運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試（第2版）課件 3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速 b2

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試主講：南工機(jī)電教學(xué)團(tuán)隊(duì)高等教育出版社3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速概述1

在寬調(diào)速和快速可逆拖動(dòng)系統(tǒng)中，多采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，主要是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能。但是直流電動(dòng)機(jī)存在價(jià)格高、維護(hù)困難、需要專(zhuān)門(mén)的直流電源等缺點(diǎn)。而交流電動(dòng)機(jī)具有價(jià)格低、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。又由于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，交流電動(dòng)機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用在上述領(lǐng)域，逐漸取代了直流調(diào)速。

交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速分為異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，根據(jù)二者的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，異步電動(dòng)機(jī)一般應(yīng)用于調(diào)速，而同步電動(dòng)機(jī)一般應(yīng)用于伺服。

由式3.3和3.5可知，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：分析式3.11可以得到三相異步電機(jī)的三種調(diào)速方法：改變電源頻率f調(diào)速；改變定子極對(duì)數(shù)

p調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速變頻調(diào)速2

應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備稱(chēng)為變頻器。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequencyDrive）。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響，曾被稱(chēng)作VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）。（1）認(rèn)識(shí)變頻調(diào)速

交流變頻調(diào)速技術(shù)的原理是把工頻50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電，通過(guò)改變交流異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速變頻調(diào)速與直流調(diào)速系統(tǒng)相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：1）變頻調(diào)速裝置具有大容量化。2）變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，能平滑調(diào)速，其調(diào)速靜態(tài)精度及動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。3）變頻調(diào)速系統(tǒng)可以直接在線起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，減小了對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，并具有轉(zhuǎn)矩提升功能，節(jié)省軟起動(dòng)裝置。4）變頻器內(nèi)置功能多，可滿(mǎn)足不同工藝要求；保護(hù)功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護(hù)簡(jiǎn)便；具有通用的外部接口端子，可同計(jì)算機(jī)、PLC聯(lián)機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。5）變頻調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，是目前世界公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)的最理想、最有前途的調(diào)速技術(shù)。其中以風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的節(jié)能效果最為顯著，節(jié)電率可達(dá)到20%～60％。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速（2）軟起動(dòng)器與變頻器的比較軟起動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。1）變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率；2）軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒(méi)有改變頻率。3）變頻器具備所有軟起動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟起動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速變極調(diào)速3（1）變極調(diào)速原理由電機(jī)學(xué)原理可知，只有定子和轉(zhuǎn)子具有相同的極數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)才具有恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。由于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)能自動(dòng)地跟隨定子極數(shù)的變化，所以變極對(duì)數(shù)調(diào)速只能用于鼠籠式電動(dòng)機(jī)。由式3.3可知，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速反比于于磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。而磁極對(duì)數(shù)p

的改變，取決于電動(dòng)機(jī)定子繞組的結(jié)構(gòu)和接線。通過(guò)改變定子繞組的接線，就可以改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。下面以4極變2極為例來(lái)分析變極調(diào)速。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速如圖3-33左圖所示，為4極電機(jī)U相繞組的兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈代表U相繞組的一半，稱(chēng)為半相繞組。兩個(gè)半相繞組順向串聯(lián)（頭尾相接）時(shí)，根據(jù)線圈中電流方向，a1、a2電流流入，x1、x2電流流出，根據(jù)安培定則（右手螺旋定則），定子繞組產(chǎn)生4極磁場(chǎng)，即2p=4，方向如圖3-33右圖所示。四極繞組3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速

當(dāng)將兩個(gè)半相繞組的連接方式改變，如圖3-34左圖，進(jìn)行反向串聯(lián)或反向并聯(lián)時(shí)，使其中的一個(gè)半相繞組a2、x2中電流反向，此時(shí)定子繞組便產(chǎn)生2極磁場(chǎng)，如圖3-34右圖所示。

由此可見(jiàn)，使定子每相的一半繞組中電流改變方向，就可以改變磁極對(duì)數(shù)。反向串聯(lián)

