三相异步电机的电力拖动.pptx

三相异步电机的电力拖动三相异步电机的电力拖动2 2 三相异步电动机的各种三相异步电动机的各种起动起动、调调速速和和制动制动方法，各种方法的工作原方法，各种方法的工作原理与相应的机械特性。理与相应的机械特性。内容简介第1页/共130页3 37.1 三相异步电动机的起动 对三相异步电动机起动过程的要求：对三相异步电动机起动过程的要求：u 要足够大要足够大 ;u 不能太大，以避免因起动造成对电网的冲击；不能太大，以避免因起动造成对电网的冲击；u 起动时间起动时间 要尽量短；要尽量短；u 经济性经济性:起动设备简单，起动过程中能量消耗低。起动设备简单，起动过程中能量消耗低。第2页/共130页4 4图6.41 三相异步电机的简化 型等效电路由于起动时，于是有：7.1 7.1 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 可见，直接起动（可见，直接起动（U1=U1N）时，起动电流较大，而起动转）时，起动电流较大，而起动转矩却不会太大。通常起动电流矩却不会太大。通常起动电流 ，而起动转矩，而起动转矩 。第3页/共130页5 5 为了能够在减小起动电流的同时确保起动转矩，必须采取一些起动措施。常用的异步电机起动方法有：直接起动直接起动降压起动降压起动（重点）（重点）定子串电阻或电抗降压起动定子串电阻或电抗降压起动自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动Y/降压起动降压起动软起动软起动(自学自学)高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机（了解）（了解）第4页/共130页6 6A、三相鼠笼式异步电动机的直接起动、三相鼠笼式异步电动机的直接起动 对于 的异步电动机可以直接起动。对于额定功率超过 的异步电动机，可以根据下式来确定是否可以直接起动。若下列条件满足：（7-3）则电动机可以采用直接起动。第5页/共130页7 7B、三相鼠笼式异步电动机的降压起动、三相鼠笼式异步电动机的降压起动 a、定子串电阻（或电抗）的降压起动、定子串电阻（或电抗）的降压起动 定子绕组串电阻或电抗定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压相当于降低定子绕组的外加电压，可，可以达到以达到减小起动电流减小起动电流的目的。的目的。但考虑到起动转矩但考虑到起动转矩与定子电压的平方成正比与定子电压的平方成正比，起动转矩会降起动转矩会降低低更多，因此，这种起动方法更多，因此，这种起动方法仅适用于轻载起动、且容量较小的电机仅适用于轻载起动、且容量较小的电机。第6页/共130页8 8b、自耦变压器的降压起动、自耦变压器的降压起动 图7.1 自耦变压器的降压起动图7.2 自耦变压器降压起动时的一相电路起动时电网侧的电流第7页/共130页9与额定电压直接起动相比，降压起与额定电压直接起动相比，降压起动时定子绕组的电压降低为动时定子绕组的电压降低为 ，于是二次侧有：于是二次侧有：其中，其中，是定子电压为是定子电压为 时的起时的起动电流；动电流；为定子电压为定子电压 时的时的起动电流；起动电流；图7.2 自耦变压器降压起动时的一相电路起动时电网侧的电流忽略激磁电流，由变压器的磁势平衡方程式得：忽略激磁电流，由变压器的磁势平衡方程式得：第8页/共130页10 起动转矩正比于定子绕组外加电压的平方起动转矩正比于定子绕组外加电压的平方()，因此，降压前、后起动转矩的比值为：即：结论：结论：与直接起动相比较，采用自耦变压器降压起动时，电压减低与直接起动相比较，采用自耦变压器降压起动时，电压减低 倍，则起动电流和起动转矩均降低倍，则起动电流和起动转矩均降低 倍。倍。第9页/共130页1111c c、星、星-三角（三角（）降压起动）降压起动 概念概念:对于对于正常运行正常运行采用采用 形联结的三相鼠笼式异步电动机，形联结的三相鼠笼式异步电动机，起动时起动时可改接成可改接成 形联结，则定子每相电压可降为电源电压的形联结，则定子每相电压可降为电源电压的 ，从，从而实现降压起动，这种方法被称为而实现降压起动，这种方法被称为 起动。