三相异步电动机的变极调速

三项异步电动机变频调速控制及其节能改造本文主要从三项异步电动机概述、三相笼型转子异步电动机的传统起动方式、三相异步电动机调速策略探讨、电动机节能注意事项等方面进行了阐述。

标签：三相异步电动机；调速；节能一、前言三项异步电动机在我国电网中应用非常广泛，技术也相对成熟，但是如何使其变频调速进行控制以及节能问题，都是需要进一步探讨与总结的重点问题。

二、三项异步电动机概述全国年总发电量的一半以上，耗能非常之高。

因此，加强和提高三相异步电动机的节能控制对我国电能的节约将会起到巨大的作用。

当电流在满负荷的情况下时，三相异步电动机的功效一般比较的高，可以达到85%左右。

但是，如果电流的负荷量下降的话，三相异步电动机的功效就会明显的降低。

因此，总的来说，三相异步电动机的功效还是比较低的。

如果我们通过对三相异步电动机节能控制，我们就会在这方面有所提高，从而提升电动机的运行效率，将会产生巨大的经济效益。

进行三相异步电动机的节能控制主要是从两方面的工作着手，首先就是要提升三相异步电动机的制造技术，而这方面如今已经取得了巨大的发展，另外一方面就是要做好电动机的运行控制技术，这才是我们进行电动机节能控制技术的关键。

三相异步电动机的功效是指三相异步电动机的输出功效同输入功效的比例，因此供电机的一部分电能是用来使电动机驱动的，即输入的功效，而另外一部分电能就会发生在三相异步电动机的自身损耗上，这就是我们所说的输出功效。

三相异步电动机的电能损耗主要是指电动机的铁和铜，而电动机的铜耗则是在电流通过电动机的铜线绕组时而产生的，相比之下，电动机的铁耗则是指电动机在运转的过程中，其定子和转子铁芯中产生的电流而发生的损耗，这主要是与电压有关。

电动机的损耗除了这两部分损耗外，还存在其他的损耗，但是这些损耗都比较小，可以忽略。

而三相异步电动机的节能原理就是在电压的负荷下降的时候，可以通过适当降低电源的电压的方法，从而减少电动机中铁耗，当电压下降的时候，相应的电流也会随之下降，这样也就降低了电动机中的铜耗，只有这样电动机的功效才会得到提高。

三相异步电动机的调速控制-变极调速电磁调速变极调速不能实现连续平滑调速，只能得到几种特定的转速。

但在很多机械中，要求转速能够连续无级调节，并且有较大的调速范围。

目前除了用变频器进行无级调速外，还有较多用调电磁转差率进行的调速，也就是电磁转差离合器调速，其优点是结构简单、维护方便、运行可靠、能平滑调速，采用闭环系统可扩大调速范围；缺点是调速效率低，低速时尤为突出，不宜长期低速运行，且控制功率小，机械特性较软。

1.电磁转差离合器的结构及工作原理电磁转差离合器调速系统是在普通笼型异步电动机轴上安装一个电磁转差离合器，由晶闸管控制装置控制离合器绕组的励磁电流来实现调速。

异步电动机本身并不调速，调节的是离合器的输出转速。

电磁转差离合器（又称滑差离合器）的基本原理就是基于电磁感应原理，实质上就是一台感应电动机，其结构如图所示。

下图（a）所示为电磁转差离合器结构，它是由电枢和磁极两个旋转部分组成：一个称为磁极（内转子），另一个称为电枢（外转子），两者之间无机械联系，均可自由旋转。

当磁极的励磁线圈通过直流电流时，沿气隙圆周表面的爪极便形成若干对极性相互交替的空间磁场。

当离合器的电枢被电动机拖动旋转时，由于电枢与磁场间有相对移动，在电枢内就产生涡流；此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动磁极按同一方向旋转。

无励磁电流时，磁极不会跟着电枢转动，相当于磁极与电枢“离开”，当磁极通入励磁电流时，磁极即刻跟随电枢旋转，相当于磁极与电枢“合上”，故称为“离合器”。

因它是根据电磁感应原理工作的，磁极与电枢之间必须有转差才能产生涡流与电磁转矩，故又称“电磁转差离合器”。

因为工作原理和异步电动机相似，所以又将它及与其相连的异步电动机一起称为“滑差电动机”。

电磁转差离合器的磁极转速与励磁电流的大小有关。

励磁电流越大，建立的磁场越强，在一定转差率下产生的转矩越大。

当负载一定时，励磁电流不同，转速就不同，只要改变电磁转差离合器的励磁电流，即可调节转速。

学习目标：三相异步电动机变频调速的原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT 三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器选型：变频器选型时要确定以下几点：1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

3）变频器与负载的匹配问题；I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。

对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。

因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

变频器控制原理图设计：1）首先确认变频器的安装环境;I.工作温度。

变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0〜55℃,但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。

