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1、第3章电机调速控制线路第1页，本讲稿共24页2023/4/16116 四月 2023机电与汽车工程学院23.3 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理3 电机调速控制线路电机调速控制线路 电磁力电磁力 电生磁电生磁 磁生电磁生电3.4 三相异步电动机的两个基本概念三相异步电动机的两个基本概念概念一：概念一：极数极数三相异步电机旋转磁场含有的磁极个数就是极数，称为三相异步电机旋转磁场含有的磁极个数就是极数，称为极数极数。同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率转差率：概念二：概念二：转差率转差率转子转速转子转速为：3.5 三相异步电动机
2、的接线方法三相异步电动机的接线方法3.6 三相异步电动机的转速三相异步电动机的转速第2页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院3在实际生产中，在实际生产中，为满足机械设备生产过程中的需要，常要求输出多种速度。为满足机械设备生产过程中的需要，常要求输出多种速度。例如：在金属切削机床上加工零件时，为保证零件的加工质量，主轴例如：在金属切削机床上加工零件时，为保证零件的加工质量，主轴的转速应随着工件和刀具的材料、工件的直径、加工工艺的要求及走的转速应随着工件和刀具的材料、工件的直径、加工工艺的要求及走刀量的大小等的不同而不同。刀量的大小等的不同而不同。调速通常有机械调速和电气调速两种
3、，常用电气调速方式，简单易行，且调速通常有机械调速和电气调速两种，常用电气调速方式，简单易行，且可大大简化机械变速机构。可大大简化机械变速机构。式中式中：已知三相异步电动机的转速公式为：已知三相异步电动机的转速公式为：3 电机调速控制线路电机调速控制线路p磁极对数。s转差率；f电源频率；第3页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院43 电机调速控制线路电机调速控制线路由三相异步电机的转速可以看出，改变电动机的转速有由三相异步电机的转速可以看出，改变电动机的转速有3种种方法，即改变转差率方法，即改变转差率s、电源频率电源频率f、磁极对数、磁极对数p。变极调速变极调速是改变定子绕组
4、的极对数实现的，通过外部开关切换来改变电机是改变定子绕组的极对数实现的，通过外部开关切换来改变电机绕组的串并联关系，大多运用于绕组的串并联关系，大多运用于笼型笼型电动机。电动机。转差率调速转差率调速是三相是三相绕线转子绕线转子异步电动机的调速方法，广泛应用于起重设备中。异步电动机的调速方法，广泛应用于起重设备中。调速方法：调速方法：第4页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院53 电机调速控制线路电机调速控制线路3.7 三相异步电动机的基本调速控制线路三相异步电动机的基本调速控制线路3.7.1 三相笼型异步电动机的变极调速控制线路三相笼型异步电动机的变极调速控制线路变极调速有变
5、极调速有两种方法两种方法：第一种第一种，改变定子绕组的连接方法；，改变定子绕组的连接方法；第二种第二种，在定子上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组。，在定子上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组。变极调速一般可得到两级、三级速度，最多可获得四级速度，但常见是两级速度变变极调速一般可得到两级、三级速度，最多可获得四级速度，但常见是两级速度变极调速，即极调速，即双速电动机双速电动机的变数。的变数。第5页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院63.7.1 三相笼型异步电动机的变极调速控制线路三相笼型异步电动机的变极调速控制线路1）变极调速的原理）变极调速的原理 在利用加工机床进
6、行生产实践的过程中，为了获得较宽的调速范围，在利用加工机床进行生产实践的过程中，为了获得较宽的调速范围，均采用均采用“双速电机双速电机”或者多速电机。双速电机与多速电机其基本原理和控制或者多速电机。双速电机与多速电机其基本原理和控制方法基本相同。以双速电机为例进行分析。方法基本相同。以双速电机为例进行分析。双速电机的变速是通过改变双速电机的变速是通过改变 绕组的连接来改变磁极对数，从而实现转速的绕组的连接来改变磁极对数，从而实现转速的改变。改变。双速电机每相定子绕组由两个线圈连接而成，共有三个抽头，如双速电机每相定子绕组由两个线圈连接而成，共有三个抽头，如(a)图所示，定子绕组连接方式有两种，
7、即三角形连接图所示，定子绕组连接方式有两种，即三角形连接(b)图图)和星形连接和星形连接(c)图图)。(b)三角形接法(c)星形接法(a)单相绕组结构定子定子第6页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院73.7.1 三相笼型异步电动机的变极调速控制线路三相笼型异步电动机的变极调速控制线路注注(1)：YYY切换适用于拖动恒转矩性质负载；切换适用于拖动恒转矩性质负载；YY切换适用于拖动恒功率性质的负载。切换适用于拖动恒功率性质的负载。注注(2)：变极调速有变极调速有“反转向方案反转向方案”和和“同转向方案同转向方案”两种方法。若变极后电两种方法。若变极后电源相序不变，则电动机反转高
