《机电控制技术》-单元十一

项目１变极调速任务１变更极对数的原理１.鼠笼式异步电动机往往采用下列两种方法来改变绕组的极对数（1）改变定子绕组的连接，或者说变更定子绕组每相的电流方向；（２）在定子上设置具有不同极对数的两套独立的绕组。有时为使一台电动机获得更多的速度等级，例如，需要获得四个以上的速度等级，上述的两种方法往往需要同时采用。２.双速电动机的原理图１１－１所示为二极／四极双速电动机定子绕组接线示意图。下一页返回项目１变极调速这种电动机定子绕组有六个出线端，若将电动机定子绕组的三个出线端Ｕ１、Ｖ１和Ｗ１分别接在三相电源Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３上，而将Ｕ２、Ｖ２和Ｗ２三个出线端子悬空，如图１１－１（ａ）所示，则三相定子绕组构成了三角形，此时每相绕组的①、②线圈相互串联，电流方向如图中的虚线箭头所示，磁极为４极，同步转速为１５００ｒ／ｍｉｎ。若将电动机定子绕组的Ｕ２、Ｖ２和Ｗ２三个出线端分别接在三相电源Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３上，而Ｕ１、Ｖ１和Ｗ１三个出线端连在一起，如图１１－１（ｂ）所示，这时电动机的三相绕组接成双Ｙ型，此时每相绕组中的①、②线圈相互并联，电流方向如图中实线箭头所示，磁极为２极，同步转速为３０００ｒ／ｍｉｎ。上一页下一页返回项目１变极调速上述利用变更定子绕组的连接方式来达到改变电动机极对数的原理，可以利用电流产生磁场的现象来说明。图１１－２（ａ）和（ｂ）分别表示定子一相绕组两个线圈相互串联和并联时的两种不同的磁场，线圈中电流的方向如图中实线箭头所示。根据右手螺旋定则，可判断磁场的方向，并且得出磁极的对数。从图中可以看出，定子一相绕组的两个线圈串联时，磁场具有四个极Ｓ、Ｎ、Ｓ、Ｎ，即两对磁极，而定子一相绕组的两个线圈相互并联时磁极具有两个极Ｓ、Ｎ，即一对磁极。双速电动机定子的接线方式除了将上述绕组由三角形改接成双星形（△／ＹＹ）外，还有一种接线方法，为绕组由单星形改接成双星形（Ｙ／ＹＹ）形式。如图１１－３所示。上一页下一页返回项目１变极调速任务２双速电动机的控制线路图１１－４所示为接触器控制的双速电动机的控制线路。主电路中有三组主触头ＫＭ１、ＫＭ２和ＫＭ３。当ＫＭ１主触头闭合时电动机定子绕组接成三角形，低速转动；当ＫＭ１主触头断开，而ＫＭ２和ＫＭ３两组主触头闭合时，电动机定子绕组接成双星形高速运转。其工作原理如下：低速运转时：上一页下一页返回项目１变极调速高速运转时：上一页下一页返回项目１变极调速变极调整方法的特点是：①电动机的定子绕组必须特制；②这种调速方法只能使用电动机获得两个及两个以上的转速，且不可能获得连续可调。改变磁极的变极调速从技术上来讲比较容易实现，且投资不大，维修也比较方便，因此，应用较为广泛。任务３三速及多速电动机的原理三速电动机定子绕组如图１１－５所示。它的定子绕组具有两套线圈，其中图１１－５（ａ）所示的绕组可以接成三角形，也可以接成双星形。上一页下一页返回项目１变极调速三角形接法时为８极，双星形接法时为４极。另一套绕组（图１１－５（ｂ）所示）可以接成星形，绕组极数为６极。当两套绕组分别换接到三种电源上时，即可获得三种不同的速度，第一套绕组Ｕ１、Ｖ１和Ｗ１分别接电源Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３时，定子绕组接成三角形，电动机低速运行；电动机中速运行时，利用第二套绕组的Ｙ接，即Ｕ３、Ｖ３和Ｗ３接三相电源；若需要电动机高速运转时，只需要将第一套绕组的Ｕ２、Ｖ２和Ｗ２接电源，而Ｕ１、Ｖ１和Ｗ１短接，绕组接成双星形。上一页下一页返回项目１变极调速多速电动机的原理与三速电动机的原理相似。例如，四速电动机及定子设有两套绕组，各自都能变极的绕组，若是其中一套绕组的极数是１２极或６极，另一套绕组的极数为８极或４极，那么这台电动机的转速就有１２极、８极、６极、４极四个等级。上一页返回项目２变转差率调速任务１变压调速变压调速原理如图１１－６所示，变压调速是异步电动机调速系统中比较简便的一种。