速时的机械特性( =( =常数常数)11/ fE（2 2）保持）保持 = =常数的机械特性常数的机械特性 11/

11、fU 保持保持 =常数可以实现严格意义上常数可以实现严格意义上 的不变和最大转矩的不变和最大转矩 不变。但考虑到定子不变。但考虑到定子电势电势 难以直接测量，实际调速系统多采用难以直接测量，实际调速系统多采用 =常数代替常数代替 =常数实现变频调速。常数实现变频调速。 11/ fEmmaxeT1E11/ fU11/ fE现分析保持现分析保持 =常数时三相异步电动机的机械特性。常数时三相异步电动机的机械特性。11/ fU第12章 三相异步电动机的调速)()()(2221221212111xxsrrsrffUpmTem最大电磁转矩为：最大电磁转矩为：)()(422121112111maxxxrrf

12、fUpmTe 由此绘出保持由此绘出保持 =常数时变频调速的典型机械特性如下图所示。为便于比较，图常数时变频调速的典型机械特性如下图所示。为便于比较，图中还同时绘出了中还同时绘出了 常数时的机械特性，如图中的虚线所示。常数时的机械特性，如图中的虚线所示。11/ fUmaxeT三相异步电动机变频调速时三相异步电动机变频调速时的机械特性的机械特性( =常数常数)11/ fU第12章 三相异步电动机的调速 由上图可见，保持由上图可见，保持 =常数，当常数，当 减小时，最大电磁转矩减小时，最大电磁转矩 将有所降低。若忽将有所降低。若忽略定子绕组电阻即令略定子绕组电阻即令 ，则可推出：，则可推出：11/

13、fU1fmaxeT01r常数)(21)(4212111maxLLfUpmTe 由上式可见，由上式可见， 的降低是由定子绕组电阻的降低是由定子绕组电阻 的影响所致。尤其是当的影响所致。尤其是当 低到使得低到使得 可以与可以与 相比较时，相比较时， 下降严重。下降严重。maxeT1r1f1r)(21xxmaxeT解决措施：解决措施： 可以对可以对 的线性关系加以修正，提高低频时的的线性关系加以修正，提高低频时的 ，以补偿，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响低频时定子绕组电阻压降的影响（见下图）。11/ fU11/ fU具有低频补偿的具有低频补偿的 协调关系协调关系11/ fU第12章 三相异步电动

14、机的调速调速性质调速性质的分析：的分析： 假定变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，为了充分利用电动机，每相绕组中的电流应保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1111111112)(cosffUUIUmPNN11229550fUnPT结论：结论： 由于基频以下的调速过程中保持由于基频以下的调速过程中保持 = =常数，基频以下的变频调常数，基频以下的变频调速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）（见下图）11/ fU三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间

15、的关系三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系 第12章 三相异步电动机的调速b、基频以上的变频调速、基频以上的变频调速 当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电压 无法进一步提高，只能保持 。1UNUU 1此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性：)()()(222122121211xxsrrsrffUpmTNem最大电磁转矩：21212122121121221211121max1)(8)(4)(4fLLfpUmxxfpUmxxrrfpUmTNNNe 临界转差率： 121122122212121)(2)(fLLfrxxrxxrrsm第12章 三相异步电

16、动机的调速（7-24）由上式得对应于最大转矩 时的转速为：maxeTmmmnnLLprpfsnn121211)(26060)1 (结论：结论： 最大转矩最大转矩 处的转速降处的转速降 与频率无关，即机械特性的硬度保持与频率无关，即机械特性的硬度保持不变。不变。 mnmaxeT右图给出了三相异步电动机变频调速时的典型机械特性。第12章 三相异步电动机的调速 假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，每相绕组中的电流仍保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：1cosNI1111112cosUIUmPNN11229550fUnPTNUU 1一般结论

17、：基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速；变频调速过程中，异步电动机机械特性的硬度保持不变，调速范围宽；频率连续可调，可以实现无级调速。结论： 由于基频以上的调速过程中保持 ，基频以上的变频调速属于恒功率调速，其输出转矩反比于定子绕组的供电频率（或转速)第12章 三相异步电动机的调速变频调速异步电动机变频时的机械特性：161514131211ffffff第12章 三相异步电动机的调速12.3 12.3 能耗转差调速能耗转差调速一、转子电路串联电阻调速一、转子电路串联电阻调速 在额定电压时，磁通定值，调速时在额定电压时，磁通定值，调速时 定值222122222N22N22XsRREXsREI