8、速运行；若要保持电动机变极后转向不变，则源相序不变，则电动机反转高速运行；若要保持电动机变极后转向不变，则需同时改变电源相序。需同时改变电源相序。要实现双速电机的变速，则需将三角形连接或星形连接变成如要实现双速电机的变速，则需将三角形连接或星形连接变成如(d)图所示的双图所示的双星形连接。两种接线方法变换都能使磁极对数减少一半，转速增加一倍。星形连接。两种接线方法变换都能使磁极对数减少一半，转速增加一倍。(b)三角形接法三角形接法(c)星形接法星形接法(d)双星形接法双星形接法1）变极调速的原理）变极调速的原理第7页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院83.7.1 三相笼型异
9、步电动机的变极调速控制线路三相笼型异步电动机的变极调速控制线路1）双速电机控制线路）双速电机控制线路基于按钮、接触器控制的双速电动机控制线路基于按钮、接触器控制的双速电动机控制线路(a)主电路(b)按钮、接触器控制线路第8页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院93.7.1 三相笼型异步电动机的变极调速控制线路三相笼型异步电动机的变极调速控制线路1）双速电机控制线路）双速电机控制线路基于按钮、接触器控制的双速电动机控制线路基于按钮、接触器控制的双速电动机控制线路合上按钮合上按钮SB2KM1通电通电KM1主触主触点闭合点闭合低速运行低速运行三角形联结三角形联结合上按钮合上按钮SB
10、3高速运行高速运行KM2、3主触点闭合主触点闭合KM2、KM3通电通电双星型联结双星型联结该控制电路适用于小容量电动该控制电路适用于小容量电动机的控制机的控制(b)按钮、接触器控制线路第9页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院103.7.1 三相笼型异步电动机的变极调速控制线路三相笼型异步电动机的变极调速控制线路1）双速电机控制线路）双速电机控制线路基于接触器、时间继电器自动控制的双速电动机控制线路基于接触器、时间继电器自动控制的双速电动机控制线路合上低速合上低速按钮按钮SAKM1通电通电低速运行低速运行三角形联结三角形联结通电延时通电延时线圈线圈瞬时闭合瞬时闭合延时断开延时
11、断开KM1主主触点闭合触点闭合该控制电路适用于大容量电动该控制电路适用于大容量电动机的控制机的控制合上高速合上高速按钮按钮SAKM1通电通电三角形联结三角形联结低速运行低速运行KT通电通电KT1延时断开延时断开KM1断电断电KT2闭合闭合KM2/3通电通电双星型联结双星型联结高速运行高速运行(a)主电路(b)控制线路第10页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院11时间继电器时间继电器延时方式：延时方式：通电延时通电延时：接受输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化。当输入信号消失后，输出瞬时复原。断电延时断电延时：接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号。当输入信号消失后，
12、延迟一定的时间，输出才复原。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(a)线圈一般符号 (b)通电延时线圈 (c)断电延时线圈 (d)通电延时闭合触点 (e)通电延时断开触点(f)断电延时断开触点(g)断电延时闭合触点(h)瞬动触点 符号符号:知识点回顾知识点回顾第11页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院12变极调速的优缺点：变极调速的优缺点：主要优点：主要优点：设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；缺点缺点:有极调速，且极数有限，因而只适用
13、于不需有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。平滑调速的场合。第12页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院133 电机调速控制线路电机调速控制线路3.7 三相异步电动机的基本调速控制线路三相异步电动机的基本调速控制线路3.7.2 绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制线路绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制线路 绕线式异步电动机可采用转子回路串电阻的方法来实现绕线式异步电动机可采用转子回路串电阻的方法来实现变差变差(指转差指转差率率s的改变的改变)调速调速。电动机的电动机的转差率转差率 s 随着转子回路所串电阻的变化而变化，使电动机工随着转子回路所串电阻的变化而变