由电气传动原理可知，当异步电动机的等效参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的二次方成正比。因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系。机械特性曲线如图１１－６所示。改变电压就可以改变电动机在一定输出转矩下的转速。目前主要采用晶闸管交流调压器进行变压调速，它是通过调整晶闸管的导通角，来改变异步电动机的端电压从而进行调速的一种方式。这种调速过程中的转差功率损耗在转子电阻上或其外接电阻上，所以效率低，仅适用于小容量电动机。下一页返回项目２变转差率调速从图中可以看出，变压调速的范围是有限的，最大也不超过同步转速的８％。所以普通的三相异步电动机是没有调速价值的，所用的变压调速电动机是专用的，它的转子是用黄铜铸的，所以电阻率较大，比较适用于风机和离心泵类的调速。任务２电磁转差离合器调速电磁转差离合器的调速系统如图１１－７所示，由三相异步电动机、电磁转差离合器、晶闸管励磁电源和控制部分组成。晶闸管直接励磁电源功率较小，常用单相半波或全波晶闸管电路控制转差离合器的励磁电流。上一页下一页返回项目２变转差率调速电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，两者无机械联系，都可自由旋转。电枢由电动机带动，称为主动部分；磁极用联轴器与负载相连接，称为从动部分。电枢常用整块的铸铁钢加工而成，形状像一个杯子，上面没有绕组，磁极则由铁芯和绕组两部分组成。其结构如图１１－７所示，绕组由晶闸管整流电流励磁。当励磁绕组通以直流电时，电枢被电动机拖动以恒速旋转，此时在电枢中感应产生涡流，涡流与磁极的磁场作用产生电磁力，形成的电磁转矩使磁极跟着电枢同方向旋转。由于拖动电枢的三相感应电动机的固有机械特性较硬，因而可以认为电枢的转速近似不变，而磁极的转速则由磁极磁场的强弱而定，即由励磁电流的大小而定。因此，改变励磁电流的大小，就可改变磁极的转速。上一页下一页返回项目２变转差率调速由上可知，当励磁电流为零时，磁极不会跟随电枢转动，这就相当于电枢与磁极“离开”；一旦磁极加上励磁电流，磁极即刻转动，相当于磁极与电枢“合上”，因此称为“离合器”。因为它是基于电磁感应原理工作的，而且磁极与电枢之间一定要有转差才能产生涡流与电磁转矩，因此又称为“电磁转差离合器”。又因其工作原理与三相感应电动机相似，所以，又常将它连同拖动它的三相感应电动机统称为“滑差电动机”。电磁转差离合器的结构形式有多种，目前我国应用较多的是磁极为爪极的形式。上一页下一页返回项目２变转差率调速其爪极有两个对应的部分，互相交叉地安装在从动轴上，其间由非磁性的材料连接，如图１１－８所示。励磁绕组是与转轴同心的环形绕组，当绕组中通有励磁电流时，磁通则由左端爪极经气隙进入电枢，再由电枢经气隙回到右端爪极形成一个回路。这样，所有的左端爪极皆为Ｎ极，右端爪极皆为Ｓ极。由于爪极与电枢间的气隙远小于左、右两端爪极之间的气隙，因此Ｎ极与Ｓ极之间不会被短路。图１１－９所示为一台５.５ｋＷ的电磁转差离合器开环调速系统的机械特性图。上一页下一页返回项目２变转差率调速从特性图中可以看出，当从动轴部分的转轴带有一定的负载转矩时，励磁电流的大小便决定了转速的高低。励磁电流越大，转速越高；反之，励磁电流越小，转速就越低。而利用晶闸管调压电路可以方便地调节励磁电流，从而调节从动部分的转速。从图中还可以看出，空载时转速不变，随负载转矩的增加，转速下降较多，是软性，且励磁电流越小，特性越软。所以，不能直接应用在速度要求比较稳定的生产机械上。为此应加上速度负反馈，组成闭环控制系统。图１１－１０所示为自动换极的电磁转差离合器调速系统电路图。上一页下一页返回项目２变转差率调速在电动机定子绕组连接成双Ｙ形接线运行时（以运行在４极转速为例），若电磁转差离合器从动部分的转速由于励磁线圈电流的减小而下降到６００ｒ／ｍｉｎ以下时，该控制电路将使电动机定子绕组接线方式自动变换到Ｄ形连接的方式，即８极转速。其目的在于提高电磁转差离合器低速运行时的效率。同样，当电动机运行在定子绕组Ｄ形连接时，从动部分的转速由于励磁电流的增加而上升到６００ｒ／ｍｉｎ以上时，为使其速度可以进一步提高，该电路将使电动机定子接线由Ｄ连接自动变换到ＹＹ连接。