第4讲 交流调压调速机械特性

F，调速范围可以大一些。
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为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使 电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电 机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时 的机械特性绘于图2-3。 显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增 大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又 称作交流力矩电机。
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交流力矩电机的机械特性
29
起动电流和转矩分析
由上述二式不难看出，在一般情况下，三相 异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不 大。对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转 矩对其额定值的倍数大约为 起动电流倍数 起动转矩倍数
KI I sst I sN 4~ 7
KT
T est T eN
0 .9 ~ 1 .3
30
起动电流和转矩分析（续）
中、大容量电动机的起动电流大，会使 电网压降过大，影响其他用电设备的正常运 行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。 这时，必须采取措施来降低其起动电流，常 用的办法是降压起动。
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降压起动的矛盾
由式（2-21）可知，当电压降低时，起动电 流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电 流冲击的高峰。 但是，式（2-22）又表明，起动转矩与电压 的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的 降低更快，降压起动时又会出现起动转矩够不够 的问题。为了避免这个麻烦，降压起动只适用于 中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。
s,n n 0 0
恒转矩负载特性 A B C UsN
0.5UsN
0.7UsN
1
0
TL
Te
13
图2-3 高转子电阻电动机（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性
（二）定子回路串电抗或电阻时的机械特性
本质上相当于降低定子电压调速，两者机械特性相似。 缺点：减少了起动转矩，电阻功率损耗较大，不适合启 动频繁场合。当功率较大或高压笼型转子异步电动机启 动时，可采用定子串联电抗的方法限制启动电流，以免 因串联电阻而产生较大的能量损耗。
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传统的降压起动方法
传统的降压起动方法有： 星-三角（Y-△）起动
定子串电阻或电抗起动
自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动 它们都是一级降压起动，起动过程中电流 有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而 起动过程时间略长，如图2-7所示。
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软起动方法
现代带电流闭环的电子控制软起动器可以 限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电 流自动衰减下来（图2-7中曲线c）,起动时间也 短于一级降压起动。 主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地 改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时 可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要 地长期工作。
27
起动电流和转矩公式
在式（2-4）和式（2-5）中已导出异步电 动机的电流和转矩方程式，起动时，s =1，因 此起动电流和起动转矩分别为
I sst I
' rst

Us
R
s
R
' 2 r
2


'
2 1
L
ls
L
' lr

2
（2-21）
T est
1 R s R

3 n pU s R r
n n0 s
XQ>0
XQ=0
0
T
e
图2-4 定子回路串接对称电抗或电阻时机械特性
14
绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性 •由于定子电压不变，所以电机的主磁通维持不变，最大 转矩不变。 •当保持转子电流为额定值时，调速前后转矩保持不变， n 属恒转矩调速方式。
R1 R 2 R 3
n0 n1
当系统带负载在 A 点运行时，如果负载增大 引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压， 从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A´ 。 同理，当负载降低时，会在左边一条特性 上得到定子电压低一些的工作点 A´´。
20
按照反馈控制规律，将A´ 、A、A´´连接起来 便是闭环系统的静特性。
尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的 开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机 械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便 得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种 电机是完全一致的。
' 2 r


2 1
L
ls
L
' lr

2

（2-22）
28
*2.6.1 软起动器
起动电流问题 常用的三相异步电动机结构简单，价格便 宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电 动机，只要供电网络和变压器的容量足够大 （一般要求比电机容量大4倍以上），而供电 线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落 低于10%~15%），可以直接通电起动，操作 也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就 不这么简单了。
17
1. 系统组成
~
+
U*n +
Uc ASR Un
GT
-
M 3~
n
TG
--
a)原理图
图2-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
18
2. 系统静特性
n n0
恒转矩负载特性
U*n1
A A’’ A’
U*n2
U*n3
Us min UsN
0
TL
图2-6b 闭环控制变压调速系统的静特性
Te
19
图2-6b所示的是闭环控制变压调速系统的 静特性。
趋势：让位于变频调速方式
16
2.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性
采用普通异步电机的变电压调速时，调速 范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增 大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载 变化时静差率很大（见图2-3），开环控制很 难解决这个矛盾。
为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速 范围D大于2时，往往采用带转速反馈的闭环控 制系统（见图2-6a）。
• 交流调压调速有哪些特点？
38
34
软起动方法（续）
视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.5~4) IsN 之间调整，以获得最佳的起动效果， 但无论如何调整都不宜于满载起动。负载略重 或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的 脉冲电流，以缩短起动时间。
软起动的功能同样也可以用于制动，用以 实现软停车。
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三种起动过程的电流比较
I
' r
k
n0 n n0
s R
' r
Us
n
s
Ir
'
额定恒转矩条件下，降压则过载！例如冰箱、空调等。 U I 电动机为非线性负载，不满足欧姆定律。
24
• 调压调速更适合于风机泵类负载－转子电流随转速的 下降明显上升，有时还会下降（调速范围比较宽） 由公式(2-4)可得：
I
' r

