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1、第二章第二章 异步电机的控制异步电机的控制2-1 异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法根据异步电动机的转速公式根据异步电动机的转速公式n=ns(1-s)，异步电动机的调速方法只有两大类：异步电动机的调速方法只有两大类：在电机中旋转磁场的同步速度在电机中旋转磁场的同步速度ns恒定的情况下，恒定的情况下，调节转差率调节转差率s 和直流电动机的串电阻调速相类似，属于和直流电动机的串电阻调速相类似，属于耗能的低效耗能的低效调速方法调速方法 调压调速、转子串电阻调速、斩波调速、调压调速、转子串电阻调速、斩波调速、滑差离合器调速滑差离合器调速调节电机旋转磁场的同步速度调节电机旋转磁场的同步速度ns。和
2、直流电动机的调压调速相类似属于和直流电动机的调压调速相类似属于高效高效率率的调速方法的调速方法 变极调速、变频调速变极调速、变频调速注意：串级调速调速方式属于注意：串级调速调速方式属于，但属高效调速，但属高效调速(1)低效调速方法低效调速方法是耗能的调速方法，调速过程是耗能的调速方法，调速过程要伴随损耗的增加，不经济。要伴随损耗的增加，不经济。但是，这类调速方法比较简单，设备价格比但是，这类调速方法比较简单，设备价格比较便宜，故还是广泛应用于一些调速范围不大、较便宜，故还是广泛应用于一些调速范围不大、低速运行时间不长、电机容量较小的场合中。特低速运行时间不长、电机容量较小的场合中。特别值得指出
3、的是，这种调转差的耗能调速方法在别值得指出的是，这种调转差的耗能调速方法在透平式风机、水泵类设备的小范围调速节能中能透平式风机、水泵类设备的小范围调速节能中能产生明显的节能效果，因而被广泛采用。产生明显的节能效果，因而被广泛采用。(2)变极调速变极调速属于高效调速方法，变极调速方法属于高效调速方法，变极调速方法比较简单，投资较小，但是它是有级调速，一般比较简单，投资较小，但是它是有级调速，一般只有二级，最多也只有三四级，只适用于二三种只有二级，最多也只有三四级，只适用于二三种固定运行工况的场合，同时也只限定在鼠笼式异固定运行工况的场合，同时也只限定在鼠笼式异步电机中应用。步电机中应用。(3)异
4、步电动机的异步电动机的变频调速变频调速不但能无级变速，而不但能无级变速，而且可根据负载特性的不同，通过适当调节电压与且可根据负载特性的不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并保证良好的运行特性。异步电动机采用变频起动保证良好的运行特性。异步电动机采用变频起动更能显著改善起动性能，大幅底降低电机的起动更能显著改善起动性能，大幅底降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是异步电动电流，增加起动转矩，所以变频调速是异步电动机理想的调速方法。机理想的调速方法。然而变频调速需要一个能满足电机运行要求的然而变频调速需要一个能满足电机
5、运行要求的变频电源，设备投资较大，成为异步电动机变频变频电源，设备投资较大，成为异步电动机变频调速技术推广应用中的主要障碍。不过随着电力调速技术推广应用中的主要障碍。不过随着电力电子器件的发展和变频技术的成熟，这一局面正电子器件的发展和变频技术的成熟，这一局面正在逐步改善。在逐步改善。变频电源变频电源按其特性分为按其特性分为电压源型电压源型和和电流源型电流源型两两大类。大类。电压源逆变器电压源逆变器其直流侧用其直流侧用电容滤波电容滤波，内阻抗比，内阻抗比较小，较小，输出电压比较稳定输出电压比较稳定，其特性和普通市电相，其特性和普通市电相类似，适用于多台电机的并联运行和协同调速，类似，适用于多台
6、电机的并联运行和协同调速，广泛应用于化纤、冶金等行业的多机传动系统中。广泛应用于化纤、冶金等行业的多机传动系统中。这种逆变器的输出电流可以突变，容易出现过电这种逆变器的输出电流可以突变，容易出现过电流，需要有快速的保护系统。电压源逆变器的主流，需要有快速的保护系统。电压源逆变器的主要问题是它不易适应电动机四象限运行的要求，要问题是它不易适应电动机四象限运行的要求，不易实现再生制动。不易实现再生制动。电流源逆变器电流源逆变器的情况正好与此相反，由于在它的直的情况正好与此相反，由于在它的直流回路中接有较大的流回路中接有较大的平波电抗器平波电抗器，电感滤波使得它，电感滤波使得它的内阻抗比较大，的内阻