起动。笼型异步电动机星形三角形起动的原理线路图第10页/共130页1212第11页/共130页1313结论：结论：采用采用 降压起动时，电网所承担的起动电流和起动转矩均为直接起动时的降压起动时，电网所承担的起动电流和起动转矩均为直接起动时的 。很显然，很显然，降压起动降压起动相当于自耦变压器降压起动相当于自耦变压器降压起动抽头为抽头为 的情况。的情况。第12页/共130页1414请问：（7.1）三相异步电动机分别采用定子串电抗器、）三相异步电动机分别采用定子串电抗器、Y/起动和自耦调起动和自耦调压器降压起动时，其起动电流、起动转矩与直接起动相比有何变化压器降压起动时，其起动电流、起动转矩与直接起动相比有何变化？答：答：起动电流起动电流起动电流起动电流I Istst起动转矩起动转矩起动转矩起动转矩T Tstst定子串电抗器起动定子串电抗器起动定子串电抗器起动定子串电抗器起动减小减小减小减小下降更多下降更多下降更多下降更多Y/起动起动自耦调压器降压起动自耦调压器降压起动第13页/共130页1515D、高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机、高起动性能的特殊鼠笼式异步电动机（自学，了解）（自学，了解）基本思想：基本思想：通过适当增大起动时转子导条的电阻，达到既降低起动电流又提高起动转矩的目的。通过适当增大起动时转子导条的电阻，达到既降低起动电流又提高起动转矩的目的。第14页/共130页1616E、三相绕线式异步电动机的起动、三相绕线式异步电动机的起动三相绕线式异步电动机的转子绕组可以通过三相绕线式异步电动机的转子绕组可以通过电刷和滑环外串电刷和滑环外串三相对称电阻三相对称电阻（见图（见图7.87.8），达到），达到降低起动电流并同时提高起降低起动电流并同时提高起动转矩动转矩的目的。起动结束后，通过集电环将外串电阻短路，的目的。起动结束后，通过集电环将外串电阻短路，以确保电机的运行效率不受影响。以确保电机的运行效率不受影响。图7.8 绕线式异步电动机转子串电阻的起动接线图 主要有两种转子外串电阻的起动主要有两种转子外串电阻的起动方法：方法：a a、转子、转子串电阻串电阻的分级起动的分级起动 b b、转子、转子串频敏变阻器串频敏变阻器的起动的起动第15页/共130页1717a a、转子串电阻的分级起动、转子串电阻的分级起动 为了确保起动过程尽可能平稳，传统的绕线式异步电动机多采用为了确保起动过程尽可能平稳，传统的绕线式异步电动机多采用逐级切除外串转子电阻逐级切除外串转子电阻的方法进行起动。图的方法进行起动。图7.9a7.9a、b b分别给出了转分别给出了转子外串三级电阻起动时的接线图与相应的机械特性。子外串三级电阻起动时的接线图与相应的机械特性。图7.9 绕线式异步电动机转子串电阻分级起动K3、K2、K1依次闭合将外串转子电阻RRR依次切除。第16页/共130页1818 当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，成正比的涡流损耗较大，值也因之较大，起限制起动电流及值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及变阻器铁心的涡流损耗及 值跟着下降值跟着下降，使电动机起动平滑。，使电动机起动平滑。b、转子串频敏变阻器的起动、转子串频敏变阻器的起动 频敏变阻器的结构频敏变阻器的等效电路第17页/共130页1919例例 一台鼠笼式三相异步电动机，一台鼠笼式三相异步电动机，P PN N=75kW,=75kW,定子定子D D接，接，n nN N=1480r/min=1480r/min，I IN N=139A,=139A,堵转电流倍数堵转电流倍数K Ki i=6,=6,堵转转矩倍数堵转转矩倍数k kS S1.61.6。负载起动转矩负载起动转矩T TL L=265N=265Nm m，供电变压器要求堵转电流不大，供电变压器要求堵转电流不大于于350A350A。试选择合适的降压起动方法，通过计算来说明。试选择合适的降压起动方法，通过计算来说明。