《电机技术应用》课件 2.4.2 三相异步电动机的调速

三相异步电动机的调速异步电动机

直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。但在20世纪的大部分时间里，由于直流传动具有优越调速性能，因而高性能可调速传动都采用直流电动机，而不变速传动则采用交流电动机，直到70年代末这种交直流传动按调速分工的格局终于被打破。

直流电动机存在价格高、维护困难、需要专门的直流电源等缺点。而交流电动机具有价格低、运行可靠、维护方便等一系列优点，又由于电力电子技术和计算机技术的日益成熟，交流电动机越来越多的应用在上述领域，逐渐取代了直流调速。概述调速的性能指标1.调速的技术指标1）调速范围D：电动机在额定负载转矩下，能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比。

具体采用的调速方法，要考虑技术指标和经济指标，如调速范围，平滑性，调速系统的设备投资、运行中的能量损耗和维修费用等。2）静差率δ：电动机由理想空载到额定负载的转速降

nN与理想空载转速n0的百分比。静差率

越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速的变化也越小。3）调速的平滑性：指相邻两级转速的接近程度，用

表示4）调速时允许输出的功率和转矩：采用不同的调速方法时，允许输出的功率和转矩随转速的变化规律是不同的。

允许输出的最大转矩与转速无关的调速方法为恒转矩调速，允许输出的最大功率与转速无关的调速方法为恒功率调速。电动机稳定运行时实际输出的功率和转矩是由负载决定的。负载可分为恒转矩负载和恒功率负载，这就要求调速方法和负载类型相匹配，否则电动机得不到充分利用。调速的性能指标

如恒功率负载用恒转矩调速方法，为了使电动机不过载，应保证低速时电动机的转矩满足要求，则在高速时电动机得不到充分利用。同理，如恒转矩负载用恒功率调速方法，应保证高速时电动机的转矩满足要求，则在低速时电动机得不到充分利用。所以在调速时，应使调速方法适应负载的要求，使电动机既能得到充分利用，又能长期安全运行。2.调速的经济指标：决定于调速系统的设备投资，能量损耗及维修费用等。调速的性能指标（1）改变定子极对数p调速（笼形）（2）改变电源频率f1

调速（3）改变转差率s调速调压调速转子串电阻调速（绕线型）串级调速调速方法由上式可知，要调节异步电动机的转速，可以改变下列三个参数：异步电动机的转速：其中串级调速属于改变理想空载转速的方法。1、改变定子电压调速

优点：简单，易于实现。

缺点：对恒转矩负载而言，其调速范围很窄，实用价值不大；在电动机转速较低时，转子电阻上的损耗较大，所以一般不宜在低速下长时间运行。

适用范围：对于通风机负载而言，其负载转矩TL随转速的变化而变化，其调速范围宽，所以目前大多数的风扇采用此法。优点：简单，易于实现。缺点：调速电阻要消耗能量，有级调速，不平滑。转子的铜损pCu2=sPM，转速越低，转差率越大，铜损就越多，效率越低。同时电动机的机械特性变“软”，负载变化时电动机的转速变化显著。适用范围：主要用在中、小容量的绕线型异步电动机中，如交流供电的桥式起重机。2、转子回路串变阻器调速

调速前后cos

2不变，根据T=CTΦm

I2cos

2可知调速时允许的转矩不变，为恒转矩调速。4极2极3、变级调速实现方法：双速电机定子绕组每相有两套绕组，改变其中一套绕组的接线，就可以改变定子磁场的极对数。三Y→反并YY，2p-pY→反串Y，2p-p∆→YY，2p-p三种常用变极接线方式3、变级调速特性曲线

优点：设备简单、运行可靠，机械特性硬、效率高、损耗小、初期投资小，维护方便，为了满足需要采用不同的接线方式，可获得恒转矩或恒功率调速。

缺点：定子绕组抽头多，转速只能成倍变化，平滑性差，调速级数少，必要时需与齿轮箱配合，才能得到多极调速。多速电动机体积比同容量普通笼型电动机大，运行特性稍差，价格贵。

适用范围：

由电机学原理可知，只有定子和转子具有相同的极数时，电动机才具有恒定的电磁转矩。由于鼠笼式异步电动机的转子极数能自动地跟随定子极数的变化，所以变极对数调速只能用于鼠笼式电动机。采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床、金属切削机床、通风机、升降机等。3、变级调速4、变频调速（1）变频调速传动的目的采用变频器对机械设备进行转速控制，对节约能源、提高经济效益具有重要意义。同时变频器在省力化、自动化、提高产品质量、提高生产率、提高产品合格率方面也有广泛应用。机械设备采用变频调速传动，可以增加设备的使用寿命，减小机械设备的噪音，使设备小型化，工作环境更具有舒适性。（2）变频调速应用的行业生产范围变频调速技术经过多年的发展日趋成熟，在钢铁、扎制铜线、化学、纤维、汽车、电气机械、机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑、农业、生活服务、电力、实验研究、石油等行业得到了广泛的发展与应用。变频技术已经与我们的生产、生活息息相关。目前，冰箱、空调、电动车等家用电器已经采用相关的变频技术。（1）恒转矩变频率调速此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。（2）恒功率变频率调速此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通减小。4、变频调速