2 f mn
I
' r
R Rs C1 s
' r
U
2ห้องสมุดไป่ตู้
s
(2-3)
2 1

L
ls
C1L
' lr

2
式中
C1 1 R s j 1 L ls j 1 L m 1 L ls Lm
5
在一般情况下，LmLl1，则，C1 1 这相 当于将上述假定条件的第③条改为忽略铁损和 励磁电流。 这样，电流公式可简化成
第一章 闭环控制的异步电动机变压调速系统
—— 一种转差功率消耗型调速系统
主讲教师：杜春水
1
2.2异步电动机改变电压时的机械特性
根据电机学原理，在下述三个假定条件下：

忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和

忽略铁损
2

异步电动机等效电路
异步电机的稳态等效电路图 Rs
Lls Is
Llr′
I’r
Lm I0 Rr′/s
Is I sN
直接起动 软起动器 一级降压起动
图2-7 异步电动机的起动过程与电流冲击
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本章小结
本章主要讨论交流变压调速问题，学习要求是：
–了解交流变压的基本方式。
–掌握交流变压调速系统的开环特性和闭环特性。 –了解交流变压调速系统在软起动器和轻载降压节能运 行中的应用。
课程开始
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作业题
• 为什么说交流调压调速更适合于风机泵类负载？
Te Pm
m1

3np
1
Ir
'2
Rr s

3 n pU s R r / s
2 ' Rr 2 ' 1 L ls L lr 1 Rs s


2

（2-5）
7
电磁转矩式（2-5）就是异步电机的机械 特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时， 电磁转矩与定子电压的平方成正比。 这样，不同电压下的机械特性便如图2-2 所示，图中，UsN表示额定定子电压。
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尽管异步力矩电机的机械特性很软， 但由系统放大系数决定的闭环系统静特 性却可以很硬。
如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。 改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到 调速的目的。
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变压调速系统的特点
异步电机闭环变压调速系统不同于直流电 机闭环变压调速系统的地方是:

静特性左右两边都有极限，不能无限延长
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异步电动机机械特性 特点：
(1)n0不变 (2)T(包括Tst)正 比于u1的平方 (3)Sm不变
恒转矩负载特性 风机类负载特性 n A n0 D C B E sm 0.5UsN 0.7UsN UsN F
O
TL
Tst
Temax Te
9
图2-2 异步电动机在不同电压下的机械特性
最大转矩公式
将电磁转矩式（2-5）对s求导，并令 dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率 和最大转矩
Is I
' r ' r
Us R 2 ' Rs 1 L ls L lr s
2


(2-4)
2
6
转矩公式 令电磁功率 同步机械角转速 Pm = 3Ir'2 Rr' /s
m1 = 1 / np
' 2 '
式中 np —极对数，则异步电机的电磁转矩为
Us
1
图2-1异步电动机的稳态等效电路
3
参数定义 Rs、Rr′ 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻
Lls、Llr′ 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感 Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感， 即励磁电感 Us、1 —定子相电压和供电角频率；
s —转差率。
4
电流公式 由等效电路图2-1可以导出
它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin 下的机械特性
当负载变化时
如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控 制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性

变化。
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交流调压调速的基本结论
• 降压调速在恒转矩条件下，转子电流随转速的降低而增大 由公式(2-4)(2-5)可得：当T=TL时，有
R
转子电阻为R时，起动转矩为Tq； 增加到R1时，起动转矩增加至Tq1； 增加到R2时，起动转矩增加至Tq2； 若加至R3时，启动转矩减小至Tq3。
0
n2
R1 R2
n3 R3 Tq Tq3 Tq1 Tq2 T
图2-5绕线式电动机转子串电阻机 15 械特性
优点：设备和线路简单，投资不高，启动转矩大 。具有 良好的启动性能和高可靠性。 在变频调速技术推广以前，它几乎是解决恒转矩重 负载启动和调速的唯一手段。 缺点：该调速方法属于转差功率消耗型。调速系统的效 率随调速范围的增大而降低，机械特性较软，因而稳定 性差，调速范围受到一定的限制。
sm Rr
2 2 '
R s 1 ( L ls L lr )
'
（2-6）
2
T e max
2 1 R s

3 n pU s
2
2
R s 1 ( L ls L lr )
2 '
2

（2-7）
10
由图2-2可见，带恒转矩负载工作时，普
通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、 B、C，转差率 s 的变化范围不超过 0 ~ sm ，调 速范围有限。 如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、
p
T
2
s Rr kn 0 (1 s )
2 2 '
稳态运行时：
T T L kn I
' 2
(1 S )
(1 S ) s Rr
'
s Rr
'
U1
n
s
必有最大值
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• 思考题： 当s为何值时，Ir’达到最大值，此时的转 速n为多大？
26
*2.6 软起动器应用
除了调速系统以外，异步电动机的变压控制 在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛 的应用。 本节主要介绍它们的基本原理，关于其运行 中的一些具体问题可参看参考文献。