三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现

三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现第一章引言随着电力电子学、微电子技术、计算机技术以及电机理论和自动控制理论的发展，影响三相交流电动机发展的问题逐渐得到了解决，目前三相异步交流电动机的调速性能已达到直流调速的水平。

在不久的将来交流调速必将取代直流调速。

在实际生产过程中，根据加工工艺的要求，生产机械传动机构的运行速度需要进行调节。

这种负载不变，人为调节转速的过程称为调速。

通常有机械调速和电气调速两种方法，通过改变传动机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。

不同的生产机械，对调速的目的和具体要求各不相同，对于鼓风机和泵类负载，通过调节转速来调节流量，这与通过调节阀门调节的方法相比，节能效果更加显著。

调速控制是交流电动机的重要控制内容，实际应用中的交流调速方法有多种，常见的有变极调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁调速、异步电动机调速、变频调速等。

目前广泛使用的调速方法仍然是传统的改变极对数和改变转子电阻的有级调速控制系统，近年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的进步，变频调速技术发展迅速，已应用于很多生产领域，这是将来调速发展的方向。

第二章三相异步电动机的简介2.1三相异步电动机的基本原理静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。

转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。

电磁力在转轴上形成电磁转矩。

电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。

如图2—1所示图2—1电动机的运行原理电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n1，因而称为异步电动机。

又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。

转子电动势和转子电流定子绕组通入电流后，产生旋转磁场，与转子绕组间产生相对运动，由于转子电路是闭合的，产生转子电流。

根据左手定则可知在转子绕组上产生了电磁力。

电磁转距和转子旋转方向电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转距T，电磁转距的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。

转子转速和转差率：转子转速n与旋转磁场的转速n1的方向一致，但不能相等（应保持一定的转差）。

n1又称为同步转速。

异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：（2.1）转差率是异步电动机的一个重要参数。

异步电动机在额定负载下运行时的转差率约1%—9%。

异步电动机带负载运行：轴上加机械负载，轴阻力↑，转速↓，转子与旋转磁场相对切割速度↑，转子感应电流↑，输入电流↑。

电动机的极对数：极数和转速在生产中，有时要求异步电动机在不改变负载的情况下转速能够调节，称为异步电动机的调速。

根据转差率公式可得（2.2）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均可大到改变转速的目的。

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。

2.2调速方法一改变主磁极调速改变磁极对数调速,实际上是改变定子绕组的连接方法。

通过改变定子绕组的级对数p以改变定子旋转磁场的同步速n,从而实现异步电动机的调速。

1二 改变频率调速通过改变异步电动机输入电压的频率f 1，以改变定子旋转磁场的同步速n 1，从而实现异步电动机的调速。

根据前述概念，不难得出对于恒负载转矩调速U 1/ f 1=U 1＇/f 1＇=定值 （2.3）式中，U 1＇、f 1＇—变频后的定子电压与频率；U 1、f 1—变频前的定子电压与频率对于恒功率调速U 1/ f 1= U ＇/f ＇=定值 （2.4）三 改变转差率s 、改变电压U 调速改变转差率S 的调速只能在绕线式转子电动机中使用，在其转子电路中串入附加电阻，便可改变转差率。

当频率f 和磁极对数p 不变时，转差率s 是下列各物理量的函数：S=f(U 1,r 1,x 1,r 2＇，x 2＇) （2.5）可见，改变转差率的方法有多种。

1 改变定子端电压U 1n n m (a) T =f (s )曲线 图2—2 为T em =f(s )曲线图2-2(a)所示为不同端电压U 1下的T em =f(s)曲线。

T MAX ∝U 1最大电磁转矩T MAX 正比于定子端电压U 1，可见，发生最大电磁转矩的转差率S M 与U 1无关。

从图中可见，在相同的负载转矩下，降低升高输入端电压U 1将使电动机转速降低。

图2-2(b)由于电动机的转速与每相定子绕组所加电压的平方成正比，故降压起动将导致电动机的起动转矩大大降低，因此降压起动只适用于空载或轻载起动。

当电动机起动到接近额定转速时，为使电动机带动额定负载，必须将加到电动机定子绕组的电压恢复到额定值。

图2—3所示为定子绕组串接电阻降压起动控制线路。

电动机起动时在定子绕组串接电阻或电抗器，起动电流在电阻或电抗上产生电压降，使定子绕组上的电压低于电源电压，起动电流减小。

待电动机转速接近额定转速时，再将电阻或电抗器短接，使电动机在额定电压下进行.图2—3 为定子绕组串接电阻降压起动控制线路电动机起动过程如下。

合上电源开关QS，接下起动按钮SB2，接触器KM1、时间继电器KT线圈同时通电并自锁，此时电动机定子绕组串接电阻R进行降压起动。

当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT常开延时触头闭合，接触器KM2线圈通电并自锁，KM2常闭触头断开并切断KM1、KT线圈电路，使KM1、KT断电释放。