7、抗比较大，输出电流比较稳定输出电流比较稳定，出现过电流，出现过电流的可能性较小，这对过载能力比较低的半导体器件的可能性较小，这对过载能力比较低的半导体器件来说比较安全。然而异步电动机在电流源逆变器供来说比较安全。然而异步电动机在电流源逆变器供电下运行稳定性比较差，通常需要采用闭环控制和电下运行稳定性比较差，通常需要采用闭环控制和动态校正才能保证电动机的稳定运行。电流源逆变动态校正才能保证电动机的稳定运行。电流源逆变器供电的最大优点在于容易实现四象限运行，可以器供电的最大优点在于容易实现四象限运行，可以进行再生制动，较多地被应用于中等以上容量的单进行再生制动，较多地被应用于中等以上容量的单台电动
8、机调速中台电动机调速中变频器采用变频器采用半控器件晶闸管半控器件晶闸管作为功率开关器件，作为功率开关器件，由于异步电机工作在落后功率因数状态，无法向由于异步电机工作在落后功率因数状态，无法向直交变换的逆变器提供元件换流所需的落后无功直交变换的逆变器提供元件换流所需的落后无功电流，异步电机所用晶闸管逆变器通常均带有强电流，异步电机所用晶闸管逆变器通常均带有强迫关断的辅助换流电路，复杂了变频器结构。此迫关断的辅助换流电路，复杂了变频器结构。此外，由于晶闸管开关频率低，导致变频器输出电外，由于晶闸管开关频率低，导致变频器输出电压或电流为富含低次谐波的阶梯波（六脉波）或压或电流为富含低次谐波的阶梯波（
9、六脉波）或方波，恶化了电机供电条件，产生了损耗、发热、方波，恶化了电机供电条件，产生了损耗、发热、转矩脉动、振动与噪声等谐波负面效应。转矩脉动、振动与噪声等谐波负面效应。只是因为晶闸管元件技术成熟，可以做到只是因为晶闸管元件技术成熟，可以做到高压、大容量高压、大容量，故在电流型的大机组变频传动中，故在电流型的大机组变频传动中仍得到应用。仍得到应用。变频器采用变频器采用具有自关断能力的高频功率开关器件具有自关断能力的高频功率开关器件(GTO、GTR、Power MOSFET、IGBT、MCT),逆变器输出特性有可能采用新型的脉宽调制逆变器输出特性有可能采用新型的脉宽调制(PWM)技技术优化，尤其
10、是术优化，尤其是正弦脉宽调制正弦脉宽调制(SPWM)和空间电压矢和空间电压矢量脉宽调制量脉宽调制(SVPWM)。脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM波形显著降波形显著降低了逆变器输出电压中的低次谐波，高频开关方式低了逆变器输出电压中的低次谐波，高频开关方式又提高了输出谐波频率、降低了谐波幅值，也提高又提高了输出谐波频率、降低了谐波幅值，也提高了逆变器动态响应速度，在中、小型异步电机变频了逆变器动态响应速度，在中、小型异步电机变频调速中获得了极为广泛的应用。调速中获得了极为广泛的应用。空间电压矢量调制空间电压矢量调制(SVPWM)是将逆变器与交流电是将逆变器与交流电机作为一个
11、整体来考虑，通过对逆变器功率器件机作为一个整体来考虑，通过对逆变器功率器件的开关方式控制，输出不同的三相电压，构成一的开关方式控制，输出不同的三相电压，构成一个空间矢量，使电机气隙中产生的实际磁通尽可个空间矢量，使电机气隙中产生的实际磁通尽可能地逼近电网正弦电压供电时的理想圆形磁通轨能地逼近电网正弦电压供电时的理想圆形磁通轨迹，从而使变频器迹，从而使变频器 输出特性达到一个更高的综输出特性达到一个更高的综合性能。由于合性能。由于SVPWM方法是将三相变量作统一方法是将三相变量作统一处理，易于数字实现，目前已呈现取代处理，易于数字实现，目前已呈现取代SPWM的的趋势趋势2-2 异步电动机的调压调
12、速异步电动机的调压调速晶闸管调压器的控制方法晶闸管调压器的控制方法:(1)相位控制，通过改变晶闸管的触发相位改变电相位控制，通过改变晶闸管的触发相位改变电压输出波形以实现调压压输出波形以实现调压其输出电压中所含谐波分量比较大其输出电压中所含谐波分量比较大(2)通断控制通断控制(周波控制周波控制)，即将双向晶闸管用作交流过，即将双向晶闸管用作交流过零开关，交替地接通和阻断几个周波的电源交流电，用零开关，交替地接通和阻断几个周波的电源交流电，用改变接通时间和切断时间之比来控制输出电压的有效值。改变接通时间和切断时间之比来控制输出电压的有效值。通断的频率不能太低，否则会引起电机转速的波动通断的频率不