反向并聯(lián)二極繞組3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速（2）常用的變極對(duì)數(shù)接線方法如圖3-35所示，表示由單星形聯(lián)結(jié)改接成并聯(lián)的雙星形聯(lián)結(jié)，寫(xiě)作Y-YY。Y-YY后，使每相的一半繞組內(nèi)的電流改變了方向，因而定子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)減少了一半。所以，轉(zhuǎn)速增大一倍，即nYY=2nY，容許輸出功率增大一倍，而容許輸出轉(zhuǎn)矩保持不變，所以這種變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，它適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速如圖3-36所示，表示由三角形聯(lián)結(jié)改接成雙星形聯(lián)結(jié)，寫(xiě)作△-YY?！?YY后，使每相的一半繞組內(nèi)的電流改變了方向，因而定子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)減少了一半。所以，轉(zhuǎn)速增大一倍，即nYY=2n△，容許輸出功率近似不變，所以這種變極調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，它適用于恒功率負(fù)載。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速

如上面圖3-35、圖3-36，當(dāng)改變定子繞組接線時(shí)，必須同時(shí)改變定子繞組的相序（對(duì)調(diào)任意兩相繞組出線端），以保證調(diào)速前后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變。例如，當(dāng)p=1時(shí)，U、V、W三相繞組在空間分布的電角度依次為0°、120°、240°；而當(dāng)變?yōu)閜=2時(shí)，三相繞組分別變?yōu)?°、240°、480°（即120°），可見(jiàn)，變極前后相序發(fā)生了變化。

變極對(duì)數(shù)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎是成倍變化，所以調(diào)速的平滑性差。但它在每個(gè)轉(zhuǎn)速等級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，和通常的異步電動(dòng)機(jī)一樣，具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性較好。變極對(duì)數(shù)調(diào)速既可以用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，又可用于恒功率負(fù)載，所以對(duì)于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、通風(fēng)機(jī)、升降機(jī)等都可以采用該調(diào)速方法。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速4三相異步電動(dòng)機(jī)的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速包括：（1）繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速；（2）串級(jí)調(diào)速；（3）異步電動(dòng)機(jī)的定子調(diào)壓調(diào)速。（1）繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子回路串對(duì)稱(chēng)電阻如圖3-37所示。機(jī)械特性如圖3-38所示。轉(zhuǎn)子串電阻時(shí)，n0、Tm不變，sm增大，特性斜率增大。當(dāng)TL一定時(shí)，工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率隨轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的增大而增大，轉(zhuǎn)速減小。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速這種調(diào)速方法一般應(yīng)用在起重機(jī)一類(lèi)對(duì)調(diào)速性能要求不高的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載上。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：有級(jí)調(diào)速，不平滑，機(jī)械特性變軟，負(fù)載波動(dòng)時(shí)會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)速變化；在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為常數(shù)，轉(zhuǎn)子的銅耗與轉(zhuǎn)差率成正比，故銅耗有稱(chēng)作轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)得越低，銅耗越大，輸出功率越小，效率越低，很不經(jīng)濟(jì)。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速（2）繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速如圖3-39所示。若轉(zhuǎn)子回路不串接電阻，而是串接一個(gè)電動(dòng)勢(shì)Eadd（與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)同頻率），通過(guò)改變Eadd的幅值大小和相位，同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差功率只有小部分被轉(zhuǎn)子繞組的電阻所消耗，而其余大部分被附加電動(dòng)勢(shì)所吸收，利用產(chǎn)生該附加電動(dòng)勢(shì)的裝置可以把這部分轉(zhuǎn)差功率回饋給電網(wǎng)，使其在低速運(yùn)行時(shí)仍具有較高的效率，該方法稱(chēng)為串級(jí)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的缺點(diǎn)，具有高效率、無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、機(jī)械特性較硬等優(yōu)點(diǎn)。3.2.5三相異步電機(jī)的調(diào)速（3）調(diào)壓調(diào)速如圖3-40所示，當(dāng)定子電壓降低時(shí)（U2<U1<UN），電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)差率均不變，而最大電磁轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓平方關(guān)系減小。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電動(dòng)機(jī)只能在機(jī)械特性的線性段（0<s<sm）上穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3-40，在不同電壓下的穩(wěn)定工作點(diǎn)分別為A、B，調(diào)速范圍較窄。對(duì)于通風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載，電動(dòng)機(jī)在全段機(jī)械特性上都能穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3-40，在不同電壓下的穩(wěn)定工作點(diǎn)分別為C、D、E