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1、第十章三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速开始于上世纪50年代末。在电气传动领域中，原来只用于恒速传动的交流电动机实现了调速控制，以取代制造复杂，价格昂贵，维护麻烦的直流电动机。以后，随着电力电子技术和微型计算机的发展，再加上现代控制理论向电气传动领域的渗透，使得交流调速技术得到了迅速发展，其设备容量不断扩大，性能指标及可靠性不断提高，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升，在各工业部门中，使得交流调速系统逐步取代直流调速系统，以达到节能、缩小体积、降低成本的目的。异步电动机的转速根据负载的要求，人为地或自动地进行调节，称为调速。异步电动机的转速公式是因此，异步电动机的调速有以下几种方法：（
2、1）改变供电电源的频率f；（2）改变电动机的极对数p；（3）改变转差率s；改变转差率可以由改变外施电压、转子回路串电阻或电动势等。1.转差率调速改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压调速，采用电磁转差（或滑差）离合器调速，转子回路串电阻调速以及串极调速。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗（）(又称转差功率)，使转子发热，系统效率降低。2.改变电动机的极对数通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速所以一般
3、称变极调速的电动机为多速异步电动机。3.变频调速通过改变定子绕组的电压供电频率f1来实现。当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f1。很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就能平滑、无极地调节异步电动机的转速。10.1 三相异步电动机的降定子电压调速三相异步电动机的降定子电压调速调压调速是一种比较简单的调方法，控制电路价格较低。但是低速时转子铜耗较大，效率较低。其特点和性能为：1）三相异步电动机降压调速方法比较简单；2）对于一般的鼠笼式异步电动机，拖动恒转矩负载时，调速范围很小，没多大实用价值；3）若拖动泵类负载时，如通风机，降压调速有较好调速效果，但在低速运行时，由于转差率s增大
4、，消耗在转子电路的转差功率增大，电机发热严重；4）低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达不到生产工艺的要求；5）采用下述闭环控制系统的调速范围一般为10:1。降压调速方法的改进若要求低速时机械特性较硬，即在一定静差率下有较宽的调速范围，又保证电机具有一定的过载能力，可采用转速负反馈降压调速闭环控制系统，其原理框图及静特性如图示。10.2 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线式异步电动机转子回路串电阻调速转子回路中接入调速阻，增大转子的转差率，转速下降。曲线1是固有机械特性曲线2、3、4是接入附加电阻 转子回路串电阻属恒转矩调速方法，其特点和性为：1）绕线式异步电动机转子回路串电阻调速方法
5、简单，调速设备简单，易于实现;2）调速方法为分段多级调节，为有级调速系统，且调速的平滑性较差;3）不利于空载或轻载调速，表现于转速变化很小;4）低速时转差率s大。转差功率大，转子回路中的功率损耗大，效率低，发热严重经济性差;5）调速范围不大，一般为（23）1，负载小时，调速范围更小。这种调速方法多用于起重机一类的对调速性能要求不高的场合，对泵类负载也能应用。10.3鼠笼式三相异步电动机的变极调速电源频率保持不变、改变定子绕组的极对数，也可能改变同步转速，从而改变转子转速。变极调速中，当定子绕组的接线方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序；即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不
6、变，即要求磁通旋转方向不变。变极电机定子绕组的绕制方法有：双绕组变极；单绕组变极。1.变级原理由知：改变异步电动机的定子绕组的极对数p，可以改变磁通势的同步转速n1，由于转差率s不变，则转速得到了调节。三相鼠笼式异步电动机定子绕组极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式实现的。如图(a)所示的一个四极电机A相定子绕组的两个线圈头尾相连时（正向串联），具有四个磁极(2p=4)；如果将定子绕组的联接方式改成如图(b)或(c)的形式，根据每相绕组中，一半线圈的电流方向，用右手螺旋定则确定出磁通方向，此时定子绕组具有两个磁极(2p=2)。由此可见，让半相绕组的电流方向，就能使极对数减半，从而使同步转速增
7、加一倍，运行的转速也接近成倍变化。(a)正向串联(b)反向串联(c)反向并联2.变极调速的特点和性能（1）变极调速设备简单，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便；（2）变极调速的机械特性较硬，可实现恒转矩调速和接近恒功率调速，且转差功率损耗基本不变，效率较高；（3）变极调速方法为有级调速，且调速的级数不多，一般最多为四级。普遍应用于各种机床、起重机和输送机等设备上；（4）变极调速的平滑性较差。为了改进调速的平滑性，可采用变极调速与降压调速相结合的方法。从而扩大了调速范围，又减小了低速损耗。10.4变频调速改变电源频率，改变同步转速，使转速变化。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由
