绕线型异步电动机串级调速

1 绕线型异步电动机的基本结构和工作原理

1.1 绕线型异步电动机的基本结构

三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。

图1-1 绕线型异步电动机的结构

1.1.1 定子部分

定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。

a 外壳

三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。

机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。

端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。

轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。

接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。

吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。

b 定子铁心

异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm ～0.5mm 厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图1-2所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。

定子铁心 定子冲片

图 1-2

c 定子绕组

定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U 1,V 1,W 1，末端分别标为U 2,V 2, W 2。这六个出线端在接线盒里的排列如图1-3所示，可以接成星形或三角形。

内部连接 星形联接 三角形联接

图 1-3

1.1.2 转子部分

转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。

绕线形绕组与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，见图1-4。

1—集电环；2—电刷；3—变阻器

图 1-4绕线形转子与外加变阻器的连接

1.1.3 其他部分

其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2mm～1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。

1.2 绕线型异步电动机的工作原理

1.2.1 三相交流电机的旋转磁场

三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。

如图1-5所示，U

1U

2

, V

1

V

2

, W

1

W

2

为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°，接成Y形。

三相绕组的首端U

1, V

1

, W

1

接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。设电源

的相序为U, V, W, 的初相角为零，如图1-5波形图所示。

图 1-5三相交流电流波形图

设：

i1=sin wt

i2=sin(wt-120°)

i3=sin(wt+120°)

为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端。

当wt=0o 的瞬间，i

1=0,i

2

为负值，i

3

为正值，根据”右手螺旋定则”，三相电流所产

生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图1-6所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即二极），右边是N极，左边是S极。

wt=0o wt=90o

图 1-6 二极旋转磁场

空间120度对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；

某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。

当wt=90o时，即经过1/4周期后，由零变成正的最大值， i

2仍为负值，i

3

已变成负

值，如图1-6所示，这时合成磁场的方位与wt=0o时相比，已按逆时针方向转过了90°。

应用同样的方法，可以得出如下结论：当wt=180o时，合成磁场就转过了180o，当wt=300o时合成磁场方向旋转了300°，如图3.6（d）所示；当wt=360o时合成磁场旋转了360°，即转1周。

由此可见，对称三相电流i

1、i

2

、i

3

分别通入对称三相绕组U

1

U

2

，V

1

V

2

，W

1

W

2

中所形成

的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场。

以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。

由此类推，当旋转磁场具有p对极时（即磁极数为2p），交流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p转。因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是n1=60f/p。

1.2.2 三相电动机的转动原理

三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n

1

=60f/p。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下为

南极S ，如图1-7所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用⊕表示。

图 1-7 三相电动机的转动原理

原理：定子旋转磁场以速度n 0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n 顺n 0方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。(n 不能等于n 0)特点：电动机内必须有一个以n 0旋转的磁场。－实现能量转换的前提；电动运行时n 恒不等于n 0（异步）－必要条件n

图 1-8 异步电动机的模型

流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力F 的方向可用左手定则确定，如图1-7所示。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n 。

三相电动机的转子转速n 始终不会加速到旋转磁场的转速n 1。因为只有这样，转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见n 1不等于n ，且n

旋转磁场转速n 1与转子转速n 之差与同步转速n 1之比称为异步电动机的转差率s ，即S=(n 1-n)/n 1；转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。当异步电动机处于电动状态运行时，电磁转矩 T em 和转速n 同向。转子尚未转动时，n=0, s=1；当 n 1=n 时，s=0，可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s ＜1。一般情况下，额定运行时=1%～5%。

2 绕线型异步电动机的调速方法及过程

2.1 绕线型异步电动机转子串联电阻调速

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

图 2-1 转子串电阻

图 2-2 转子串电阻机械特性

这种调速方法的主要性能如下：

a 调速的方向只能往下调。

b 调速的平滑性取决于R

2

的调节方式。

c 调速的稳定性差，R

2

越大，机械特性硬度越小，静差率δ越大。

d 调速的经济性差，初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。

e 调速的范围不大，因受低速时的静差率的限制。

f 调速时的允许负载为恒转矩负载。因为调速前后，U

1和f

1

不变，故Фm不变。

2.2绕线型异步电动机的串级调速

串级调速就是在转子电路中串入一个与E

2s

频率相等，而相位相同或相反的附加电动势

E ad ，以代替R

r

上的电压降，即可以节能又可以将这部分功率回馈到电网中去。

串级调速时，转子电流

)

