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1、第十二章 三相异步电动机的调速,12.3 能耗转差调速,12.1 变极调速,12.2 变频调速,本章主要介绍异步电动机的各种调速方法的基本原理、实现与特性。,本章小结,121 变极调速,变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步速 与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。,改变定子的极对数，通常用改变定子绕组联结法的方法。转子为笼型，则转子的极对数自动随定子的极对数对应。也可以在电动机上安装两组独立的绕组，各个绕组联结法不同构成不同的极对数。,改变极对数p都是成倍的变化，转速也是成倍的变化，故为有级调速。改变定子绕组的联结法
2、改变绕组极对数的原理。 见下页图121，122,三相异步电动机的转子转速可由下式给出：,由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种： 变极调速； 变频调速； 改变转差率调速； 其中，改变转差率的调速方法涉及： 改变定子电压的调压调速； 绕线式异步电动机的转子串电阻调速； 电磁离合器调速； 绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。,图12-1 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图,图12-1a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中， 代表A相的半相绕组， 代表A相的另一半相绕组。,结论: 只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。,为了确保定子、转子绕组
3、极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。,结论: 对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致,。,图12-2a 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线,图12-2b 三相异步电动机 /YY 接变极调速的接线,a、Y/YY接变极调速,假定变极调速前后定子的功率因数 、效率 均不变，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值 ，于是变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。,b、/YY接变极调速,假定变极
4、调速前后电机的功率因数 、效率 均不变，并设每半相绕组中的电流均为额定值 ，则 /YY变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论： /YY接变极调速属于近似恒功率调速方式。,动画演示,/YY接变极调速的机械特性,Y/YY接变极调速的机械特性,122 变频调速,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。,一、变频时的基本规律电动机定子电路的电压平衡方程式：,当U1不变时 f1下降 增大 磁路过饱和,对于恒转矩调速,对于恒功率调速,对变频调速的要求：（1）主磁通 ，以防止定子铁心过饱和；（2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 ）尽可能保持不变。,a、基频以下
5、的变频调速,由 可知，要想确保主磁通 不变，可满足亦即变频的同时必须调压，实现定子电压和频率的协调控制。 考虑到因而，此时电机的过载能力保持不变。,（1）保持 =常数的机械特性,下面对两种情况下变频调速时的机械特性进行讨论：,根据T型等效电路，可以获得用感应电势 表示的电磁转矩的表达式为：,（7-14）,利用 可以获得临界转差率 和最大转矩 分别为：,上式表明：若采用 =常数控制，则最大转矩 保持不变。,对应于最大转矩 处的转速为：,结论: 最大转矩 处的转速降 与频率无关。亦即:在变频调速过程中，若保持 =常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。,三相异步电动机变频调
6、速时的机械特性( =常数),（2）保持 =常数的机械特性,保持 =常数可以实现严格意义上 的不变和最大转矩 不变。但考虑到定子电势 难以直接测量，实际调速系统多采用 =常数代替 =常数实现变频调速。,现分析保持 =常数时三相异步电动机的机械特性。,最大电磁转矩为：,由此绘出保持 =常数时变频调速的典型机械特性如下图所示。为便于比较，图中还同时绘出了 常数时的机械特性，如图中的虚线所示。,三相异步电动机变频调速时的机械特性( =常数),由上图可见，保持 =常数，当 减小时，最大电磁转矩 将有所降低。若忽略定子绕组电阻即令 ，则可推出：,由上式可见， 的降低是由定子绕组电阻 的影响所致。尤其是当
7、低到使得 可以与 相比较时， 下降严重。,解决措施： 可以对 的线性关系加以修正，提高低频时的 ，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响（见下图）。,具有低频补偿的 协调关系,调速性质的分析：,假定变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，为了充分利用电动机，每相绕组中的电流应保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论： 由于基频以下的调速过程中保持 =常数，基频以下的变频调速属于恒转矩调速，其输出功率正比于定子频率（或转速）（见下图）,三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系,b、基频以上的变频调速,当定子频率超过基频时，受电
8、机绕组绝缘耐压的限制，定子电压 无法进一步提高，只能保持 。,此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性：,最大电磁转矩：,临界转差率：,（7-24）,由上式得对应于最大转矩 时的转速为：,结论： 最大转矩 处的转速降 与频率无关，即机械特性的硬度保持不变。,右图给出了三相异步电动机变频调速时的典型机械特性。,假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数 、效率 均不变，每相绕组中的电流仍保持额定值 不变。此时，三相异步电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,一般结论：基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速；变频调速过程中，异步电动机机械特性的硬度保持不变，调速范围宽；频率连续可调，可以实
9、现无级调速。,结论： 由于基频以上的调速过程中保持 ，基频以上的变频调速属于恒功率调速，其输出转矩反比于定子绕组的供电频率（或转速),变频调速,异步电动机变频时的机械特性：,12.3 能耗转差调速,一、转子电路串联电阻调速,在额定电压时，磁通定值，调速时,当转速降低（s 增高）时，效率下降，转子损耗功率增高，故经济性不高。,转子电路串联电阻的数值愈大，人为机械特性愈软 。,转子损耗功率为,输出功率为,调速时转子电路的效率为,二、改变定子电压调速,三、滑差电动机,（一）电磁滑差离合器的调速原理,当绕组内有电流通过时，在电枢与感应子之间便有磁通相链，如图中虚线所示。当异步电动机带动电枢旋转时，电枢
10、便以相应的转速在感应子所建立的磁场内旋转，于是电枢的各点上磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，电枢上将出现感应电动势。当感应子也旋转时，此感应电动势为,动画,在此感应电动势的作用下，电枢内将出现涡流，其值为,涡流与感应子磁场相互作用力为,转矩为,如主动与从动部分间没有相对运动，即 ，则 。因此电枢与感应子间必须存在转速差，这点与异步电动机的工作原理极为相似。其区别仅在于异步电动机的旋转磁场由三相交流电流产生，而滑差离合器的旋转磁场则由直流电流产生，由于电枢的转动才起旋转磁场的作用。,（二）电磁滑差离合器的几种结构类型,1双电枢无集电环滑差离合器,2杯形电枢滑差离合器,3爪式无集电
11、环滑差离合器,滑差离合器的输出功率,如果,调速时离合器效率为,滑差离合器在实际应用中总是与异步电动机组合在一起的，因此滑差电动机的总效率为,可见，滑差电动机的效率随转速之下降而下降 ，而损耗功率则随转速之下降而增高。,四、串级调速,（一）串级调速的一般原理,中等以上功率的绕线转子异步电动机与其他电动机或电子设备串级联接以实现平滑调速，称为串级调速。,异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入感应电动势 ，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转子电动势 方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。,引入 后,2 与 反相,（二）串级调速的机械特性,根据相量图,异步电动机的转矩为,
12、转子电流的有功分量,1 时转矩为,2 时转矩为,或,（三）晶闸管串级调速的基本原理,晶闸管串级调速具有调速范围宽，效率高（转差功率可反馈电网），便于向大容量发展等优点，是很有发展前途的绕线转子异步电动机的调速方法。它的应用范围很广，适用于通风机负载，也可用于恒转矩负载。其缺点是功率因数较差，现采用电容补偿等措施，功率因数可有所提高。总之，晶闸管串级调速向大功率发展，是很有前途的。,本章小结,1.异步电动机的三种调速方法： 变极调速、变频调速和能耗转差调速。2.各种调速方法的原理及特点3.结论：绕线端子异步电动机串极调速最有发展前途。鼠笼型端子异步电动机变频调速性能最优异，其次是晶闸管交流调压调速。,