直接起动时的堵转转矩：直接起动时的堵转转矩：解：电动机直接起动时的堵转电流：解：电动机直接起动时的堵转电流：第18页/共130页20201）采用YD降压起动方法堵转电流：堵转转矩矩：堵转转矩不能满足要求，不能采用堵转转矩不能满足要求，不能采用Y-DY-D降压起动降压起动要求起动时的转要求起动时的转矩矩应大于等于应大于等于1.1T1.1TL L第19页/共130页21212）采用自耦变压器降压起动抽头为55时的堵转电流与堵转转矩堵转转堵转转矩矩不能满足要求，不能采用该抽头。不能满足要求，不能采用该抽头。第20页/共130页22抽头为64时的堵转电流与堵转转矩堵转电流和堵转转矩均能满足要求，可以采用堵转电流和堵转转矩均能满足要求，可以采用该抽头。该抽头。第21页/共130页23抽头为73时的堵转电流堵转电流不能满足要求，不能采用该抽头堵转电流不能满足要求，不能采用该抽头。第22页/共130页2424请问：（7.2）绕线式异步电动机）绕线式异步电动机转子回路转子回路外串电阻与没有外串电阻相比，外串电阻与没有外串电阻相比，其主磁通、定、转子电流、起动转矩如何变化？是否转子外串电阻其主磁通、定、转子电流、起动转矩如何变化？是否转子外串电阻越大，起动转矩越大？越大，起动转矩越大？答：答：外串电阻外串电阻外串电阻外串电阻没有外串电阻没有外串电阻没有外串电阻没有外串电阻主磁通主磁通主磁通主磁通mm不变不变不变不变mm不变不变不变不变定子电流定子电流I I1 1减小减小I I1 1转子电流转子电流I I2 2减小减小I I2 2起动转矩起动转矩T Tstst增大增大T Tstst第23页/共130页2525答：并不是转子外串电阻越大，起动转矩越大；答：并不是转子外串电阻越大，起动转矩越大；取适当的取适当的r2（）使）使Tst=Temax，转子串，转子串电阻继续增大，起动转矩反而变小。电阻继续增大，起动转矩反而变小。第24页/共130页26267.2 7.2 三相异步电动机的调三相异步电动机的调速速 三相异步电动机的转子转速可由下式给出：(7-9)由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：由上式可见，三相异步电动机的调速方法大致分为如下几种：变极调速；变极调速；变频调速；变频调速；改变转差率调速；改变转差率调速；其中，改变转差率的调速方法涉及：其中，改变转差率的调速方法涉及：改变定子电压的调压调速；改变定子电压的调压调速；绕线式异步电动机的转子串电阻调速；绕线式异步电动机的转子串电阻调速；电磁离合器调速；电磁离合器调速；绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。（自学了解）绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速。（自学了解）第25页/共130页2727A、变极调速、变极调速概念概念:变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的变极调速是一种通过改变定子绕组极对数来实现转子转速调节的调速方式。在一定电源频率下，由于同步速调速方式。在一定电源频率下，由于同步速 与极对数成反与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速。图7.11 三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图其中，代表A相的半相绕组，代表A相的另一半相绕组。第26页/共130页2828结论结论:只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机适用于鼠笼式异步电动机。变极调速只能成倍地改变极对数，转子转速也只能成倍地变化，变极调速只能成倍地改变极对数，转子转速也只能成倍地变化，属于属于有级调速有级调速。第27页/共130页2929结论结论:对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。