14、化，使电动机工作在不同的人为特性上，以获得不同转速，从而实现调速的目的。作在不同的人为特性上，以获得不同转速，从而实现调速的目的。通常采用通常采用凸轮控制器凸轮控制器来实现绕线式异步电动机的调速控制。来实现绕线式异步电动机的调速控制。第13页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院14主令控制器主令控制器启动前准备：启动前准备：合上自动开关QF1、QF2主令控制器手柄置到“0”触头S0接通继电器KA通电时间继电器KT1、KT2得电时间继电器KT1、KT2常闭触点瞬时打开KA常开触点闭合自锁断电延时线圈断电延时线圈控制电路做好起动准备。第14页，本讲稿共24页16 四月 2023机
15、电与汽车工程学院15起动起动(主令控制器主令控制器SA直接推向直接推向“”挡位挡位)：SA推向“”挡位后，触头S1、S2、S3闭合KM1得电，主触头闭合电机在每相串两电阻情况下启动KM1常闭触点断开KT1断电断电延时闭合常闭触点KM2得电R1切除电机得到加速KM2常闭触点断开KT2断电断电延时闭合常闭触点KM3得电R2切除,电机全速启动第15页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院16主令控制器主令控制器SA直接直接推向推向“II”挡位：挡位：主令控制器的触头只有S1、S2接通，接触器KM2切除一段电阻，电动机实现中速运行。主令控制器主令控制器SA直接直接推向推向“I”挡位：挡
16、位：主令控制器的触头只有S1接通，接触器KM2、KM3均不能得电，电阻R1、R2将接入转子电路中，电动机实现低速运行。因此，因此，该系统可以实现三级调速。第16页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院173 电机调速控制线路电机调速控制线路3.7 三相异步电动机的基本调速控制线路三相异步电动机的基本调速控制线路3.7.1 三相笼型异步电动机的变极调速控制线路3.7.2 绕线式异步电动机转子串电阻的调速控制线路根据根据:可知可知:频率频率 f 下调时，转速下调时，转速 n 降低。降低。而频率而频率 f 上调时，转速上调时，转速 n 升高。升高。3.8 三相异步电动机的变频调速控制
17、线路三相异步电动机的变频调速控制线路变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。第17页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院183 电机调速控制线路电机调速控制线路3.8 三相异步电动机的变频调速控制线路三相异步电动机的变频调速控制线路3.8.1 变频调速原理变频调速原理由三相异步电动机转速公式可知，只要连续改变由三相异步电动机转速公式可知，只要连续改变 f，即可实现平滑调速。，即可实现平滑调速。在电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是：在电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是：希望保持希望保持 不变。不变。因为
18、如果磁通因为如果磁通减弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，减弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大。导致励磁电流过大。由下述电动机电动势电压平衡方程可知：由下述电动机电动势电压平衡方程可知：(1)频率下调时，若频率下调时，若=常数，则可保持常数，则可保持 m 不变。不变。因此，属于一种恒磁通调速。因此，属于一种恒磁通调速。第18页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院193 电机调速控制线路电机调速控制线路3.8 三相异步电动机的变频调速控制线路三相异步电动机的变频调速控制线路3.8.1 变频调速
19、原理变频调速原理(2)频率上调时频率上调时，如果电压，如果电压U1也上调，则电压将超过额定电压，这是不允许的，也上调，则电压将超过额定电压，这是不允许的，因此在调速过程中，只能保持因此在调速过程中，只能保持U不变不变，m变小。变小。因此，属于一种弱磁调速。因此，属于一种弱磁调速。3.8.2 变频调速机械特性变频调速机械特性(1)频率下调，频率下调，=常数的变频调速机械特性常数的变频调速机械特性由由 转矩转矩T与磁通与磁通 m 成正比。成正比。频率下调时，频率下调时，因为因为 m不变，所以转矩不变，所以转矩T 也不变，属于恒转矩调速。也不变，属于恒转矩调速。第19页，本讲稿共24页16 四月 2
20、023机电与汽车工程学院203.8 三相异步电动机的变频调速控制线路三相异步电动机的变频调速控制线路3.8.2 变频调速机械特性变频调速机械特性(1)频率下调，频率下调，=常数的变频调速机械特性常数的变频调速机械特性恒转矩调速恒转矩调速右图为右图为U1/f=常数时变频调速机械特性。常数时变频调速机械特性。由图可以看出，最大转矩将随由图可以看出，最大转矩将随 f 的降低而降的降低而降低，此时低，此时直线部分斜率仍不变，机械特性保直线部分斜率仍不变，机械特性保持较高的硬度。持较高的硬度。只要只要 f 连续变化，转速连续变化，转速 n 将将连续变化。连续变化。转矩变化与所引起的转速变化转矩变化与所引
