電機與電力拖動（第2版）（十一五國家規(guī)劃）第五章第4節(jié) 異步電動機的調(diào)速

5.4三相異步電動機的調(diào)速由可知，要調(diào)速，有三種方法：（1）改變電動機的磁極對數(shù)p。（2）改變電動機的電源頻率f1。（3）改變電動機的轉(zhuǎn)差率s。下面對各種調(diào)速方法的原理及特點做一簡單分析。5.4.1變極調(diào)速所謂變極調(diào)速，就是通過改變電動機定子繞組的接線，改變電動機的磁極對數(shù)，從而達到調(diào)速的目的。變極調(diào)速方法一般適于籠型異步電動機。因為籠型異步電動機轉(zhuǎn)子繞組本身沒有固定的極對數(shù)，能自動地與定子繞組相適應。圖5-22說明改變定子極數(shù)時，只要將一相繞組的半相連線改接即可。設(shè)電動機的定子每相繞組都由兩個完全對稱的“半相繞組”所組成，以U相為例，并設(shè)相電流是從頭U1進，尾U2出。當兩個“半相繞組”頭尾相串聯(lián)時(稱之為順串)，根據(jù)“半相繞組”內(nèi)的電流方向，用右手螺旋法可以定出磁場的方向，并用“×”和“．”表示在圖中，如圖5-22a所示。很顯然，這時電動機所形成的是一個2p=4極的磁場；如果將兩個“單相繞組”尾尾相串聯(lián)(稱之為反串)或頭尾相并聯(lián)(稱之為反并)時，就形成一個2p=2極的磁場，分別如圖5-22b、c所示。圖5-22三相籠型異步電動機變極時一相繞組的接法比較上圖可知，只要將兩個“半相繞組”中的任何一個“半相繞組”的電流反向，就可以將極對數(shù)增加一倍(順串)或減少一半(反串或反并)。這就是單繞組倍極比的變極原理，如2／4極，4／8極等。

5.4.1變極調(diào)速改變定子繞組的接線，以改變磁極對數(shù)，實現(xiàn)調(diào)速。適用于籠型機（轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)自動與定子繞組相適應）。角接/雙星接（D/YY）是典型的變極調(diào)速調(diào)速接線，如圖所示。變極調(diào)速由展開圖知：改變一相繞組中一半元件的電流方向即可改變磁極對數(shù)。當T1、T2、T3接電源，T4、T5、T6懸空時，為D，極對數(shù)為2P；當T4、T5、T6接電源，T1、T2、T3連接在一起時，為YY，極對數(shù)為P，從而實現(xiàn)調(diào)速。其控制電路圖如所示。變極調(diào)速D/YY接法的調(diào)速適用于恒功率負載，其機械特性如圖所示。變極調(diào)速時電動機的轉(zhuǎn)速是成倍的變化，調(diào)速的平滑性差，但是穩(wěn)定性較好，特別是低速啟動轉(zhuǎn)矩大。

5.4.2變頻調(diào)速電動機的轉(zhuǎn)差率s很小，可近似認為n∝n1∝f1，為使電動機充分利用，希望磁通維持不變，從電動勢公式知，要維持磁通不變，則U1必須隨頻率的變化成正比變化，即。另外，變頻調(diào)速時，希望過載能力不變。在忽略磁飽和及定子電阻時，有（C為常數(shù)）所以要求