变频调速分为恒转矩变频率调速和恒功率变频率调速。频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求如下。4、变频调速（1）基频以下变频调速为防磁路过饱和，降低f1时保持U1/f1为常数，为恒转矩调速，这相当于他励直流电动机降压调速。（2）基频以上变频调速只能保持UN变，f1

越高，Φ0越低，近似为恒功率调速，这相当于他励直流电动机的弱磁调速。缺点：(1)恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低，甚至不能带动负载。(2)必须有专用的变频电源，初投资高，是应用于泵或风机调速节能中的主要障碍。但随着电子技术的发展，产品成本逐步提高，其应用前景日益广阔。4、变频调速优点：机械特性较硬，转速稳定性好，调速范围宽，频率可以连续调节，可实现无级调速。可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。适用范围：(1)要无级调速，特别是在高速高于100%工频，低速低于20%工频的应用场合。(2)当负荷经常处于轻负荷下，允许转速在轻负荷下下降时，如水泵、自动扶梯、空调及供水系统的送风系统等。5、串级调速附加电动势引入之前，转子电流的有效值为附加电动势引入之后，转子电流的有效值为

串级调速是指在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个与转子同频率的附加电动势以实现调速，该附加电动势可与转子电动势的相位同相，也可反相。5、串级调速

串调系统的机械特性比绕线异步电动机固有机械特性软，最大转矩比固有机械特性的小。在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个大小、相位可以自由调节、频率能自动随转速变化并始终等于转子频率的附加电动势并不容易，在工程上是先将转子电动势通过整流装置变成直流电动势，然后串入一个可控的附加直流电动势去和它作用，从而避免了随时变频的麻烦。

当转子串入的附加电势Ef相位与转子电势sE20的相位相差180°时，电机在额定转速以下调速，称为次同步调速。当附加电势Ef相位与转子感应电势sE20的相位相同时，串级调速可向高于同步转速的方向调速。

按产生直流附加电势方式的不同，次同步串级调速系统可分为电气串级调速和机械串级调速两种类型。

1、电气串级调速系统

直流附加电势Eβ由逆变器UI产生，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势Eβ，可实现串级调速。5、串级调速

不考虑损耗时，电机轴输出机械功率为，角速度，因为PM/ω为常数，则电机输出转矩为常数，为恒转矩调速特性。

2、机械串级调速系统机械串级调速系统的构成如下图所示。直流附加电势Eβ由直流电机产生，通过改变电机的励磁电流大小可改变电枢电势，相当于改变直流附加电势Eβ的值，实现串级调速。5、串级调速

在不考虑损耗的情况下，电机轴输出机械功率为：（1-s）P2+sP2=P2=常数。具有恒功率调速特性。

优点：串级调速的机械特性较硬，具有优良的平滑无级调速性能，能将转子的转差功率吸收后回馈电网，所以串级调速比转子串电阻调速效率高，损耗小。缺点：串级调速的控制设备复杂，成本高，控制困难。低速时，转差功率损耗大，功率因数较低，过载能力较弱。5、串级调速适用范围：串级调速的调速范围一般为（2～4）：1，适用于调速范围不大的中型容量以上的电力拖动系统中，如大型水泵、风机、矿井提升机等。异步电动机几种调速方法的对比调速方法主要优点主要缺点变极调速调速成本低有级调速运行性能稍差变频调速无极调速运行性能好调速成本高变R2调速调速成本低操作简单损耗大调速范围小双馈电机调速范围大，性能好，无极调速，节能调速成本高控制复杂调速方法对比1、三相异步电机的调速方法一般有哪些？各有什么特点?

答：三相异步电机的调速方法一般有（1）改变定子绕组的磁极对数p变极调速；（2）改变供电电源的频率f1一变频调速；（3）改变电动机的转差率s，方法有改变电压调速、绕线式电机转子串电阻调速和串级调速。特点：变极调速方法简单，电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速。变频调速性能优越，即平滑调速、调速范围广、缺点是系统较复杂、成本较高。改变转差率s中改变定子电压调速，目前已在笼型电机中广泛采用晶闸管交流调压线路来实现，线路复杂；转子串电阻调速主要用于中、小容量的绕线转子异步电动机如桥式起重机；串级调速主要是在绕线转子中串加附加电动势，与转子电动势同相。思考与练习3、异步电动机变极调速的可能性和原理是什么？答：假设将一个线圈组集中起来用一个线圈表示，但绕组双速电动机的定子每组绕组由两各项等闲圈的半绕组组成。半绕组串联电流相同，当两个半绕组并联时电流相反。他们分别代表两中极对数。可见改变极对数的关键在于使每相定子绕组中一般绕组内的电流改变方向。即改变定子绕组的接线方式来实现改变即对数调速的原理。2、什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速