電動機其它調(diào)速方式解析課件

1、 第六章異步電動機的其它調(diào)速方式 1 第一節(jié) 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 第二節(jié) 異步電動機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 第三節(jié) 異步電動機的變極調(diào)速第四節(jié) 異步電動機的斬波內(nèi)饋調(diào)速簡介目 錄2第一節(jié) 異步電機的電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速一、電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理1、電磁轉(zhuǎn)差離合器的結(jié)構(gòu)31、電磁轉(zhuǎn)差離合器的結(jié)構(gòu)它主要由電樞、磁極兩部分組成。電樞與磁極之間各自獨立、自由旋轉(zhuǎn)。電樞與異步電機同軸連接，為主動部分。電樞通常是整塊鑄鋼圓筒，也有的加上籠形導(dǎo)條，沒有繞組，具有導(dǎo)磁、導(dǎo)電功能。磁極有鐵芯和勵磁繞組兩部分組成，與機械負(fù)載相連，為從動部分。勵磁繞組通過集電環(huán)由直流電源供給勵磁。42、電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原

2、理勵磁繞組通入直流電流后，產(chǎn)生固定磁場。異步電機以轉(zhuǎn)速n1帶動離合器的電樞旋轉(zhuǎn)，電樞因切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢，并產(chǎn)生渦流，渦流與磁極的磁場產(chǎn)生電磁力，形成電磁轉(zhuǎn)矩使磁極跟著電樞旋轉(zhuǎn)，從而帶動負(fù)載。磁極的轉(zhuǎn)速就是離合器的輸出轉(zhuǎn)速n2。若n1不變、負(fù)載不變，則n2取決于電磁轉(zhuǎn)矩，而電磁轉(zhuǎn)矩由勵磁電流IL決定。改變勵磁電流IL，就可以改變輸出轉(zhuǎn)速n2 。5電磁轉(zhuǎn)差離合器名稱由來轉(zhuǎn)差：磁極轉(zhuǎn)速永遠低于電樞轉(zhuǎn)速，存在轉(zhuǎn)差，類似異步電動機。沒有轉(zhuǎn)差，磁極與電樞就沒有相對運動，轉(zhuǎn)矩也就沒有了，則磁極轉(zhuǎn)速必然面下來。因此轉(zhuǎn)差一定存在。離合器：勵磁電流為零，磁極不會轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于電機與負(fù)載分開；加上勵磁電流，磁極

3、立即轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于電機與負(fù)載合上，類似機械離合器。電磁：離合靠電磁，故名。6二、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的機械特性不加反饋控制時，調(diào)速系統(tǒng)的機械特性就是電磁轉(zhuǎn)差離合器的機械持性。由于轉(zhuǎn)差離合器的工作原理與異步電動機相似，所以它們兩者的調(diào)速特性也相似。圖6-2為電磁轉(zhuǎn)差離合器機械特性。這是不同勵磁電流時的一族機械持性。也可用經(jīng)驗公式來表示7n1 原動機轉(zhuǎn)速；T 電磁轉(zhuǎn)差離合器軸上輸出轉(zhuǎn)矩；IL 電磁轉(zhuǎn)差離臺器的勵磁電流；K 與電磁轉(zhuǎn)差離合器結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。圖6-2 電磁轉(zhuǎn)差離合器機械特性8有公式 可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，輸出轉(zhuǎn)速越低；勵磁電流越大，輸出轉(zhuǎn)速越高。從圖可知，其機械特性很軟，所以調(diào)速性能

4、很差。帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速范圍較窄，較適合于風(fēng)機、泵類負(fù)載。如同調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)一樣，在工業(yè)使用時都加以轉(zhuǎn)速反饋控制，從而可獲得較硬的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)機械特性。9三、電磁轉(zhuǎn)差離合器閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)Un*10 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性 圖2-16b所示是閉環(huán)控制電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。恒速原理：當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載在 A 點運行時，如果負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速下降，反饋控制作用能提高勵磁電流，從而在右邊一條機械特性上找到新的工作點 A 。eT0nn0TLILmaxAAAILmin恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性I*n3I*n1I*n2同理，當(dāng)負(fù)載降低時，會在左邊一條特性上得到勵磁電流低一些的工作點 A。按照反饋控制規(guī)律，將A 、A、 A連接起

5、來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。11 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性特點 盡管電磁轉(zhuǎn)差離合器的開環(huán)機械特性很軟，但由系統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性卻可以很硬。 如果采用PI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無靜差。改變給定信號，則靜特性平行地上下移動，達到調(diào)速的目的。12 與異步電機閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)相同，閉環(huán)控制電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)也有：靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們分別是最大勵磁電流 ILmax 下的機械特性和最小勵磁電流 ILmin下的機械特性。 當(dāng)負(fù)載變化時，如果勵磁電流調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。13四、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)特點電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)

