三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现

三相交流电动机的调速方法及无级调速的实现

第一章引言

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。

第二章三相异步电动机的简介

2.1三相异步电动机的基本原理

静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。如图2—1所示

图2—1电动机的运行原理

电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n1，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。

转子电动势和转子电流

定子绕组通入电流后，产生旋转磁场，与转子绕组间产生相对运动，由于转子电路是闭合的，产生转子电流。根据左手定则可知在转子绕组上产生了电磁力。

电磁转距和转子旋转方向

电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转距T，电磁转距的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。

转子转速和转差率：转子转速n与旋转磁场的转速n1的方向一致，但不能相等（应保持一定的转差）。n1又称为同步转速。异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：（2.1）转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约1%—9%。

异步电动机带负载运行：轴上加机械负载，轴阻力↑，转速↓，转子与旋转磁场相对切割速度↑，转子感应电流↑，输入电流↑。

电动机的极对数：极数和转速在生产中，有时要求异步电动机在不改变负载的情况下转速能够调节，称为异步电动机的调速。根据转差率公式可得

（2.2）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均可大到改变转速的目的。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。

2.2调速方法

一改变主磁极调速

改变磁极对数调速,实际上是改变定子绕组的连接方法。通过改变定子绕组的级对数p

以改变定子旋转磁场的同步速n

,从而实现异步电动机的调速。

1

二 改变频率调速

通过改变异步电动机输入电压的频率f 1，以改变定子旋转磁场的同步速n 1，从而实现异

步电动机的调速。

根据前述概念，不难得出对于恒负载转矩调速

U 1/ f 1=U 1＇/f 1＇=定值 （2.3）

式中，U 1＇、f 1＇—变频后的定子电压与频率；

U 1、f 1—变频前的定子电压与频率

对于恒功率调速

U 1/ f 1= U ＇/f ＇=定值 （2.4）

三 改变转差率s 、改变电压U 调速

改变转差率S 的调速只能在绕线式转子电动机中使用，在其转子电路中串入附加电阻，

便可改变转差率。当频率f 和磁极对数p 不变时，转差率s 是下列各物理量的函数：

S=f(U 1,r 1,x 1,r 2＇，x 2＇) （2.5）

可见，改变转差率的方法有多种。

1 改变定子端电压U 1

n n m (a) T =f (s )曲线 图2—2 为T em =f(s )曲线

图2-2(a)所示为不同端电压U 1下的T em =f(s)曲线。T MAX ∝U 1最大电磁转矩T MAX 正比于

定子端电压U 1，可见，发生最大电磁转矩的转差率S M 与U 1无关。从图中可见，在相同的负载转矩下，降低升高输入端电压U 1将使电动机转速降低。图2-2(b)

由于电动机的转速与每相定子绕组所加电压的平方成正比，故降压起动将导致电动机的起动转矩大大降低，因此降压起动只适用于空载或轻载起动。当电动机起动到接近额定转速时，为使电动机带动额定负载，必须将加到电动机定子绕组的电压恢复到额定值。图2—3