变极前，若极对数为变极前，若极对数为p p的三相绕组空间互差的三相绕组空间互差120120电角度，即电角度，即A A、B B、C C三相依次为三相依次为0 120 240 0 120 240，则变极后，极对数为则变极后，极对数为2p2p的三相绕组空间互差的三相绕组空间互差240 240 电角度，即电角度，即A A、B B、C C三相依次为三相依次为0 240 120 0 240 120，变极前后相序发生改变。，变极前后相序发生改变。两种典型的变极接线方法:a、Y/YY接变极调速接变极调速b、/YY接变极调速接变极调速第28页/共130页3030a a、Y/YYY/YY接变极调速接变极调速图7.12 三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线 假定变极调速前后定子的功率因数假定变极调速前后定子的功率因数 、效率、效率 均不变，均不变，为了确保电动机得到充分利用，为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值每半相绕组中的电流应均为额定值 ，于是变极前后电动机的，于是变极前后电动机的输出功率输出功率和和输出转矩输出转矩分别满足下列关系：分别满足下列关系：结论：结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式。接变极调速属于恒转矩调速方式。每相定子绕组半相绕组顺向串联。第29页/共130页3131a a、Y/YYY/YY接变极调速接变极调速图7.13 Y/YY接变极调速的机械特性串联时串联时并联时并联时第30页/共130页3232b、/YY接变极调速接变极调速图7.14 三相异步电动机/YY 接变极调速的接线 假定变极调速前后电机的功率因数假定变极调速前后电机的功率因数 、效率、效率 均不变，均不变，并并设每半相绕组中的电流均为额定值设每半相绕组中的电流均为额定值 ，则，则 /YY/YY变极前后电动变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：每相定子绕组半相绕组反向并联。第31页/共130页3333结论：结论：/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式（升速时转矩略减）接变极调速属于近似恒功率调速方式（升速时转矩略减）。第32页/共130页3434图7.15 /YY接变极调速的机械特性 Y形接法时，相电压是线电压的根号3分之一第33页/共130页3535请问：（7.5）三相异步电动机变极调速时，为什么变极的同时必须改变）三相异步电动机变极调速时，为什么变极的同时必须改变供电电源相序？若保持相序不变，由低速到高速变极时，会发生什供电电源相序？若保持相序不变，由低速到高速变极时，会发生什么现象？么现象？答：答：变极的同时必须改变供电电源相序，是为了变极的同时必须改变供电电源相序，是为了确保变极前后转确保变极前后转子转向不变子转向不变。设变极前，极对数为设变极前，极对数为2p2p为低速，为低速，0 240 120 （480 ）变极后，极对数为变极后，极对数为p p为高速；则：为高速；则：0 120 240；可见，可见，变极后，如果不改变相序电机将反转变极后，如果不改变相序电机将反转。第34页/共130页3636B、变频调速、变频调速对变频调速的要求：对变频调速的要求：（1 1）主磁通）主磁通 ，以防止定子铁心过饱和；，以防止定子铁心过饱和；（2 2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 ）尽可能保持不变。）尽可能保持不变。保证电机可靠运行。保证电机可靠运行。a、基频以下的变频调速、基频以下的变频调速b、基频以上的变频调速、基频以上的变频调速变频调速分为：第35页/共130页3737 由由 可知，要想确保主磁通可知，要想确保主磁通 不变，不变，可满足可满足 ,亦即亦即变频的同时必须调压变频的同时必须调压，实现，实现定子定子电压和频率的协调控制电压和频率的协调控制。a a、基频以下的变频调速、基频以下的变频调速因而，此时因而，此时电机的过载能力保持不变。电机的过载能力保持不变。