电动机无极调速的方法及原理

电动机无极调速的方法及原理

随着电力电子学、微电子技术、计算机技术以及电机理论和自动控制理论的发展，影响三相交流电动机发展的问题逐渐得到了解决，目前三相异步交流电动机的调速性能已达到直流调速的水平。在不久的将来交流调速必将取代直流调速。在实际生产过程中，根据加工工艺的要求，生产机械传动机构的运行速度需要进行调节。这种负载不变，人为调节转速的过程称为调速。通常有机械调速和电气调速两种方法，通过改变传动机构转速比的调速方法称为机械调速；通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。不同的生产机械，对调速的目的和具体要求各不相同，对于鼓风机和泵类负载，通过调节转速来调节流量，这与通过调节阀门调节的方法相比，节能效果更加显著。

调速控制是交流电动机的重要控制内容，实际应用中的交流调速方法有多种，常见的有变极调速、转子串电阻调速、串级调速、电磁调速、异步电动机调速、变频调速等。

目前广泛使用的调速方法仍然是传统的改变极对数和改变转子电阻的有级调速控制系统，近年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的进步，变频调速技术发展迅速，已应用于很多生产领域，这是将来调速发展的方向。

1、变级调速的实现

变极调速和转子串电阻调速都属于有极调速的范畴,本章主要介绍变极调速控制电路.

当电网频率固定以后,三相异步电动机的同步转速与它的磁极对数成反比.因此,只要改变电动机定子绕组的磁极对数,就能改变它的同步转速,从而改变转子转速.通过绕组的不同组合连接方式,可得到两极、三极速度,最多可获得四极速度,但常见的是两极速度变级调速,即双速电动机的变速.

变极调速有两种方法:第一种,改变定子绕组的连接方法;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.

三相异步电动机的同步转速n

与电动机的极对数p成反比,改变鼠笼式三相异步电动机

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定子绕组的极对数,就改变了同步转速.因此称之为变极调速.在改变磁极对数时,转子磁极对数也必须同时改变,因此变极调速常用于鼠笼转子三相异步电动机,这是因为鼠笼式转子三相异步电动机本身没有固定的级数,它的极对数能自动地与定子极对数相对应.

1.1变极调速的原理

三相异步电动机磁极对数的改变,是通过改变定子绕组的接线方式得到的.变极调速电

动机定子每相绕组由两个半相绕组组成,如果改变两个半相绕组的接法,就可得到不同的磁

极对数。

三相异步电动机定子绕组变极调速的原理如图3-1所示。

(a) (b) (c)

图3-1 为三相异步电动机定子绕组接法

如图3—1(a)所示为三相异步电动机定子绕组Y接时的示意图.两个等效集中线圈正向串联(即两个线圈的首端和尾端接在一起).根据电流方向可以判断出它们产生的脉振磁动势是四极的(三相合成磁势仍然是四极的),称为四极三相异步电动机.如果把上图中的(b)或(c)的形式，即两个线圈反向串联或反向并联，改变其中一个线圈中的电流方向，那么定子一相绕组产生的磁动势就是两极，定子其他两相绕组也如此连接，则三相绕组的合成磁动势也是二极，即为两极电动机，同步转速升高一倍。这就是变极调速的原理。

在改变定子绕组连接方法使电动机的极对数改变以后,必须倒换加在定子绕组上电源的相序上,否则变极后电动机将反转.当p=1时,U、V、W三相绕组在定子空间位置互差1200电角度;改变p=2对极后,则三相绕组在空间位置上互差2400电角度,也就是说三相绕组U、V、W相序在变极后,与原来相序正好反向,因此不相应改变电源相序,电动机就会反转.

变极调速电动机的优点是可以适应不同性质负载的要求，如需要恒功率调速时可采用三角—双星形接法，需要恒转矩调速时用星形—双星形接法，且线路简单、维修方便。缺点是有级调速、价格较高。

变极多速电动机常用于驱动某些不需要平滑调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、水泵和升降机等。在机床上，采用变极调速与齿轮箱调速相配合，可以更好地满足生产机械对调速的要求.

2、降定子电压调速

2.1调速原理

根据三相异步电动机降低定子电源电压的人为机械特性，在同步转速不变的条件下，电磁转矩。降低电源电压可以降低转速，定子电压为,,(且)的机械特性如图4—1所示。对于恒转矩负载，在不同电压下的稳定运行点为、、；对于泵类负载，在不同电压下的稳定运行点为、、。可见，当定子电压降低时，稳定运行时的转速将降低（或）从而实现了转速的调节。

图4—1 为三相异步电动机降低定子电压调速时的机械特性

2.2调速方法的特点及特性

其特点和性能为： 1）三相异步电动机降压调速方法比较简单；

2）对于一般的鼠笼式异步电动机，拖动恒转矩负载时，调速范围很小，没多大实用价值；

3）若拖动泵类负载时，如通风机，降压调速有较好调速效果，但在低速运行时，由于转差率增大，消耗在转子电路的转差功率增大，电机发热严重；

4）低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达不到生产工艺的要求；

降压调速主要用于对调速精度和调速范围要求不高的生产机械，如低速电梯、简单的起重机械设备、风机、泵类等生产机械。

在绕组转子三相异步电动机的转子回路中串入电阻可以使机械特性变软，而外串电阻上消耗了较多的转差功率，可以减轻绕组发热，因此这类电动机可以扩大调速范围。

3、变频调速

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60 f （1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。所谓变频调速，就是在交流调速系统中，通过半导体功率变换器改变异步电动机供电电源的频率，从而进行转速的调节。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：

①效率高，调速过程中没有附加损耗；

②应用范围广，可用于笼型异步电动机；

③调速范围大，特性硬，精度高；

④技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。这种调速的方法使电动机的速度从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。目前变频调速已成为交流调速的主要发展方向，并已在许多生产领域发挥着巨大的作用。

3.1 变频调速工作原理

根据三相异步电动机的转速公式：n=(1-s)60f/p,三相异步电动机的同步转速n与电源频率f成正比。因此，改变三相异步电动机的电源频率，可以实现平滑的调速。通常分为基频（电源额定频率）以下调速和基频以上调速。

（1）基频以下的调速：在基频以下调速时，速度调低。在进行变频调速时，为了保持电动机的电磁转矩不变，就要保证电动机内旋转磁场的磁通量不变。异步电动机与变压器类似，U1≈E1=4.44fNΦ（式中N为每相绕组的匝数，Φ为电动机的气隙磁通），在改变频率f