于是形成先由KM1主触头串接定子回路电阻R，再由KM2主触头短接定子电阻，电动机经KM2主触头在全压下进入正常运转。

定子绕组串接电阻降压起动方式不受电动机接线形式的限制，较为方便。

降压起动电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻或铸铁电阻，电阻功率大、流通能力强。

但起动时会消耗大量的电能，所以不宜用于经常起动的电动机上，往往用电抗器代替电阻，只是电抗器价格较高，增加了设备成本。

通常高压电动机采用定子绕组串接电抗器降压起动，低于电动机串接电阻降压起动。

2 改变转子电阻r2＇在绕线型转子回路串入可调电阻r△＇。

由图知最大电磁转矩T MAX与转子回路电阻（r2＇+ r△＇）无关，可见，发生最大电阻转矩时的转差率S M正比于（r2＇+ r△＇），图2—4所示分别为不同转子回路串入电阻r△1＇r△2＇时的T em= f(s)曲线。

图2—4 为T em= f(s)曲线从图中可见，在相同的负载转矩下，增加转子回路串入电阻则时转速下降。

＇，对应的转差率为S＇。

若负载转矩不变，则T em保持常数。

由图可见，设串入电阻r△即r2＇/ s=常数，故有r2＇+ r△＇/ s＇= r2＇/ s＇s＇= （r2＇+ r△＇/ r2＇）s （2.6）例2-1 一台三相四级笼型异步电动机，50Hz、额定电压380V，额定电流20.1A，额定转矩65.6N·m,定子绕组△接法。

起动时参数：r1=1.376Ω，r2＇=1。

047Ω，χ1σ＇=1.65Ω,χ2σ＇=2.24Ω, r m=8.34Ω,χm =82.6Ω.试求：（1）额定电压下直接起动时的起动电流倍数和起动转矩倍数；（2）采用星-三角换接起动时的起动电流倍数和起动转矩倍数；（3）采用定子串电抗器降压起动，降压量与（2）相同，这时的起动电流倍数和起动转矩倍数；（4）为了使起动转矩不小于额定转矩的0.8倍，但要较少起动电流，应用自耦变压器降压起动，设自耦变压器中有73％、64％、55％三档抽头，问应选用哪档抽头，此时的起动电流倍数和起动转矩倍数是多少？解校正系数σ=1+χ1σ/χm=1+1.65/82.6=1.02（1）在额定电压下直接起动起动电流I st= U1/σ1[(r1+σ1 r2＇)2+(χ1σ+χ2σ＇)2]1/3=380/1.02[(1.375+1.02Χ1.047)2+(1.65+1.02Χ2.24)2]1/3 =80.44A额定相电流I1N=20.1/31/3=11.6A起动电流系数I st /I1N=80.44/11.6=6.93起动转矩T st=m1pU12 r2＇/2πf1[(r1+σ1 r2＇)2+(χ1σ+χ2σ＇)2+(χ1σ+χ2σ＇)2]2＇)2+(χ1σ+χ2σ＇)2]＇)2] =m1pI st2σ12 r2＇/2πf1=3x2x80.442 x 1.0221.047/2πx50=134.6 N·m起动转矩倍数T st/T N=134.6/65.6=2.05（2）采用星-三角换接开关1起动由电网供给的起动电流倍数I st＇/I1N=1/3x I st /I1N=1/3x6.93=2.31起动转矩倍数T st＇/T N=1/3x T st /I N=1/3x2.05=0.683(3)电抗器降压起动，降压量与（2）相同，即1/31/3U1N起动电流系数I st＂/I1N=1/31/3x I st /I1N=1/31/3x6.93=4.00起动转矩倍数T st＂/T N=1/（3）2/3X T st/T N=1/3X2.05=0.683（4）应用自耦变压器降压起动根据题意T st＂/T N=1/k A2 I st /I1N≥0.81/k A≥0.8/(T st/T N)1/3=0.8/2.051/3=0.625因为有较小的起动电流，自耦变压器应选用64％的抽头，此时自耦变压器变比k A=1/0.64有电网供给的起动电流系数I st＂/I1N =1/k A2 I st /I1N=（0.64）2x6.93=2.84起动转矩倍数T st＂/T N=1/k A2 T st/T N=（0.64）2 x2.05=0.840将上述计算结果列表比较如表2-1所示由以上可见，笼型异步电动机直接起动时，起动转矩大，缺点是起动电流亦很大，被广泛应用于电网足够大的场合；当电网容量不够大而需要限制起动电流时，在本题计算的三种降压方法中，定子串电抗器降压时，起动转矩比起动电流下降更多，故该方法最差，仅能用于空载或很轻负载的一些起动场合；星-三角换接起动和自耦变压器降压起动，起动转矩倍数的下降均与起动电流倍数的下降成正比例，只有前者降压比固定为31/3：1，设备简单，只能用于空载或轻载西起动的场合；后者设备比较贵，但能灵活地选用不同的降压倍数，适应不同的需要。