8、于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。1.变频调速的基本要求主磁通保持不变，因为增大将引起磁路过饱和，励磁电流大大增加，减小将使最大转矩、过载能力下降。2.变频调速原理及其机械特性改变异步电动机定子绕组供电电源的频率f1，可以改变同步转速n1，从而改变转速。如果频率f1连续可调，则可平滑的调节转速，如略去异步电动机定子阻抗压降，则 如果改变频率f1，且保持定子电源电压u1不变，则气隙每极磁通将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率f1时，必须同时
9、降低电源电压，以达到控制磁通的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下的调速和基频以上调速两种情况。10.4.1基频以下变频调速为要使保持 不变，随频率变化，电动势也将随之按正比例变化，即恒磁通变频调速机械特性为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持为常数，使气隙每极磁通为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转矩为（a）基频以下调速（常数）（b）基频以上调速（=常数）10.4.2基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为UN不变，频率f1越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于他励直流电动机弱磁调速。保持UN=常数,
10、升高频率时，电动机的电磁转矩为变频调速的特点和性能（1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。需要专用的变频电源，应用上受到一定限制。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展；（2）变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，精度高、效率较高,调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速；（3）变频调速时，转差率s较小，则转差功率损耗较小，效率较高；（4）可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式；（5）变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。三相异步电动机的运行与拖
11、动小结摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用。1.三相异步电动机的机械特性表达式（1）物理表达式（2）参数表达式（3）实用表达式当三相异步电动机在额定负载范围内（）运行时，实用表达式可以得到简化的线性表达式（近似公式）为2.三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性：（1）固有机械特性三相异步电动机的定子加额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的接线方式联结，定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械特性称为固有机机械特性。此特性上有四个重要特殊点：2）额定工作点，其特点是：1）理想空载点
12、，其特点是：3）起动工作点，其特点是：4）临界工作点，其特点是：且最大转矩为临界转差率为式中“”号适用于电动机状态；式中“”号适用于发电机状态。（2）人为机械特性：降低定子回路端的人为机械特性；定子回路串接三相对称电抗或电阻时的人为机械特性；转子回路串接三相对称电阻时的人为机械特性；改变定子电源频率的人为机械特性（变频原理）3.三相异步电动机的起动（1）直接起动：只有在电网或供电变压器容量允许的前提下才能采用。一般用于容量小于7.5kw的鼠笼式异步电动机的直接起动。（2）鼠笼式异步电动机的降压起动：如定子回路串接电抗或电阻，自耦变压器，。（3）绕线式异步电动机的起动：如转子回路串接电阻或频敏变
13、阻器。4.三相异步电动机的制动（1）能耗制动：其特点是在定子两相绕组上加上直流电压或电流，产生制动转矩，使电机停车，机械特性由第一象限转为第二象限。（2）反接制动：分为定子两相反接的反接制动和倒拉反接制动两种。其特点是n1与n反向，若是定子电流反接制动（产生反抗性转矩），则T与TL同向，机械特性由第一象限转为第二象限，使电机迅速停车（当n0时要及时拉开电源，否则反转）；若是倒拉反接制动（产生反抗性转矩），则T与TL仍反向，机械特性由第一象限转为第四象限，电机反转使重物匀速下降。（3）回馈制动：其特点是nn1,电磁转矩T和转差率s均为负值，机械特性曲线是第一象限中电动机状态下的机械特性在第二象限
14、的延伸。5.三相异步电动机的各种运行状态。（1）电动状态：其特点为1）T与n方向相同，T为拖动性转矩；2）nn1，即0s1；3）机械特性及其稳定特性在第一、三象限；4）电机向电网吸收电能，并转变为机械能，从电机轴上输出。（2）制动状态：其特点为1）T与n方向相反，T为制动性转矩；2）机械特性及其稳定特性在第二、四象限；3）电机从轴上吸收电能，并转变为电能，但能量关系还随制动状态不同而异。6三相异步电动机的调速。（1）改变转差率S调速：常用的方案有1）改变定子电压调速；2）转子回路串电阻调速；3）电磁转差离合器调速；4）串级调速。这些调速方法除串级调速外，设备简单，起动性能好，随着转差率的增加，机械性能变软，功率被消耗在转子回路或电磁转差离合器的电枢上，效率降低。为了提高机械性能的硬度，扩大调速范围，必须采用转速负反馈闭环调速系统。（2）变极调速：1）接法：属恒转矩调速；2）接法：属恒功率调速。（3）变频调速：变频调速也是一种改变同步转速的调速方法。它分两种情况：在基频以下变频调速时，应使电压U1与频率f1按比例地配合调度，即U1/f1常数，其目的是保持磁通不变，属恒转矩调速：在基频以上变频调速时，应保持电压不变，这时频率升高，则磁通弱磁，属恒功率调速。变频调速能对异步电动机转速进行宽范围的连续调节，该方法控制功率小，调节方便，易于实现闭环控制，它是目前广泛采用的一种调速方式。