6、差功率消耗型，只是轉(zhuǎn)差功率并非消耗在電機內(nèi)部，而是消耗在電磁轉(zhuǎn)差離合器中。 電磁轉(zhuǎn)差離合器輸出轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差損耗就越大，即轉(zhuǎn)差損耗功率只與轉(zhuǎn)差率成正比：PS =sP ，P為離合器輸入功率。效率：=1-s （恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時）低速帶負(fù)載運行時，離合器發(fā)熱比較嚴(yán)重，容量大時需要水冷。14裝置簡單、運行可靠，價格便宜。損耗較大、效率較低，特別是低速時。151、異步電機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速原理異步電機運行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為 轉(zhuǎn)子相電流的表達式為式中 s 異步電機的轉(zhuǎn)差率； Xr0 s = 1時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。 Er0 繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子開路電動勢。第二節(jié) 異步電機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速16轉(zhuǎn)子串電阻R時相電流

7、的表達式為調(diào)速過程：若增大轉(zhuǎn)子的外串電阻，可使轉(zhuǎn)子電流減小，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率增大，從而使轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩回升，直到電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩重新相平衡，電機穩(wěn)定運行，但這時轉(zhuǎn)速已經(jīng)減小了。172、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的機械特性ABCRr Rr+R1Rr+R2Tnn0 R1 R2 R3183、特點：轉(zhuǎn)子串電阻時，同步轉(zhuǎn)速不變，但改變了機械特性運行段的斜率，所串電阻越大，機械特性越軟。在線性段，轉(zhuǎn)子電阻與轉(zhuǎn)差率成正比，即： 式中，SA、SB、Sc分別為A、B、C三點對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率。19轉(zhuǎn)子串電阻時，機械特性的最大轉(zhuǎn)矩不變。在調(diào)速過程中，只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，則電機定、轉(zhuǎn)子電流也不變，

8、則輸出轉(zhuǎn)矩不變，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，且為有級調(diào)速。轉(zhuǎn)子串電阻，增大轉(zhuǎn)子電路能量損耗 PS ： PS =s Pm；效率低： =1-s ，不宜長期運行。調(diào)速設(shè)備簡單，初投資少，控制不復(fù)雜，但調(diào)速范圍不大，適宜要求不高場合。常用于起重機一類的提升設(shè)備。20第二節(jié) 異步電機的變極調(diào)速一、變極調(diào)速原理從電動機的轉(zhuǎn)速表達式 可知，改變定子繞組的磁極對數(shù)可以調(diào)速。變極調(diào)速為有級調(diào)速。一般情況下電機極對數(shù)成倍變化，轉(zhuǎn)速也成倍變化。變極接線方法很多，以下介紹兩種常用方法。21二、Y-Yy變極接法三相繞組Y接法，p =2123456123456三相繞組Yy接法，p =11、 Y-Yy變極的連接22 2、Y-Yy變極前后

9、特性比較可見：在額定轉(zhuǎn)速和額定功率下，輸出轉(zhuǎn)矩保持不變，故屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（P=9550Tn）YYy比較極對數(shù)p21轉(zhuǎn)速nnYnYynYy/nY=2輸出功率PYPYyPYy/ PY=2輸出轉(zhuǎn)矩TYTYyTYy /TY=1起動轉(zhuǎn)矩TSYTSYyTSYy / TSY =2最大轉(zhuǎn)矩TmYTmYyTmYy / TmY=223 3、Y-Yy變極前后的機械特性 n2n0n00TZTSYTSYyTmYTmYyTYYy24三、D-Yy變極接法1、 D-Yy變極的連接三相繞組D接法，p =2123456三相繞組Yy接法，p =112345625 2、D-Yy變極前后特性比較 DYy比較極對數(shù)p21轉(zhuǎn)速nnDnY

10、ynYy/nD=2輸出功率PDPYyPD/ Pyy=0.866輸出轉(zhuǎn)矩TDTYyTD / Tyy =1.732起動轉(zhuǎn)矩TSDTSYyTSD / TSYy =1.5最大轉(zhuǎn)矩TmDTmYyTmD / TmYy =1.526可見，兩種接法的輸出功率相差約14.4%，可近似認(rèn)為這種調(diào)速方法為恒功率調(diào)速。D-Yy變極后，輸出轉(zhuǎn)速提高一倍。D-Yy變極后，在額定情況下輸出轉(zhuǎn)矩近似減少一半。D-Yy變極后，起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩均減少為原來的2/3。27 3、D-Yy變極前后的機械特性 n2n0n00TZTSDTSYyTmDTmYyTDYy28第四節(jié) 異步電動機的斬波內(nèi)饋調(diào)速簡介1、斬波式內(nèi)反饋調(diào)速裝置主電路原