考虑到：考虑到：第36页/共130页3838（1 1）保持）保持 =常数的机械特性常数的机械特性 (与与U1/f1=c比较，更为精确比较，更为精确)根据三相异步电动机的根据三相异步电动机的T型等效电路型等效电路，可以获得用感应电势，可以获得用感应电势 表表示的示的电磁转矩电磁转矩的表达式为：的表达式为：利用利用 可以获得临界转差率可以获得临界转差率 和最大转矩和最大转矩 分别为：分别为：上式表明：若采用若采用 =常数控制，则最大转矩常数控制，则最大转矩 保持不变。保持不变。第37页/共130页39结论结论:最大转矩最大转矩 处的转速降处的转速降 与频率无关。与频率无关。亦即亦即:在变频调速过程中，若保持在变频调速过程中，若保持 =常数，则机械特性的硬常数，则机械特性的硬度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。度保持不变。即不同频率下的机械特性是平行的。对应于最大转矩对应于最大转矩 处的转速为：处的转速为：第38页/共130页4040图7.16 三相异步电动机变频调速时的机械特性 (=常数)随频率减小而增随频率减小而增大。大。机械特性是平行机械特性是平行的的第39页/共130页4141 保持保持 =常数可以实现严格意义上常数可以实现严格意义上 的不变和最大转的不变和最大转矩矩 不变。但考虑到定子电势不变。但考虑到定子电势 难以直接测量，实际调速难以直接测量，实际调速系统多采用系统多采用 =常数常数代替代替 =常数常数实现变频调速。实现变频调速。（2 2）保持）保持 =常数的机械特性常数的机械特性第40页/共130页4242现分析保持现分析保持 =常数时三相异步电动机的机械特性。常数时三相异步电动机的机械特性。第41页/共130页4343 由图可见，保持由图可见，保持 =常数常数，当当 减小时，减小时，最大电磁转矩最大电磁转矩 将有所降低将有所降低。图7.17 三相异步电动机变频调速时的机械特性(=常数)为什么呢为什么呢？第42页/共130页4444可见，可见，的降低是由定子绕组电阻的降低是由定子绕组电阻 的影响所致。尤的影响所致。尤其是当其是当 低到使得低到使得 可以与可以与 相比较时，相比较时，下降严重。下降严重。若忽略定子绕组电阻即令若忽略定子绕组电阻即令 ，则式子变为：，则式子变为：第43页/共130页45对对 的线性关系加以修正，的线性关系加以修正，提高低频时的提高低频时的 ，以补偿低，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响频时定子绕组电阻压降的影响（见图7.18）。图7.18 具有低频补偿的 协调关系针对针对U1/f1=常数常数的变频调速时，的变频调速时，r1对对Temax的影响，为了确保低频时的影响，为了确保低频时继续保持主磁通不变，最好的解决措施是：继续保持主磁通不变，最好的解决措施是：第44页/共130页4646调速性质的分析调速性质的分析（U1/f1=常数）常数）假定变频调速过程中电机的功率因数假定变频调速过程中电机的功率因数 、效率、效率 均不变，为均不变，为了充分利用电动机，了充分利用电动机，每相绕组中的电流应保持额定值每相绕组中的电流应保持额定值 不变不变。此。此时，三相异步电动机的时，三相异步电动机的输出功率输出功率和和输出转矩输出转矩分别满足下列关系：分别满足下列关系：结论：结论：由于基频以下的调速过程中保持由于基频以下的调速过程中保持 =常数常数，基频以下的变，基频以下的变频调速属于频调速属于恒转矩调速恒转矩调速，其输出功率，其输出功率正比于定子频率正比于定子频率（或转速）（或转速）（见图7.19）。U1/f1=常数第45页/共130页4747图7.19 三相异步电动机变频调速时所容许的输出转矩、输出功率与频率之间的关系 第46页/共130页48b、基频以上的变频调速、基频以上的变频调速 当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电当定子频率超过基频时，受电机绕组绝缘耐压的限制，定子电压压 无法进一步提高，只能保持无法进一步提高，只能保持 。