控制电机第六章1

d）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； 若要使调速范围大一点，可在转子回路串
入电阻。其机械特性右图所示。由于低
速下转子发热严重，多采用绕线式异步电 动机，使大部分转差功率消耗在电机外部
的电阻上。
2 .绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 1）.调速原理及机械特性
由三相异步电动机转子回路串电阻的人为机械特性在同步转速 和最 大转矩 不变的条件下，临界转差率 与转子回路串电阻值 成正比，即 , 改变转子回路串入的电阻值R，可以改变临界转差 率，即降低了转速，其机械特性如下图所示。对于恒转矩负载 一定 时，转子回路串入电阻（ ）越大，临界转差率越大 （ ）,则转速越低（ ）,从而实现了转速的调节。
三相异步电动机的调速
改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子 电压调速，采用电磁转差（或滑差）离合器调速，转子回路串电 阻调速以及串极调速。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后 者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平 滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节 过程中转子绕组均产生大量的钢损耗（ ）(又称转差功 率)，使转子发热，系统效率降低；主要存在调速范围窄、效率低， 对电网污染较大，不能满足交流调速应用的广泛需求； 改变电机的极数的调速，无法实现连续调速，并且接线麻烦， 应用的场合少；但价格便宜； 改变频率进行调速是最理想的，但这个梦想经历了百年之久， 直至20世纪70年代，大功率晶体管（GTR）的开发成功，才实现 变频调速，随着电子技术和计算机技术的日益发展变频调速技术 日益成熟，应用得越来越广泛了
6-1三相异步电动机的工作原理 异步（鼠笼）电动机工作原理 ：
1）定子形成旋转磁场 （同同步电动机） 2）转子为“鼠笼”：笼形导体的 圆柱形软磁铁心构成。 只有在转子转速不等于磁场转 速的情况下（异步），当外部磁 场旋转时，其磁力线才能切割转 子导条，并因而在导条中产生感 应电动势及感生电流；感生电流 进而受到电磁力的作用，转子才 能旋转。正是因为两者转速有差 异才能工作，所以这种电机称为 “异步”电机。
2）.调速方法的特点和性能
转子回路串电阻属恒转矩调速方法，其特点和性能为：
a）绕线式异步电动机转子回路串电阻调速方法简单，调速设备简单， 易于实现;
b）调速方法为分段多级调节，为有级调速系统，且调速的平滑性较差;
c）不利于空载或轻载调速，表现于转速变化很小; d）低速时转差率 大。转差功率 大，效率低，经济性差; e）调速范围不大，一般为（2～3）︰1，负载小时，调速范围更小。 这种调速方法多用于起重机一类的对调速性能要求不高的场合，对泵类 负载也能应用。
变频调速原理及其机械特性
改变异步电动机定子绕组供电电源的频率 ，可以改变同步 转速n 1 ，从而改变转速。如果频率 连续可调，则可平滑的调 节转速，此为变频调速原理。
三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电 压为 如果降低频率 ，且保持定子电源电压 不变，则气隙每 极磁通 将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大 的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。 因此，降低电源频率 时，必须同时降低电源电压 ，以达到控 制磁通 的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下的调 速和基频以上调速两种情况
一.基频以下变频调速 A),保持 为常数
上式对s求导，即 有最大转矩和临界转差率为
一.基频以下变频调速 B),保持 为常数 为防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持 为常数，使气 隙每极磁通 为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动 机的电磁转矩为 上式对s求导，即 有最大转矩和临界转差率为
3.改变电机极对数的调速
通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机 的同步转速
所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。
4绕线式异步电动机的串级调速
1).串级调速原理
绕线式异步电动机转子回路串电阻调速时，在转子回路产生转差功率 损耗 ，且转速越低，转差率越大，转差功率损耗越大，效率 就越低，而且完全消耗在转子电阻上。 三相绕线式异步电动机的串级调速，就是在转子回路中不串入电阻， 而是串入一个可控的转子外加电压 ，其频率与转子频率 相同，其 相位与转子电势 反向或同相。工作原理图如左图所示。
(3)低速时，转差功率损耗较大，功率因数较低，过载能力较弱；
(4)串级调速范围一般为 ，适用于大容量的通风机，提升机等泵 类负载。
5.变频调速
异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由 于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高， 同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。
③旋转磁场的转速:如图6-4所示可知电流在时间上变化一个周期,旋转 磁场在空间也转过3600电角度.在二极的情况下,转过的机械角也是3600, 即,在空间正好转过一周.电流每秒变化f周期,则旋转磁场的转速n1为每 秒f转或每分钟60f转即
n1 60 f
从电磁观点看,经过N.S一对极时,磁场的空间分布曲线或线圈中的感应 电动势正好变化一周期,这种角度称为电角度,对于四极旋转磁场,磁场的 空间曲线或感应电动势变化一周时,但以电角度计算只是1800,所以电角 度是机械角度的两倍,当电流在时间变化一周期时即3600(一对极),但以 机械角度计算只是1800,因此四极电机的旋转磁场转速为
当某一瞬间电势的极性 与 或同相时，有转子回路电流为
反相
式中“–”号表示 与 反相， “+”号表示 与 同相。 异步电动机的电磁转矩为
当电动机定子电压及负载转矩都保持不变时，转子电流可看成常数；同时考虑到电 动机正常运行时s很小，sx2《 r2 忽略 sx2 则： 在负载转矩 一定的条件下，若 转子串入 与 反相，则
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 。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。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n1。因为 只有这样，转子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n1≠n且n<n1, 是异步电 动机工作的必要条件，“异步”的名称也由此而来。
槽数
Y Y C
A Z a) B
X
Z
a)
b)
C Y
X A
Z B
整距分布绕组示例
q=1
q=12/6=2
二.相电动势
在对称三相绕组流过对称三相电流后，所产生的气隙磁动势的性质 为： ①旋转磁场的形状:每一相绕组产生脉振磁动势，但三相合成后产生 旋转磁动势。每相的脉振磁动势，它们的振幅大小随时间不同而变 化的；但三相合成磁动势幅值恒定不变、是一相脉振磁动势最大振 幅的3/2倍。因此旋转磁场是圆形的. ②旋转磁场的转向:合成磁动势的旋转方向顺着A.B.C三相电流的正相 序方向;当某相电流达到最大值时，三相合成旋转磁动势的矢量也正 好转到该相的相轴上,且与该相轴方向一致,因此,在三相绕组空间排 序不变的条件下,旋转磁场的转向由电流的相序决定,若要改变旋转磁 场的转向,只要将三相电流进线的任意两相对调即可.