(22

2

2

2

2

2

X

s

R

E

E

I d

s

s

+

±

=，当E ad和E2s频率相等，相位相同时，上

式中的E

2s 和E

ad

相加，引入E

ad

的瞬间，I

2s

增加，使得T增大，T>T

L

，转速n上升，转差率

s减小，使得I

2s 又开始减小，T随之减小，直到重新T=T

L

为止，电动机便在此原来高的转

速下稳定运行。串入的E

ad

越大，转速n越高。

当E

ad 与E

2s

频率相等，相位相反时，上式中的E

2s

和E

ad

相减，引入E

ad

瞬间，I

2s

减小，

使得T减小，T

L ，转速n下降，转差率s增加，使得I

2s

又开始增加，T随之增加，直到

重新T=T

L 为止，电动机便在比原来低的转速下稳定运行。串入的E

ad

越大，转速n越低。

图 2-3 串级调速的机械特性

由于I

2s 是由E

2s

和E

ad

产生的。可以看成I

2s

由E

ad

和E

2s

两者分别产生的两部分电流组成，

它们与旋转磁场相互作用分别产生电磁转矩。当E

2s 和E

ad

相位相同时，两部分电流相位相

同，它们所产生的电磁转矩方向相同，在同一转速下T增加；当E

ad 和E

2s

相位相反时，两

部分电流相位相反，它们所产生的电磁转矩方向相反，在同一转速下，T减小。因此，串级调速的机械特性如图2-3所示。E

ad

不同时，特性差不多是上下、左右平移。

附加电动势E

ad

的引入问题，可通过晶闸管电路来实现。

串级调速的主要性能如下：

a 调速的方向既可以往上调，又可以往下调。

b 调速的平滑性好，可实现无级调速。

c 调速的稳定性好，机械特性的硬度不变，只要调速不是太低，静差率不会太大。

d 调速的经济性方面，初期投资大，但运行费用不大，效率高。

e 调速范围广。

f 调速时的允许负载为恒转矩负载，因为调速时的Фm和cos φ

2不变，所以I

2s

=I

2N

时

的转矩T不变。

3 选择串级调速方式，计算各种参数

图 3-1 串级调速主电路原理图

3.1 异步电动机容量的选择

考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量P 计算如下：

D i P K P *=

式中：K i ：串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统，应该取大一点。

P D ：按照常规运算方式计算的电动机容量。 从产品手册中选择的电动机容量P ≥ P D 。

该电机定额为连续定额S1，基本防护等级为IP23，基本冷却方法为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。

表 3-1

控制电机型号 JRNT1512-4 额定功率 1050KW

额定电流 121.5A 转子电压/电流 1045V / 627A 最高/最低转速 1484 / 690 r/min 效率 88.5% 功率因数 0.83

控制装置型号

JC4---800A/800V

3.2 转子整流器的参数计算与元件选择

（1）最大转差率

D

n

n n S 1

11min

1

max

-

≈-=

n

n n

n D min

1

min

max ≈

=

式中： n 1 ：电动机的同步转速，近似等于电动机的额定转速。

n min ：串级调速系统的最低工作转速 D ：调速范围

转差率 s = （1500-1484）/1500 = 0.01 最大转差率s max =(1484 ― 690) / 1484 = 0.535

D =n max /n min = 1484/690 = 2.15

（2）转子整流器的最大输出电压

)11(320max D

E K U UV d -

= 式中：E 20：转子开路相电势

K UV ：整流电压计算系数，见表3-2

表 3-2 变流器主电量计算系数

符号 K IT K UT

K UV K IV K IL K ST L K

K 三相带中线 0.367 2 0.67 0.577 0.472 1.35 1 0.866 三相桥 0.367 2 1.35 0.813 0.816 1.05 2 0.5 双三相桥串联 0.367 2 2.7 0.816 1.578 1.03 4 0.26—0.52 双三相桥并联

0.367

2

1.35

0.408

0.789

1.03

1

0.26—0.52

则 U dmax = 1.35*1045*(1-1/2.15) =755 V （3）最大直流整流电流

dr M IV

N

M

d I K I I λλ1.11.12max == 式中：λm ：电动机的电流过载倍数，近似等于转矩过载倍数2

I 2N ：转子线电流额定值

K IV ：整流电压计算系数，见上表

I dr ：转子整流器输出直流电流额定值 I dr = I 2N / K IV 考虑到转子电流畸变等因素的影响而引如的系数，则 I dmax = 1.1*2*627/0.813 = 1697 A