上一页下一页返回项目２变转差率调速图１１－１０所示电路工作原理如下：合上空气自动开关ＱＦ，按下启动按钮ＳＢ２，接触器ＫＭ１通电并自保，电动机Ｄ连接并以８极启动运行，电磁转差离合器主动部分在电动机拖动下旋转。同时指示灯ＨＬ１亮，并且晶闸管调压电路的触发部分和可控制部分获得单相交流电源。调节触发部分的电位器ＲＰ，使电磁转差离合器的励磁线圈流过一定的直流电流，于是电磁转差离合器的从动部分开始跟随主动部分旋转。调节励磁电流，可以使从动部分所带负载工作在所需的转速上。在调节过程中，若转速升高到６００ｒ／ｍｉｎ以上时，安装在从动部分转轴上的速度继电器ＫＳ的常开触点闭合，使时间继电器ＫＴ１线圈通电并自保。上一页下一页返回项目２变转差率调速当达到ＫＴ１的整定时间时，其延时断开触点断开，使接触器ＫＭ１线圈断电释放，而ＫＴ１的延时闭合触点闭合，接通ＫＭ２和ＫＭ３线圈并自保，ＫＭ２和ＫＭ３常闭触点使ＫＴ１线圈断电释放，其常开触点闭合仍使晶闸管电路继续获得单相交流电。此时电动机定子绕组连接成ＹＹ形运行，电动机与电磁转差离合器的主动部分转速升高到４极运行，在一定的励磁电流条件下，负载转矩的上升会使转速自动下降，而随着转速的下降，负载转矩又会减小，最后转速稳定在机械特性曲线的某一点上。若此时的转速还需进一步提高，则可通过增加励磁电流来提高负载的转速。若电动机在ＹＹ连接时，其从动部分的转速下降到６００ｒ／ｍｉｎ以下时，速度继电器ＫＳ触点复位，使时间继电器ＫＴ２线圈通电并自保。上一页下一页返回项目２变转差率调速当ＫＴ２延时时间到后，将断开ＫＭ２和ＫＭ３线圈电路，而当ＫＴ２另一对触点延时闭合，使ＫＭ１线圈通电并自保，同时使当ＫＴ２线圈断电释放。于是使电动机定子绕组连接成Ｄ形运行，同时使晶闸管电路继续获得单相交流电。这时电动机与电磁转差离合器主动部分转速迅速下降，从动部分转速也随之降低。但是，由于转速下降后负载转矩相应减小，故转速又会自动上升，最后稳定在机械特性曲线的某一点上。假如此时转速需进一步下降，则可通过减小励磁电流来减小负载转矩。上一页下一页返回项目２变转差率调速该电路在速度继电器ＫＳ两对触点转换的过程和电动机定子绕组磁极对数变换的过程中，有一瞬间ＫＭ１与ＫＭ２、ＫＭ３同时处于释放状态，此时电动机、电磁转差离合器的主动部分与从动部分均依靠惯性旋转。当需要负载停止时，首先将励磁电流减小到零，然后按下停止按钮ＳＢ１，整个调速系统便停止工作。电磁转差离合器的调速系统结构简单、装置简单、运行可靠，但在低速带负载运行时性能较差，在调速过程中转差能量消耗在电磁转差离合器上，效率低，适应于调速性能要求不高的小容量传动控制的场合。上一页下一页返回项目２变转差率调速任务３绕线转子式电动机转子串电阻调速绕线转子式电动机可以通过转子回路串电阻启动，同样的也可以通过串电阻调速。绕线转子式异步电动机可在其转子电路中串入电阻，通过改变电阻的阻值，来改变电动机的机械特性斜率来实现调速。电动机转速可以按阶跃方式变化，即有级调速，也可以连续调节实现无级调速。这种调速方式所用的设备结构简单、价格便宜，但转差功率消耗在电阻上，所以效率较低，仅用于小容量的电动机中。它调速时的机械特性见图１１－１１。从图中可以看出，所串电阻阻值越大，调速范围越广；负载转矩越大，可调的范围也越大。上一页下一页返回项目２变转差率调速任务４串级调速对于绕线转子式电动机来说，串电阻调速把电能消耗在外串电阻上很不经济，那么有没有经济而实用的调速方案呢？这就是串级调速。除笼型异步电动机外，绕线转子异步电动机在工矿企业中也被广泛使用。由于这类异步电动机在结构上的特点，它的转子绕组能通过集电环与外部电气设备连接，所以除了可在其定子侧控制电压、频率等物理量以实现对电动机的转速调节外，还可在其转子侧引入控制变量，如附加电动势进行调速。前述的在绕线转子异步电动机的转子回路中串入不同数值的可调电阻，从而获得电动机的不同机械特性，以实现转速的调节就是基于这一原理的一种方法。上一页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/ｆ１基本不变。但是在低于基频较多时，