二.基频以上变频调速
在基频以上变频调速时，也按比例升高电源电压时不允许的，只能保 持电压为 不变，频率 越高，磁通 越低，是一种降低磁通升 速的方法，这相当于它励直流电动机弱磁调速。 保持 =常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为
、
上式对s求导，即
，有最大转矩和临界转差率为
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于
较高，
、
和
比
大的多，则上式变为
60 f n1 2
并由此推断,对于P对极三相交流电机来说其旋转磁场转速的一般表达 式为
60 f n1 p
三相异步电动机的调速
根据三相异步电动机的转速公式为
通过上式可知，改变交流电机转速的方 法有三种 1．变转差率调速：改变s实现调速； 2．变极调速：改变p来实现调速 3．变频调速：改变f1实现调速
3 关于交流绕组的更多的知识（了解） (1) 电角度
极对数p、机械角度am 、电角度a
a p am
机械角度（机械角速度）:1周为360度，在地面上看到的转子实际旋转的 角度和速度； 电角度（电角频率）: 1周为360度，是以电、或磁信号的角度表示的。
例：直流电流形成的 磁极以及极距。
异步电动机的转子按结构不同可分为鼠笼型和绕线型两种 。
6-2 三相交流绕组及其相电动势
一.交流电机绕组的分布
1 交流电机绕组的基本作用 以定子绕组为例： (1) 流入定子电流，建立旋转磁场； (2) 产生感应电动势：无论是定子电流建立的旋转磁场，还 是转子磁极的旋转，其磁力线都必然会切割固定不动的定 子绕组.
在负载转矩 一定的条件下，若 转子串入 与 同相，则
1).串级调速的特点和性能为
(1)串级调速的控制设备较复杂，成本较高，控制困难。因为转子
回路串入了一个频率与转子电压 频率相同的外加电压 随频率 交变电压； (2)串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小， 效率较高； 常是将转子外加电压 ，且要 变化，是相当困难的。因此，在实际应用中，通 用整流器整流成可控的直流电压来代替
6-1三相异步电动机的工作原理
反映交流电机工作原理的两个实验模型
同步电动机工作原理 ： 1）定子形成旋转磁场 定子如何形成旋转磁场？ 旋转磁动势 2）转子为磁铁（永磁铁、或励磁绕组） •原理：一个磁铁拉着另一个磁铁旋转； •特点：磁极转动的角速度总是等于外部磁铁旋转的角速度 （同步），但可以有角度差。
1.三相异步电动机的降定子电压调速 .调速原理及机械特性
其特点和性能为：
a）三相异步电动机降压调速方法比较简单； b）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； c）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；
6-1-2交流电机的主要类型及基本结构
1 主要类型 • 按能量转换：电动机，发电机 • 按供电：单相、（两相）、三相 • 按原理：同步、异步（感应）电机 2 基本结构 异步电机的主要结构部件（下页）
与直流电机的结构比较
1）定子磁场不旋转，由换向器得到“被整流”后的脉动电 压电流； 2）采用左、右手定则就可分析原理。
因此，频率越高时， 越小， 也越小。保持 如右图所示 为常数， 升高频率调速时的机械特性
变频调速的特点和性能为：
（1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。 但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格 便宜、操作方便等趋势发展；
（2）变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范 围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速； （3）变频调速时，转差率 较小，则转差功率损耗较小，效率较高； （4）可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基 频调速以上时，近似为恒功率调速方式； （5）变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。
2 最简单的三相绕组(定子为例) (1) 三相绕组的外观图和基本特点 构成：线圈边：嵌入定子铁心的槽中那 一部分（有效部分）；端接部分； 特点：空间位置及其对应出线端的位置 彼此错开120度，A、B、C三相绕组在 圆周上排列的顺序。 (2) 定子三相绕组的模型 • 星、三角接法
(3) 三相绕组的简化模型(以定子绕组为例)