13、能太低，否则会引起电机转速的波动和大电流冲击；如通断交替频率较高，每次通断时和大电流冲击；如通断交替频率较高，每次通断时间间隔中交流电周波数较少，可能调速不够平滑间间隔中交流电周波数较少，可能调速不够平滑异步电机异步电机调压控制调压控制中多用相中多用相控技术控技术 异步电动机异步电动机调压调速调压调速:电机转矩与输入电压基波的电机转矩与输入电压基波的平方成正比，改变平方成正比，改变电机端电压基波电机端电压基波可以改变异步电动机可以改变异步电动机的机械特性形状以及它们和负载特性的交点（工作点），的机械特性形状以及它们和负载特性的交点（工作点），从而实现调速从而实现调速异步电动机的异步电动机的机械
14、特性机械特性：当电：当电源的频率和电压保持不变时，源的频率和电压保持不变时，电动机转速和电磁转矩之间的电动机转速和电磁转矩之间的关系曲线关系曲线n=f(Tem)负载的负载的机械特性机械特性：当电源的：当电源的频率和电压保持不变时，电频率和电压保持不变时，电动机转速和负载转矩之间的动机转速和负载转矩之间的关系曲线关系曲线n=f(T2+T0)转子电阻比较大转子电阻比较大的电机，的电机，机械特性比较软，电磁转矩机械特性比较软，电磁转矩随电压的平方迅速下降，电随电压的平方迅速下降，电机工作点的转速变化比较明机工作点的转速变化比较明显，显，调速效果较好调速效果较好转子电阻比较小转子电阻比较小的电机，的电
15、机，机械特性比较硬，电磁转矩机械特性比较硬，电磁转矩随电压的平方变化不明显，随电压的平方变化不明显，调速效果差调速效果差 因此，用于调压调速的电机转子绕组必须要有因此，用于调压调速的电机转子绕组必须要有较高的电阻，或者采用绕线型异步电机并在转子回较高的电阻，或者采用绕线型异步电机并在转子回路中串入适量的电阻或频敏变阻器，或者采用实心路中串入适量的电阻或频敏变阻器，或者采用实心转子电机，使电动机的机械特性变软，以适应调压转子电机，使电动机的机械特性变软，以适应调压调速的要求。调速的要求。调压调速方法比较适用于拖动调压调速方法比较适用于拖动风机、水泵风机、水泵的异步电的异步电动机，因为风机、水泵类
16、的负载转矩是和转速的平动机，因为风机、水泵类的负载转矩是和转速的平方成正比，即方成正比，即当转速降低时电机的负载显著减小当转速降低时电机的负载显著减小 异步电动机调压调速系统的异步电动机调压调速系统的机械特性比较软机械特性比较软，特，特别是低速运行的别是低速运行的稳定性很差稳定性很差，在负载和电网电压波动，在负载和电网电压波动时都可能引起较大的时都可能引起较大的速度波动速度波动。因此对于恒转矩负载。因此对于恒转矩负载以及调速范围在以及调速范围在2：1 以上的场合往往要加速度反馈，以上的场合往往要加速度反馈，以达到自动调节转速的目的。以达到自动调节转速的目的。最常用的速度负反馈调压调速系统最常用
17、的速度负反馈调压调速系统闭环系统的机械特性硬度极大的得到提高闭环系统的机械特性硬度极大的得到提高当当TL增大引起增大引起n下降时，增大下降时，增大定子电压定子电压当当TL减小引减小引起起n升高时，升高时，减小定子电减小定子电压压双向晶闸管的交流调压器不但可以用于异步电机的双向晶闸管的交流调压器不但可以用于异步电机的调压调速，而且还可以用于准恒速下的调压调速，而且还可以用于准恒速下的轻载调压节轻载调压节能能。电机在轻载运行时虽然负载电流小、铜损小，电机在轻载运行时虽然负载电流小、铜损小，但电压不变，铁损仍然保持额定，造成损耗比例很但电压不变，铁损仍然保持额定，造成损耗比例很高、效率下降，功率因数
18、低下。高、效率下降，功率因数低下。如果轻载时在确保拖动负载和转速基本不变的如果轻载时在确保拖动负载和转速基本不变的条件下适当降低电压，此时电机内磁场强度减弱，条件下适当降低电压，此时电机内磁场强度减弱，使得铁损及磁化电流随之降低，于是电机轻载运行使得铁损及磁化电流随之降低，于是电机轻载运行下的效率、功率因数明显提高，达到了轻载运行节下的效率、功率因数明显提高，达到了轻载运行节能的目的。能的目的。注意注意:轻载调压节能节省的是电机的铁损，因轻载调压节能节省的是电机的铁损，因此要求电机必须长时间运行在轻载状态，同时此要求电机必须长时间运行在轻载状态，同时电机需要有一定的额定容量才有效果。电机需要有