3.3 整流二极管的选择

整流二极管电压的选择：

设每个桥臂上串联的整流二极管数目为N=3，则每个二极管的反向重复峰值U KRM 为：

P

AV UT KRM N K D E K U )11(3)3~2(20-

≥

式中：K UT ： 电压计算系数，见上表 E 2n ：转子开路相电势

K AV ：均压系数，一般取0.9。对于元件不要串联时取1

由上式可见，整流二极管所承受的最高电压与最低电压与系统的调速范围D 有关，调速范围越高，元件承受的电压越高则：

U KRM ≥1.5*1.35*1045*(1-1/2.15)/（0.9*3）= 419 V

在大容量串级调速系统中，需要将几个整流二极管并联使用。设并联支路数为N p = 3则每个整流二极管的电流计算如下：

P

AC d IT F N k I K I max

)2~5.1(≥

式中：K IT ：电流计算系数，见表3-2

I dmax ：转子整流器最大直流整流电流

K AC ：均流系数。其值可取0.8~0.9。对于元件不并联的情况下取1

3.4 逆变变压器的参数计算

对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时也希望转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。

（1）逆变压器二次侧线电压：

根据最低转速时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定：

MIN

UV d T COS K U U βm ax

2=

式中： U T2 ：逆变变压器二次侧线电压

U dmax ：转子整流器最大输出直流电压 K UV ：整流电压计算系数。见上表。 βmin ：最小逆变角，一般取30o

（2）逆变变压器二次侧线电流：

dN IV T I K I =2

式中：I T2 ：逆变变压器二次侧线电流

K IV ：整流电流计算系数。见上表

I dN ：转子整流器输出直流电流额定值 （3）逆变变压器一次侧线电流：

T

d IL

T K I K I 1

1= 式中：I T1 ：逆变变压器一次侧线电流

K IL ：变压器一次侧线电流计算系数。见上表 K T ： 逆变变压器的变比 （4）逆变变压器等值容量：

12d T UV ST T I U K K S =

式中：K ST ：变压器等值容量计算系数，见表3-2

3.5 晶闸管的参数计算

（1）晶闸管额定电压的选择

在大容量晶闸管串级调速系统中，单个晶闸管的额定电压不能满足要求，需要几个晶闸管串联使用。设每个串联桥臂上晶闸管的数目为N ，则每个晶闸管反向重复电压由下式确定：

N

K U K U AV T UT RRM

2

)3~2(≥

式中：KUT ： 电压计算系数，如上表

KAV ： 均压系数，其值可取0.8~0.9。对于元件不需串联的情况下取1 UT2 ：逆变变压器二次侧线电压 2）晶闸管额定电流的选择

设每个桥臂并联元件支路数为Np ，则每个晶闸管的额定电流为:

P

AC d IT F N K I K I max

)2~5.1(≥

式中：KIT ：电流计算系数，见上表

Idmax ：转子整流器最大直流整流电流

KAC ：均流系数。其值可取0.8~0.9。对于元件不并联的情况下取1

3.6 平波电抗器电感量的计算

转子直流回路平波电抗器的作用是：一，使串级调速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。

平波电抗器的电感量计算如下： a 保证电流连续所需要的电感量

T L M L

d T UV L K L K wI U K L ''-'-=3min

2

1110*3δ 式中：δ1 ： 正比与直流电压中的交流分量的电感计算系数，从下图中查 UT2 ：逆变变压器二次侧线电压 KUV ：系数，见上表

Idmin ：直流回路最小工作电流（A ）

LM ： 异步电动机折算到转子侧的每相电感量（

LT ： 逆变变压器折算到二次侧的每相电感量

图 3-2 不同脉波数p 时，临界电感计算系数δ1与超前角β的关系

b 限制电流脉动的电感量

T L M L

dr

T UV P L K L K I U K K L ''-'-=σ2

2 (mH) 式中：Kp ：限制电流脉动的电感系数（ms ），其值从表3-3中查 σ ： 允许的电流脉动率，一般可取10%左右。

表 3-3 电感量计算系数k p

短路电压百分值的感

抗分量

0 6% 12% 18% 三相带中线 1.93 1.83 1.73 1.63 三相桥 0.45 0.4 0.36 0.32 双三相桥串联或并联

0.11

0.086

0.066

0.048

c 平波电抗器的电感量

L=max{L1,L2}

3.7 启动方式的选择

a 利用串调装置直接启动方式

它不用任何附加起动设备，而是由串级调速装置控制直接起动电动机。这种调速方式适用于串级调速系统的调速范围很大．几乎要求能从零开始调速或者生产机械对起(制)动的加(减)速度有一定要求的场合。