即變頻調(diào)速

（1）對恒轉(zhuǎn)矩負載，因，所以，既保證了過載能力，又滿足了磁通為常數(shù)的要求，說明變頻調(diào)速特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負載。（2）對恒功率負載，即，所以，說明當時，則過載能力不變，但磁通將發(fā)生變化。當時，則磁通保持不變，但過載能力發(fā)生變化。變頻調(diào)速的主要優(yōu)點是調(diào)速范圍寬，靜差率小，穩(wěn)定性好，平滑性好能實現(xiàn)無級調(diào)速，能適應各種負載，效率較高，但它需要一套專門的變頻電源，控制系統(tǒng)較復雜，成本較高，是交流電動機調(diào)速發(fā)展的主要方向。2．變頻調(diào)速裝置簡介要實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速，必須有能夠同時改變電壓和頻率的供電電源?，F(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻的，所以必須通過變頻裝置才能獲得變壓變頻電源。變頻裝置可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻裝置先將工頻交流電通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變成為可控頻率的交流，通常稱為交—直—交變頻裝置。直接變頻裝置則將工頻交流一次變換成可控頻率的交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)，也稱為交—交變頻裝置。目前應用較多的還是間接變頻裝置。（1）．間接變頻裝置(交—直—交變頻裝置)

圖5.26繪出了間接變頻裝置的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)。按照不同的控制方式，它又可分為圖5.27中的(a)、(b)、(c)三種。圖5.26間接變頻裝置(交—直—交變頻裝置)圖5.27(a)是用可控整流器變壓，用逆變器變頻的交—直—交變頻裝置。調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。這種裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當電壓和頻率調(diào)得較低時，電網(wǎng)端的功率因數(shù)較低；輸出環(huán)節(jié)多用晶閘管組成的三相六拍逆變器(每周換流六次)，輸出的諧波較大。這是此類變頻裝置的主要缺點。

圖5.27間接變頻裝置的各種結(jié)構(gòu)形式圖5.27(b)是用不控整流器整流，斬波器變壓、逆變器變頻的交—直—交變頻裝置。整流器采用二極管不控整流器，增設(shè)斬波器進行脈寬調(diào)壓。這樣雖然多了一個環(huán)節(jié)，但輸入功率因數(shù)高，克服了圖5.27(a)的第一個缺點。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍有諧波較大的問題。圖5.27間接變頻裝置的各種結(jié)構(gòu)形式圖5.27(c)是用不控整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時變壓變頻的交—直—交變頻裝置。用不控整流，則輸入端功率因數(shù)高；用PWM逆變，則諧波可以減少。這樣可以克服圖5.27(a)裝置的兩個缺點。圖5.27間接變頻裝置的各種結(jié)構(gòu)形式（2）．直接變頻裝置(交—交變頻裝置)直接變頻裝置的結(jié)構(gòu)示于圖5.28，它只用一個變換環(huán)節(jié)就可以把恒壓恒頻的交流電源變換成變壓變頻電源。這種變頻裝置輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路(圖5.29)。正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓u0。u0的幅值決定于各組整流裝置的控制角，u0的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。當整流器的控制角和這兩組整流裝置的切換頻率不斷變化時，即可得到變壓變頻的交流電源。圖5.28直接(交—交)變頻裝置圖5.29交—交變頻裝置一相電路5.4.3改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

具體方法：定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串阻和串級調(diào)速。

1．定子調(diào)壓調(diào)速圖5.26為定子調(diào)壓的機械特性曲線，對恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速范圍很窄；對通風機負載，其負載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，如圖中虛線所示?？梢娖湔{(diào)速范圍很寬，所以目前大多數(shù)的風扇采用此法。

圖5.26定子調(diào)壓調(diào)速機械特性曲線改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

2．轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速僅適用于繞線形異步機，其特性如圖所示。串入電阻越大時，穩(wěn)定運行速度越低，且穩(wěn)定性也越差。優(yōu)點：方法簡單，設(shè)備投資不高，工作可靠。缺點：調(diào)速范圍不大，穩(wěn)定較差，平滑性較差，能耗大。在對調(diào)速性能要求不高的地方得到廣泛的應用，如運輸、起重機械等。

轉(zhuǎn)子電路串接電阻改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的機械特性串級調(diào)速

3．串級調(diào)速在繞線異步機的轉(zhuǎn)子電路中引入一個附加電動勢Ef來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，僅適于繞線異步機。由異步電動機的等值電路可以求得