18、I12N2sRRsR定值N2222N2N222212122cos/cosXsRsRXsRRsRR第12章 三相异步电动机的调速当转速降低（当转速降低（s 增高）时，效率增高）时，效率下降，转子损耗功率增高，故经下降，转子损耗功率增高，故经济性不高。济性不高。 转子电路串联电阻的数值愈转子电路串联电阻的数值愈大，人为机械特性愈软大，人为机械特性愈软 。1N2N2NNcosTTCIT定值转子损耗功率为转子损耗功率为 22223ePsPIRR输出功率为输出功率为 21ePPs222111eeePsPsPPPssP 调速时转子电路的效率为调速时转子电路的效率为 转子电路串接不同转子电路串接不同电阻时的

19、人为特性电阻时的人为特性第12章 三相异步电动机的调速二、改变定子电压调速二、改变定子电压调速改变异步电动机定改变异步电动机定子电压的人为特性子电压的人为特性转子电路电阻较高时改变转子电路电阻较高时改变定子电压的人为特性定子电压的人为特性第12章 三相异步电动机的调速多速电动机在变极多速电动机在变极变压时的机械特性变压时的机械特性第12章 三相异步电动机的调速三、滑差电动机三、滑差电动机（一）电磁滑差离合器的调速原理滑差离合器的示意图滑差离合器电枢内涡流的方向与路径当绕组内有电流通过时，在电枢与感应子之间便有磁通相链，如图中虚线所示。当异步电动机带动电枢旋转时，电枢便以相应的转速在感应子所建立

20、的磁场内旋转，于是电枢的各点上磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，电枢上将出现感应电动势。当感应子也旋转时，此感应电动势为21 BlRE第12章 三相异步电动机的调速在此感应电动势的作用下，电枢内将出现涡流，其值为21ppZBlRZEI涡流与感应子磁场相互作用力为BlIF 转矩为 212222pZRlBpFRT如主动与从动部分间没有相对运动，即 ，则 。因此电枢与感应子间必须存在转速差，这点与异步电动机的工作原理极为相似。其区别仅在于异步电动机的旋转磁场由三相交流电流产生，而滑差离合器的旋转磁场则由直流电流产生，由于电枢的转动才起旋转磁场的作用。210T第12章 三相异步电动机的

21、调速（二）电磁滑差离合器的几种结构类型（二）电磁滑差离合器的几种结构类型1双电枢无集电环滑差离合器 2杯形电枢滑差离合器 第12章 三相异步电动机的调速 3爪式无集电环滑差离合器爪式无集电环滑差离合器 4212BITKnn（三）电磁滑差离合器的调速性能（三）电磁滑差离合器的调速性能 21PPP滑差离合器的输入功率滑差离合器的输入功率 9550111nTP 滑差离合器的输出功率滑差离合器的输出功率 9550222nTP 第12章 三相异步电动机的调速TTT21如果如果955021nnTPTPnn955012调速时离合器效率为调速时离合器效率为snsnnnPP111112122滑差离合器在实际应用

22、中总是与异步电动机组合在一起的，因滑差离合器在实际应用中总是与异步电动机组合在一起的，因此滑差电动机的总效率为此滑差电动机的总效率为 s1121可见，滑差电动机的效率随转速之下降而下降可见，滑差电动机的效率随转速之下降而下降 ，而损耗功率则，而损耗功率则随转速之下降而增高。随转速之下降而增高。第12章 三相异步电动机的调速四、串级调速四、串级调速（一）串级调速的一般原理（一）串级调速的一般原理中等以上功率的绕线转子异步电动机与其他电动机或电子设备串级中等以上功率的绕线转子异步电动机与其他电动机或电子设备串级联接以实现平滑调速，称为串级调速。联接以实现平滑调速，称为串级调速。异步电动机的串级调速

23、，就是在异步电动机转子电路内引入感应电异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入感应电动势动势 ，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转子电动势子电动势 方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。fEsE2 1 与与 同相同相 fEsE2fE未引入未引入 时时2222222XsRsEIfE引入引入 后后2222222XsREsEIf第12章 三相异步电动机的调速fE 未引入未引入 时时sE2fE 超前超前 90 第12章 三相异步电动机的调速 2 与与 反相反相 fEsE22222222

24、XsREsEIf1cossinfEcosfE显然，对于右图所示显然，对于右图所示 超前超前 某某一角度的一般情况，可将一角度的一般情况，可将 分解为分解为二个分量，即与二个分量，即与 同相的分同相的分量量 ，和超前，和超前 90的的分量分量 ，它们既能使电动机调，它们既能使电动机调速，又能提高定子的功率因数速，又能提高定子的功率因数 fEsE2fEsE2sE2sE2fE 超前 某一角度转子电路电压相量图 第12章 三相异步电动机的调速（二）串级调速的机械特性（二）串级调速的机械特性222222222222sincossXRsXjREjEsEsXjREsEIfff根据相量图根据相量图异步电动机的转矩为异步电动机的转矩为1212cosTTaTCICI 转子电流的有功分量转子电