此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性仍：此时，三相异步电动机变频调速时的机械特性仍：第47页/共130页4949f1 f1 f1 f1 最大电磁转矩：最大电磁转矩：临界转差率：临界转差率：第48页/共130页5050结论：结论：最大转矩最大转矩 处的转速降处的转速降 与频率无关，即机械特性的与频率无关，即机械特性的硬度保持不变。硬度保持不变。图7.20 三相异步电动机基频以上变频调速时的机械特性()第49页/共130页5151调速性质的分析：调速性质的分析：假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数假定基频以上变频调速过程中电机的功率因数 、效率、效率 均不变，均不变，每相绕组中的电流每相绕组中的电流仍保持额定值仍保持额定值 不变。此时，三相异不变。此时，三相异步电动机的步电动机的输出功率和输出转矩输出功率和输出转矩分别满足下列关系：分别满足下列关系：结论：结论：由于基频以上的调速过程中保持由于基频以上的调速过程中保持 ，基，基频以上的变频调速属于频以上的变频调速属于恒功率调速恒功率调速，其输出转矩，其输出转矩反比于定反比于定子绕组的供电频率子绕组的供电频率（或转速）（或转速）第50页/共130页5252f1f1NU1=U1N=常数常数第51页/共130页5353一般结论：一般结论：变频调速性能好，可与直流电机媲美变频调速性能好，可与直流电机媲美u基频以下为恒转矩调速基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速基频以上为恒功率调速；u变频调速过程中变频调速过程中，异步电动机机械特性的异步电动机机械特性的硬度保持不变硬度保持不变，调速范围宽调速范围宽；u频率连续可调，可以实现频率连续可调，可以实现无级调速无级调速。第52页/共130页5454例题例题1：某三相四极笼型异步电动机，定子绕组：某三相四极笼型异步电动机，定子绕组Y联结，该电动机技术数据：联结，该电动机技术数据：PN=11KW，U1N=380V，nN=1430rpm，=2.2，用它拖动，用它拖动TZ=0.8TN的恒转矩的恒转矩负载运行。求负载运行。求（1）电动机转速；（）电动机转速；（2）电源电压降低到）电源电压降低到0.8UN时电动机的转速；时电动机的转速；（3）频率降低到）频率降低到0.7fN=35HZ，保持，保持E1/f1不变时电动机的转速。不变时电动机的转速。解解（1）Temn,s(0,0)TNTz=0.8TN第53页/共130页5555当当Tz=0.8TN时，设电动机转差率为时，设电动机转差率为s，则，则解得：解得：s1=0.0366，s2=1.0318(不合理，舍去不合理，舍去)电动机转速：电动机转速：n=(1-s1)n0=(1-0.0366)1500rpm=1445rpm第54页/共130页5656(2)电源电压降低到电源电压降低到0.8UN时电动机的转速计算时电动机的转速计算电源电压降低后，电机最大转矩：电源电压降低后，电机最大转矩：设降压后，转差率为设降压后，转差率为s2，则，则化简后，解得：化简后，解得：s2=0.0605，s2=0.6232(不合理，舍去不合理，舍去)降压后转速：降压后转速：n2=(1-s2)n0=(1-0.0605)1500rpm=1410 rpmT TN N0.8T0.8TN N第55页/共130页5757（3）频率降低到）频率降低到0.7fN=35 Hz，保持，保持E1/f1不变时电动机的转速计算：不变时电动机的转速计算：固有机械特性上运行时转速降落：固有机械特性上运行时转速降落：n=n0-n=(1500-1445)rpm=55 rpm频率降低后同步转速为：频率降低后同步转速为：n0=0.7n0=0.71500 rpm=1050 rpm频率降低后电动机转速为：频率降低后电动机转速为：n3=n0-n=(1050-55)rpm=995 rpm第56页/共130页58C、改变转差率的调速、改变转差率的调速对于改变转差实现调速的方案，其效率可由下式给出：对于改变转差实现调速的方案，其效率可由下式给出：上式表明，转子转速越低（上式表明，转子转速越低（s越大），效率越低。