19、一定的额定容量才有效果。按负载大小有效地调节电机端电压，按负载大小有效地调节电机端电压，正确选用正确选用反馈量是关键反馈量是关键。异步电机的功率因数随负载大。异步电机的功率因数随负载大小变化，轻载时低、重载时增大，两者虽然不小变化，轻载时低、重载时增大，两者虽然不是线性关系但还是能比较准确地反映负载率的是线性关系但还是能比较准确地反映负载率的情况。情况。据此，美国宇航局的据此，美国宇航局的Nolla 提出了一种提出了一种 功功率因数控制器率因数控制器，它实质上就是一个由双向晶闸，它实质上就是一个由双向晶闸管构成的电压调节器，根据电机功率因数的不管构成的电压调节器，根据电机功率因数的不同，亦即负
20、载大小的不同自动调节电机端电压，同，亦即负载大小的不同自动调节电机端电压，以减少轻载运行时损耗，提高电机运行效率，以减少轻载运行时损耗，提高电机运行效率，产生节能效果。产生节能效果。从现有运行实际看，利用功率因数调节器从现有运行实际看，利用功率因数调节器大致可以减少大致可以减少60%左右的空载损耗，但当电机左右的空载损耗，但当电机负载率超过负载率超过40%后将失去节能效果。后将失去节能效果。2-3 电磁滑差离合器（电磁调速电机）电磁滑差离合器（电磁调速电机）电磁滑差离合器电磁滑差离合器是一种调速原理和性能与异步电是一种调速原理和性能与异步电机机调压调速调压调速十分相似的系统，它是通过调节滑差十
21、分相似的系统，它是通过调节滑差离合器的励磁电流，改变其内部的磁场强度实现离合器的励磁电流，改变其内部的磁场强度实现调速的，也是属于调速的，也是属于滑差功率消耗型滑差功率消耗型调速方式，只调速方式，只是滑差功率不消耗在电机内部而是在与电机同轴是滑差功率不消耗在电机内部而是在与电机同轴的电磁滑差离合器之中。的电磁滑差离合器之中。电枢和磁极分别旋转；电枢与异步电机同轴，以电枢和磁极分别旋转；电枢与异步电机同轴，以恒速恒速n旋转，是主动部分；磁极与负载同轴旋转，是主动部分；磁极与负载同轴，其转速，其转速n受励磁电流的调节，是从动部分受励磁电流的调节，是从动部分 磁极上装励磁绕组，通大小可调的直流磁极上
22、装励磁绕组，通大小可调的直流If。电枢整块铸钢，当电枢由电动机拖动以恒速旋转电枢整块铸钢，当电枢由电动机拖动以恒速旋转时，电枢与磁极之间有相对运动，会在实心电枢时，电枢与磁极之间有相对运动，会在实心电枢中感应出涡流电流，此电流与磁场作用产生电磁中感应出涡流电流，此电流与磁场作用产生电磁转矩，其过程与作用和实心转子异步电机相同转矩，其过程与作用和实心转子异步电机相同。改变励磁电流的大小改变励磁电流的大小就可以调节电枢与机就可以调节电枢与机械旋转磁场之间的转差率，械旋转磁场之间的转差率，改变改变从动轴的从动轴的输出输出速度速度。若若不加励磁电流，磁极就会停转不加励磁电流，磁极就会停转，相当于，相当
23、于把从动轴与主动轴分离，起到了离合器的作用。把从动轴与主动轴分离，起到了离合器的作用。电磁滑差离合器常与鼠笼式异步电机在结构上做成电磁滑差离合器常与鼠笼式异步电机在结构上做成一体，并配有同轴测速发电机和速度反馈闭环控制一体，并配有同轴测速发电机和速度反馈闭环控制装置，这种成套配置常称为电磁调速电机，简装置，这种成套配置常称为电磁调速电机，简VS电机或电机或HC电机。电机。开环开环机械特性很软，稍机械特性很软，稍加负载转速就会有较大加负载转速就会有较大下降下降闭环闭环机械特性硬度大为提机械特性硬度大为提高呈水平线，其两端分别高呈水平线，其两端分别受最大励磁电流受最大励磁电流Ifmax和最小和最小励磁电流励磁电流Ifmin的限制，的限制，电磁滑差离合器结构简单，价格低廉，电磁滑差离合器结构简单，价格低廉，控制方便，运行可靠。但它低速运行时控制方便，运行可靠。但它低速运行时损耗大，效率低，常用于调速范围不宽、损耗大，效率低，常用于调速范围不宽、经常处于高速运行的场合，特别适合风经常处于高速运行的场合，特别适合风机、水泵的调速节能运行。机、水泵的调速节能运行。