三相异步电动机变极及串极调速系统设计

1、 烟 台 南 山 学 院 电机拖动课程设计题目三相异步电动机变极及串极调速系统设计 姓 名： XXX 所在学院： 计算机与电气自动化学院 所学专业： 自 动 化 班 级： 自动化XXXX 学 号： XXXXXXXXXXXX 指导教师： XXX 完成时间： 2013-12-20 摘要本文所讨论的是三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。对于一般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的三相笼型异步电动机是唯一的途径。但是，对于绕线式异步电动机来说，其转子绕组能够通过变量以实现调速。绕线式异步电动机转子侧的控制变量有电流

2、、电动势、电阻等。通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势。在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基础上，提高调速性能需要从两方面着手： 1从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率 2从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等指标的要求。 综合所述，利用串级调速系统，是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。把这种用附加电

3、动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。【关键字】节能，双闭环，调速，变极，串级目录第一章 三相异步电动机的工作原理及结构11.1三相异步电动机的结构11.2工作原理2第二章 三相异步电动机调速概述42.1 调速概念42.2 调速方法42.3 调速范围72.4 动态速降72.5 恢复时间8第三章 串级调速的基本原理及线路93.1串级调速的基本原理93.2串级调速基本类型93.3串级调速系统的起动方式11结 论13致 谢14参考文献15第一章 三相异步电动机的工作原理及结构1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机主要就是由定子和转子两部分组成。（如图1-1所示）。定子主要由定子铁芯

4、，定子绕组，机座，端盖等组成。转子主要由转轴，转子铁芯，和转子绕组组成。（按照转子绕组的结构形式，转子可分为绕线式转子和鼠笼式转子）。图1-1 三相异步电动机的结构(1)定子铁心：通常由0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈；(2)定子绕组：是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120度电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动

5、机多采用圆漆包线，大、中型三相电机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1，V1，W1，末端分别标为U2，V2，W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图1-2 所示，可结成星形或三角形。(3)转子铁心：也用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。图12 电动机的接线法 （4）转子绕组分为：笼型转子和绕线转子。 （5）机械部分：机座、端盖、轴和轴承等。1.2工作原理三相异步电动机的工作原理可以简述如下：当电动机的三相定子绕组（各

6、相差120度电角度），通入三项交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电动机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。这一工作过程可表示成下图1-3、1-4所示。图13 电动机的工作流程图14 电动机的工作原理示意图第二章 三相异步电动机调速概述2.1 调速概念所谓调速即是用人为的方法来改变异步电动机的转速。由三相异步电动机的调速转差率公式：S=(n1-n）/n1 得：n=n1(1-s)= (60f/p)(1-s) f是电源频率，p是磁极对数.2

7、.2 调速方法由转速公式可见，改变供电频率f、电动机的磁极对数p及转差率s均可达到改变电动机转速的目的。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速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有：1、绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速2、应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。3、改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机4、改变定子电压、频率的变频调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速两种方法。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

8、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。2.2.1、变极调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，如三角形联结和双星型联结，如图16：图161、具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2、无转差损耗，效率高； 3、接线简单、控制方便、价格低； 4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 5、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

9、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。2.2.2、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： 1、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2、应用范围广，可用于笼型异步电动机； 3、调速范围大，特性硬，精度高； 4、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。2.2.3 串极调速方法 串极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

10、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： 1、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； 2、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7090的生产机械上； 3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 4、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。2.2.4 绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线

11、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。属于有级调速，机械特性较软。2.2.5 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

12、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： 1、调压调速线路简单，易实现自动控制； 2、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。 3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。 2.2.6 电磁调速电动机的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

13、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，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，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： 1、装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 2、调速平滑、无级调速； 3、对电网无谐影响；

14、4、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。2.2.7 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： 1、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； 2、结构简单，工作可靠，

15、使用及维修方便，且造价低； 3、尺寸小，能容大； 4、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2.3 调速范围包括：恒转矩调速范围和恒功率调速范围两种。恒转矩调速范围是指调速系统在额定负载下，可长期稳定运行的最低速度和最高速度之比，一般这个最高速度就是额定速度，比如：1：1000，假定该调速系统的最大（额定速度）为2000rpm，则其最小运行 恒功率调速范围是指调速系统在额定功率下，可长期稳定运行的最低速度和最高速度之比，一般这个最低速度就是额定速度，比如：1：2，假定该调速系统的额定速度为1000rpm，则其最高运行速度为2000rpm。2.4 动态速降它是指电动机由空