21、起的转速变化的比值，称为的比值，称为机械特性的硬机械特性的硬度度。3 电机调速控制线路电机调速控制线路第20页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院213 电机调速控制线路电机调速控制线路3.8 三相异步电动机的变频调速控制线路三相异步电动机的变频调速控制线路3.8.2 变频调速机械特性变频调速机械特性(2)U=UN的变频调速机械特性的变频调速机械特性由图可以看出，最大转矩将随由图可以看出，最大转矩将随 f 上升而减小，上升而减小，且机械特性的硬度略为变软，同样，连续改且机械特性的硬度略为变软，同样，连续改变变 f 可连续改变转速可连续改变转速n。因因 f 调高时，调高时，m下
22、降，但下降，但若要求电机在不同转速若要求电机在不同转速下都达到额定电流，因而功率不变，下都达到额定电流，因而功率不变，故属于恒功率故属于恒功率调速方式。调速方式。第21页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院223 电机调速控制线路电机调速控制线路3.8 三相异步电动机的变频调速控制线路三相异步电动机的变频调速控制线路3.8.3 变频器变频器变频电源取得方法：变频电源取得方法：(1)变频机组变频机组：由直流电动机和交流发电机组成。通过调节直流电动机：由直流电动机和交流发电机组成。通过调节直流电动机转速即能改变交流发电机的频率。转速即能改变交流发电机的频率。(2)变频器变频器，即
23、变频装置。，即变频装置。变频机组设备庞大，可靠性变频机组设备庞大，可靠性差，已被变频器取代差，已被变频器取代1）变频器的结构及分类）变频器的结构及分类主流变频器结构：主流变频器结构：第22页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院231）变频器的结构及分类主流变频器结构：主流变频器结构：整流电路整流电路由三相全波整流桥组成，主要作用是对工频交流电源进行整流，由三相全波整流桥组成，主要作用是对工频交流电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。直流中间电路直流中间电路是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电是对整流
24、电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到较高的直流电源。源能够得到较高的直流电源。逆变电路逆变电路是变频器的最主要部分之一。它的主要作用是在控制电路的控是变频器的最主要部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将中间电路输出地直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。制下将中间电路输出地直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。逆变电路输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。控制电路控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外
25、部接口电路以及保护电路等。主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使以及保护电路等。主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极(基极基极)驱动信号，并驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。对变频器以及异步电动机提供必要的保护。第23页，本讲稿共24页16 四月 2023机电与汽车工程学院243 电机调速控制线路电机调速控制线路3.8 三相异步电动机的变频调速控制线路三相异步电动机的变频调速控制线路3.8.3 变频器变频器变频器类型：变频器类型：按其结构型式，可划分为：按其
26、结构型式，可划分为：交交直直交交变频器和变频器和交交交交变频器。变频器。按电源性质式，可划分为：按电源性质式，可划分为：电压型电压型变频器和变频器和电流型电流型变频器。变频器。按电压的调制方式，可划分为：按电压的调制方式，可划分为：PAM(脉幅调制脉幅调制)和和PWM(脉宽调制脉宽调制)。交交直直交交变频器：把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可调的变频器：把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。在频率调节范围和变频后电动机特性方面有优势。三相交流电。在频率调节范围和变频后电动机特性方面有优势。交交交交变频器：把频率固定的交流电直接变成频率连续可调的三相交流电。频率可变频器：把频率固定的交流电直接变成频率连续可调的三相交流电。频率可调范围窄，用于容量较大的低速拖动系统。调范围窄，用于容量较大的低速拖动系统。把直流电逆变成交流电的环节较容易控制，把直流电逆变成交流电的环节较容易控制，在频率的调节范围以及改善变频后电动机在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性方面具有明显优势。的特性方面具有明显优势。第24页，本讲稿共24页