对于调速范围较小的系统，若选用直接起动方式，是不经济的。另外，对于一个按实际调速范围设计的调速范围较小的串级调速系统，若采用直接起动，则在主回路中会造成较大的冲击电流，且往往超过允许限度。因此，对于调速范围较小且对起(制)动加(减)速度无特殊要求的串级调速系统，宜采用以下两种起动方式。

b 并联防加起动设备的切换起动方式

电动机先用接触器KM 1接入附加起动电阻器(或频敏变阻器)起动加速(此时KM 2是断开的)，当加速到串级调速系统设计的调速范围最低速n min 时，接通KM 2，这时逆变控制角β应为最小值βmin ，即对应于最高逆变电压U βmax 。然后断开KM 1，逐渐增大β，电动机继续加速，直到所需要的转速．

这种起动方式虽然增加了一套附加起动设备，但转于回路主要设备的耐压和容量只需按调运范围的要求来选择，从设备的总投资上来看是经济合理的。这种方式还有一优点，即一旦串级调连装置发生意外故障，异步电动机可以脱离串调状态，而用附加起动设备正常起动到高速运行。

C 串联起动电阻器起动方式

在起动过程中把限流的起动电阻逐渐短接，这种接线方式虽然逆变变压器的二次侧电压只得按调速范围的大小来选择．但是转子囚路主要设备元件选用的耐压等级仍需按从零开始调速的条件来设计，为克服这一缺点，起动时先将KM 3接通，当电动机加速到串调装置设计的调速范围内低速时，断开KM 3，串调装置自动投入运行。

3.8 继电器接触器控制电路设计

继电器接触器控制电路设计是否合理，关系到串调装置能否按正确的顺序起动、切换、运行、停车，还关系到装置的安全及元件的使用寿命。在设计中要注意以下几点：

必须有严格的起动和切换顺序。由于串调装置中硅元件的耐压等级是按照调速范围最低转速时所承受的电压来选择的，故继电操作电路必须保证电动机转速在达到规定的最低转速以上时才允许切换至串调运行状态。起动顺序是：给控制回路送电；接通逆变器主电源转子接入频敏变阻器，接通定子电源，电动机开始起动，电动机加速至规定转速时切换至串调运行，此后立即切断频敏变阻器。

必须有正确的停车顺序。一般绕线式异步电动机空载励磁电流较大，为电动机额定电流的25％左右，这意味着电动机有较大的磁场能量。因此在电动机分闸时不允许转子开路．否则转子侧将产生严重过电压，甚至击穿电动机绝缘。停车时也不允许切除所有电源，应保证逆变器比整流器迟脱离电网。停车顺序为：使串调装置脱离电动机转子同时接入频敏变阻器；切断电动机定子电源，切断逆变器电源。切断控制回路电源。

用户通常要求串调装置能选择“串调运行”及“异步高速运行”两种工作方式，并能相互切换，在切换过程中必须注意，逆变器应比整流器早接入电网，在整流器合闸的情况下，不得断开逆变器电源，否则易造成逆变器颠覆。在切换过程中还应避免转子开路。串调装置发生故障时应将转子电路短接，整流器和逆变器电路断开。

4结论

在本次的课程设计也是以《电机与拖动》我们的教材为主线，我们基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。

通过上面的设计可知：一般的绕线型异步电动机串级调速的计算及设计内容有八部分：异步电动机容量的选择，转子整流器的参数计算与元件选择，整流二极管的选择，继电器接触器控制电路设计，晶闸管的参数计算，平波电抗器电感量的计算，启动方式的选择，逆变变压器的参数计算。

通过设计可知转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。

串级调速的机械特性曲线对串级调速的过程分析起着重要的作用。

继电器接触器控制电路设计非常重要，它的设计是否合理，关系到串调装置能否按正确的顺序起动、切换、运行、停车，还关系到装置的安全及元件的使用寿命。

转子电路串联电阻调速，在电阻上要消耗电能，不经济。相比之下串级调速的性能要远远优于串联电阻调速。

参考文献

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