11、理圖 29 圖中：1KM、2KM、3KM開關(guān)，L1、L2、L3電抗器，R整流橋， I逆變橋，S關(guān)斷橋，Sc斬波晶閘管，Rf啟動頻敏電阻，C電容， D整流二極管，F(xiàn)保險，Load電動機負(fù)載。內(nèi)反饋調(diào)速是在電機內(nèi)部的電磁系統(tǒng)中完成的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)移，而傳統(tǒng)串級調(diào)速則是在兩個不同的電磁系統(tǒng)中實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的傳輸。 30 2、內(nèi)反饋串級調(diào)速的調(diào)速原理范疇：仍屬于繞線異步電機轉(zhuǎn)子回路串附加電勢進行調(diào)速的理論范疇。附加電勢不是通過與電網(wǎng)聯(lián)接的逆變變壓器提供，而是通過安裝在定子上的調(diào)節(jié)繞組從主繞組感應(yīng)過來的電勢所提供的，再通過變流裝置將該電勢串入電機的轉(zhuǎn)子繞組，改變其串入電勢的大小即可實現(xiàn)調(diào)速的目的。反饋調(diào)節(jié)繞組

12、以多層嵌套方式安裝在電動機定子槽中。31 內(nèi)反饋調(diào)速的實質(zhì)在于將部分轉(zhuǎn)子功率PS，通過調(diào)速裝置反饋給電動機內(nèi)部的調(diào)節(jié)繞組，產(chǎn)生正向的拖動轉(zhuǎn)矩；反饋的功率越多，則軸輸出功率的就越少，電機轉(zhuǎn)速越低，即通過改變反饋的轉(zhuǎn)差功率的多少使電動機轉(zhuǎn)速得以連續(xù)調(diào)節(jié)。而內(nèi)部的調(diào)節(jié)繞組接受反饋功率則意味電機從電網(wǎng)吸收的有功功率的減少，電能的節(jié)省。323、直流斬波器的作用作用：提高功率因數(shù)，減少諧波電流對電網(wǎng)的污染。原理：通過改變斬波器的占空比，調(diào)節(jié)逆變器直流側(cè)輸入電壓，因此逆變器的超前角可取為最小值min，且固定不變，故可使逆變器的無功損耗減小到最低程度，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時也減少諧波電流對電網(wǎng)的污染，也

13、避免了因調(diào)速深度而帶來的功率因數(shù)進一步降低的現(xiàn)象 334、內(nèi)補償提高功率因數(shù)：可以使調(diào)節(jié)繞組的無功功率呈容性。實現(xiàn)方式：a、通過超前換流的電力電子變流器來實現(xiàn)，電路及控制復(fù)雜；b、或通過內(nèi)補償方法來實現(xiàn)，簡單、可靠。34 如果調(diào)節(jié)繞組容量允許，最好使Q30而呈容性，對調(diào)節(jié)繞組來說形成過補償。調(diào)節(jié)繞組的負(fù)無功Q3，與主繞組及轉(zhuǎn)子的感性無功相抵，結(jié)果使得功率繞組的激磁電流減小，一方面可使電機的功率因數(shù)提高，同時又可以減小電機的發(fā)熱與損耗。如進一步使：Q1Q2Q3=0Q3=Q1Q2 的話，則可使電機的功率因數(shù)達到1。35 5、內(nèi)補償與電機電源端外補償?shù)膮^(qū)別外補償只能改善電源的功率因數(shù)，而對電機內(nèi)部的

14、感性無功問題絲毫無補。內(nèi)補償除了對調(diào)速狀態(tài)有所改善之外，在自然運行時，也能使電機的功率因數(shù)進一步提高，并使輸入電流降低，這對610kV的高壓電機具有重要的意義。 366、優(yōu)缺點（與串級調(diào)速相比較）取消了逆變變壓器，縮小了體積，降低了系統(tǒng)造價和損耗，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低、諧波幅值低的優(yōu)點。只能在同步轉(zhuǎn)速以下運行，而且不能利用原有的電動機，需購置專用的內(nèi)反饋電動機。37所謂的電機調(diào)速功率控制理論”（即P理論） 根據(jù)電機學(xué)的理論，電機的轉(zhuǎn)速與機械功率及電磁轉(zhuǎn)矩成如下關(guān)系：式中： 為機械轉(zhuǎn)速，Pmesh為機械功率， T 為電磁轉(zhuǎn)矩又，根據(jù)能量守恒，有38因此其中：Pm 為電磁功率， PS 為轉(zhuǎn)子損耗。 上式表明，電機轉(zhuǎn)速可以通過電磁功率或轉(zhuǎn)差功率兩種控制獲得調(diào)節(jié)。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，調(diào)速是高效率的；轉(zhuǎn)差功率控制增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速是低效率的。所有調(diào)速方法都歸屬于功率控制原理之中。這一原理便是內(nèi)饋調(diào)速發(fā)明人屈維謙率先提出的“電機調(diào)速的功率控制理論”（即P理論）。 39內(nèi)饋調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的高效電磁功