串級調(diào)速時串級調(diào)速當附加電動勢的相位與轉(zhuǎn)子電動勢相位相反時，為負值，使串電動勢后的轉(zhuǎn)子電流小于原來的電流，則＜，直到時，電動機在新的較低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，實現(xiàn)降速的調(diào)速。當與轉(zhuǎn)子電勢同相時，使轉(zhuǎn)子電流增大，則＞，直到時，在新的較高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，實現(xiàn)升速的調(diào)速。串級調(diào)速的調(diào)速性能比較好，但是附加電動勢的獲取比較困難，故長期以來未得到推廣。因此，這里僅就其原理做簡要介紹。5.4.4電磁調(diào)速感應電動機電磁調(diào)速感應電動機亦稱滑差電動機，從原理上看，它實際上就是一臺帶有電磁滑差離合器的普通籠型感應電動機，其原理如圖5.32a所示。電磁滑差離合器由電樞和磁極兩部分組成，兩者之間無機械聯(lián)系，各自能獨立旋轉(zhuǎn)。電樞為一由鑄鋼制成的空心圓柱體，與感應電動機的轉(zhuǎn)子直接聯(lián)接，由感應電動機帶動旋轉(zhuǎn)，稱為主動部分。磁極由直流電源勵磁，并與生產(chǎn)機械直接聯(lián)接，稱為從動部分。當感應電動機帶動離合器電樞以n的速度旋轉(zhuǎn)時，若勵磁電流等于零，則離合器中無磁場，也無電磁感應現(xiàn)象產(chǎn)生，因此磁極部分不會旋轉(zhuǎn)。當有勵磁時，電樞便切割磁場產(chǎn)生渦流，渦流的方向如圖5.32b所示，電樞中渦流的路徑見圖5.33。圖5.32電磁離合器原理圖圖5.33滑差離合器電樞內(nèi)渦流的路徑電樞中的渦流與磁極磁場相互作用產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電樞受到的力F的方向可用左手定則判定，由于F所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電樞的轉(zhuǎn)向相反，因此對電樞而言，F(xiàn)產(chǎn)生的是個制動力矩，需要依靠感應電動機的輸出力矩克服此制動力矩，從而維持電樞的轉(zhuǎn)動。根據(jù)作用與反作用大小相等、方向相反，離合器磁極所受到的力F’的方向正與F相反，由F’所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)使磁極轉(zhuǎn)子并帶動生產(chǎn)機械沿電樞轉(zhuǎn)向以n’的速度旋轉(zhuǎn)，顯然n’＜n。電磁滑差離合器的工作原理和感應電動機的相同，電磁力矩的大小決定于磁極磁場的強弱和電樞與磁極之間的轉(zhuǎn)差。因此當負載轉(zhuǎn)矩一定時，若改變勵磁電流的大小，則為使電磁力矩不變，磁極的轉(zhuǎn)速必將發(fā)生變化，這就達到了調(diào)速的目的。電磁離合器的具體結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前我國生產(chǎn)較多的是電樞為圓筒形鐵心(也稱為杯形鐵心)，磁極為爪形磁極。磁極鐵心分成相同的兩部分。圖5.34為其中的一個部分。兩部分互相交叉地安裝在軸上，勵磁線圈安裝在兩部分鐵心中間，每部分鐵心是一個極性，每一個爪就是一個極。電磁調(diào)速感應電動機的型號為JZT，在結(jié)構(gòu)上分為組合式和整體式兩種。前者用于1—7號機座，外型上明顯地可以看出拖動電動機與離合器兩大部分；后者用于8—9號機座，這時拖動電動機與離合器安裝在一個機座內(nèi)。圖5.34爪形磁極鐵心圖5.35為組合式結(jié)構(gòu)的電磁調(diào)速感應電動機。其中測速發(fā)電機用來構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)以保證機械特性的硬度。電磁調(diào)速感應電動機，最適用于恒轉(zhuǎn)矩負載，它調(diào)速范圍