在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

三相异步电动机的调速控制-变极调速变极调速一般仅适用于笼型异步电动机。

变极电动机一般有双速、三速、四速之分，双速电动机定子装有一套绕组，而三速、四速电动机为两套绕组。

变极调速的原理和控制方法基本相同，这里以双速异步电动机为例进行分析。

1.双速异步电动机定子绕组的联结方式双速异步电动机是靠改变定子绕组的连接，形成两种不同的极对数，获得两种不同的转速。

双速异步电动机定子绕组常见的接法有△/YY和Y/YY两种。

双速电动机定子绕组接线图如图所示，通过改变定子绕组上每个线圈两端抽头的联结，图（a）由三角形改为双星形，图（b）由星形改为双星形，两种接线方式变换成双星形均使极对数减少一半，转速增加一倍。

双速异步电动机调速的优点是可以适应不同负载性质的要求，如需要恒功率调速时可采用三角形→双星形转换接法，需要恒转矩调速时采用星形→双星形转换接法，且线路简单、维修方便；缺点是只能有级调速且价格较高，通常使用时与机械变速配合使用，以扩大其调速范围。

注意：当定子绕组由三角形联结（各相绕组互为240°电角度）改变为双星形联结（各相绕组互为120°电角度）时，为保持变速前后电动机转向不变，在改变极对数的同时必须改变电源相序。

2.双速异步电动机控制线路下图所示为时间继电器控制的双速异步电动机自动控制线路。

图中SA为选择开关，选择电动机低速运行或高速运行。

当SA置于“低速”位置时，接通KM1线圈电路，电动机直接启动低速运行。

当 SA 置于“高速”位置时，时间继电器的瞬时触头闭合，同样先接通KM1线圈电路，电动机绕组三角形接法低速启动，当时间继电器延时时间到时，其延时断开的常闭触头KT断开，切断KM1线圈回路，同时其延时接通的常开触头KT闭合，接通接触器 KM2、KM3 线圈并使其自锁，电动机定子绕组换接成双星形接法，改为高速运行。

此时KM3的常闭触头断开使时间继电器线圈失电停止工作。

所以该控制线路具有使电动机转速自动由低速切换至高速的功能，以降低启动电流，适用于较大功率的电动机。

三相异步电动机的七种调速方式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。

一、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。

二、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。

3.5三相异步电动机的变极调速线路三相鼠笼式异步电动机可以采用改变磁极对数调速。

可变极调速的电动机一般有双速、三速和四速之分。

双速电动机的定子只安装有一套绕组，而三速和四速的电动机则安装有两套绕组。

双速电动机对安装的一套定子绕组，通过改变它的联结方式来得到不同的磁极对数，如图所示。

左图是把定子绕组接成三角形，电动机磁极对数多，电动机低速。

右图是把同一套定子绕组接成双星形，磁极对数减少为原来的一半，电动机高速运行。

双速电动机调速控制线路的示意图如图所示。

图中采用了三个交流接触器，KM1用于控制电动机定子绕组接成三角形，KM2、KM3用于控制绕组接成双星形。

其中KM2控制绕组一端U2、V2、W2接到交流电源上，KM3用于把绕组另外一端接成星点。

图中还采用了断电延时型时间继电器KT，用于电动机高速运行时，先低速启动电机时间的控制。

若将SA置于“高速”档位→时间继电器KT线圈通电且瞬时动作触点KT-1瞬时闭合→KM1线圈通电→电动机M先接成三角形低速起动→KT延时时间到→延时动作触点KT-2断开→KM1线圈断电→延时动作触点KT-3同时闭合→KM2线圈通电→KM3线圈通电→M接成双星形高速运行本讲我们主要讲述了三相异步电动机的典型控制环节，包括电动机常用控制技术，以及电动机双向运行控制，降压启动控制，制动控制以及变极调速控制等。

各种控制电路都是采用各类主令电器、各种控制电器以及各种控制触点按一定逻辑关系的不同组合来实现。

掌握这些逻辑关系对于我们理解并掌握这些控制电路非常重要，也对于我们后续PLC的编程有很大帮助。

下面我们来总结一下这些逻辑关系：1.当几个条件中只要有一个条件满足接触器就可以得电，则所有条件采用并联接法；2.如果所有条件必须都具备，接触器才能得电，则所有条件应采用串联接法；3.要求第一个接触器得电后，第二个接触器才得电，可以将前者常开触点串接在第二个接触器线圈的控制电路中，或者第二个接触器控制线圈的电源从前者的自锁触点后引入；4.要求第一个接触器得电后，第二个接触器不允许得电，可以将前者的常闭触头串接在后者接触器的控制回路中；5.连续运转与点动的区别仅在于自锁触头是否起作用。