16、载突加额定负载时最大的速度跌落（下降），这个值越小，表明系统响应快，系统特性硬。2.5 恢复时间 当电动机突加额定负载后可以恢复到原先速度所需的时间，时间越短，响应越好，反之表明系统响应慢。第三章 串级调速的基本原理及线路3.1串级调速的基本原理可控硅串级调速是在电动机转子回路串一可变电势，通过改变电势的大小进行调速，电动机的转子功率经过可控有源逆变器，变为与电网同频率的交流电能，将转差功率返回电网，因此效率高。其基本原理如下：先将三相异步电机的转子电压经过三相桥式整流，变成直流电压（Ud），再在直流侧串入一个与其相反的直流电势（U），U是由可控硅有源逆变器产生，通过改变逆变器的逆变角来改变U

17、的大小，从而达到调速与节能目的。3.2串级调速基本类型假定异步电动机的外加电源电压UL及负载转矩KL都不变则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势Eadd则转子电流为 （11）式中： Rr0：转子回路电阻； SXr0：转子旋转时转子绕组每相漏抗；Er0：转子开路相电势 ；电动机在正常运行时，转差率s很小，故Rr0SXr0。忽略SXr0有, （12）上式中，Kr0为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势可以改变转差S，从而实现调速。图3-1异步电动机在转子附加电动势的原理图设当Eadd= 0时电动机运行于额定转速，即,由（式1

18、-2）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时Eadd（前取负号），改变Eadd的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（Eadd前取正号），改变Eadd的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速。串级调速四种基本状态方式下能量传递方式如图1-1所示，图中不计电动机内部各种损耗，即认定定子输入功率P即为转子输出功率。图3-2串级调速系统的基本状态方式晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。

19、电气串级调速系统原理图，见图1-2图3-3 电气串级调速系统原理图UR ：三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势整流为直流电压 Ud 。UI ：三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。L ：平波电抗器TI ：逆变变压器图中异步电动机M以转差率s运行，其转子电动势sEr0经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压Ud。工作在逆变状态的三相可控整流装置UI除提供可调的直流电压 Ui ，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。两个整流装置的电压Ud与Ui

20、的极性以及电流Id的方向如图所示。整流后转子直流回路的电压平衡方程式:Ud=Ui+IdR （1-3）或 （1-4）对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流I2或足够大的整流后直流电流 Id ，为此，转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值。控制逆变角 b ，使在起动开始的瞬间，Ud与 Ui 的差值能产生足够大的 Id ，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大 b 角以减小值 Ui ，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定 。其调节过程为3.3串级调速系统的起动方式串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工

21、作的，为了使系统正常工作，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先于电机接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，而使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。串级调速系统有间接起动和直接起动两种起动方式。不同的生产机械，其所要求的调速范围可能是不同的。由于转子回路的主要设备如整流器、逆变器、逆变变压器的容量，亦即串级调速装置的容量都是按要求的调速范围确定的，所以对于调速范围较小的设备，通常采用间接起动；而对于要求调速范围较大的生产设备，通常采用直接起动。间接起动是利用电阻器(或频敏变阻器)等起动设备起动电动机，待转速升高到调速范围内最低转

22、速nmin 时，才把串级调速装置投人运行，并切除起动设备。从串电阻器(或频敏变阻器)起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时问原则自动控制。串级调速系统起动控制方式如图所示。问接起动的操作顺序如下：先合上装置电源总开关S，使逆变器在B 下等待工作。然后接通接触器Kl使起动电阻R接人，再接通接触器K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。待电动机起动到所设计的n 即s 时，接触器K2接通，同时接触器K1断开，切断起动电阻，使电动机转子接到串级调速装置，此后电动机便以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。在电动机未达到设计最低转速以前不允许把电动机转子回路与串级

23、调速装置相接，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。图3-4起动控制方式图停车时，由于没有制动作用，应先断开接触器K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转子回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种方式还有一优点，即一旦串级调速装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行，这样可对调速装置进行检修而不中断生产。如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需要的转速运行。这种起动方式可以保证整流器与逆变器不致受到超过定额的电压，工作安全。但电动机要先升到最高转速，再通过减速达到工作转速，这对于部分生产机械是不允许的。结 论从这次的课程设计中我学到了好多以前不知道的东西，也掌握了以前不太掌握的专业技能知识。通过这次的设计写作让我明白了电机的各种应用领域及应用