因此，一般越大），效率越低。因此，一般来说，来说，改变转差率的调速方案的经济性较差改变转差率的调速方案的经济性较差。低速时转子铜耗低速时转子铜耗 较大较大 ，转子发势严重。，转子发势严重。第57页/共130页5959C、改变转差率的调速、改变转差率的调速目前常用的改变转差率的调速方法目前常用的改变转差率的调速方法:a a、改变定子电压的调压调速、改变定子电压的调压调速、b b、转子绕组串电阻调速、转子绕组串电阻调速、c c、利用滑差离合器调节转速以及、利用滑差离合器调节转速以及d d、双馈调速与串级调速、双馈调速与串级调速第58页/共130页6060a、改变定子电压调速、改变定子电压调速对风机、泵类负载，其调速范围较宽对风机、泵类负载，其调速范围较宽，故调压调速特别适用于风机、泵类负故调压调速特别适用于风机、泵类负载。载。对恒转矩负载，调压调速的范围较小对恒转矩负载，调压调速的范围较小。第59页/共130页61对于高转差率（大转速降）电对于高转差率（大转速降）电机（如双鼠笼式或深槽式鼠笼机（如双鼠笼式或深槽式鼠笼异步电机），则异步电机），则可得到较宽的可得到较宽的调速范围调速范围，但但特性太软，相对特性太软，相对稳定性和低速过载差稳定性和低速过载差。第60页/共130页6262 为了提高调压调速机械特性的硬度，增大鼠笼式异步电动机的为了提高调压调速机械特性的硬度，增大鼠笼式异步电动机的调速范围，可采用如下两种方案：调速范围，可采用如下两种方案：n 采用转速闭环的方案采用转速闭环的方案（见图（见图7.237.23）；）；n 将调压调速与变极调速结合将调压调速与变极调速结合。图7.23 具有速度反馈的异步电动机调压调速系统第61页/共130页63可见，调压调速时电磁转矩可见，调压调速时电磁转矩 与转差率成反比。（与转差率成反比。（Pem也与也与s成反比）。成反比）。调速性质的分析：调速性质的分析：根据根据 结论：结论：调压调速调压调速既不属于既不属于恒转矩调速恒转矩调速也非也非恒功率调速。恒功率调速。第62页/共130页64b、绕线式异步电动机的转子串电阻调速、绕线式异步电动机的转子串电阻调速图7.24 绕线式异步电动机转子串电阻的人工机械特性结论：结论：外加转子电阻外加转子电阻 越大，则转子转差率越大，转速越低。越大，则转子转差率越大，转速越低。第63页/共130页65调速性质的分析：调速性质的分析：考虑到考虑到 ，由于电源电压，由于电源电压U1和和f1保持不变，保持不变，故主磁通故主磁通 为定值。调速过程中，为了充分利用电动机的绕组，为定值。调速过程中，为了充分利用电动机的绕组，要求保持要求保持 ，于是有：，于是有：调速前调速前调速后调速后第64页/共130页66转子回路的功率因数为：转子回路的功率因数为：因此，电磁转矩为：因此，电磁转矩为：结论：结论：转子串电阻调速属于恒转矩调速。转子串电阻调速属于恒转矩调速。第65页/共130页6767c、电磁滑差离合器调速、电磁滑差离合器调速滑差离合器电动机又称为滑差离合器电动机又称为“电磁调速电动机电磁调速电动机”，其基本结构如，其基本结构如图图7.267.26所示。所示。图7.26 滑差离合器电机的基本结构图电磁滑差离合器调速，是在鼠笼式异步电动机转子机械轴上装电磁滑差离合器调速，是在鼠笼式异步电动机转子机械轴上装一一电磁滑差离合器电磁滑差离合器，通过，通过调节离合器励磁电流调节离合器励磁电流调节离合器的输调节离合器的输出转速出转速，以实现调速。，以实现调速。第66页/共130页6868电磁滑差离合器结构：电磁滑差离合器结构：电磁滑差离合器由电磁滑差离合器由电枢和磁极电枢和磁极组成。组成。电枢电枢与鼠笼式异步电动机转子通过联轴器联结，为与鼠笼式异步电动机转子通过联轴器联结，为主动主动部分；部分；磁极磁极通过联轴器与负载相联，为通过联轴器与负载相联，为从动从动部分。部分。第67页/共130页6969图图7.26 滑差离合器电机的基本结构图滑差离合器电机的基本结构图滑差离合器电枢内涡流的方向与路滑差离合器电枢内涡流的方向与路径径电枢电枢由由整块铸钢整块铸钢组成，相当于鼠笼式异步电动机转子，可认为组成，相当于鼠笼式异步电动机转子，可认为是由无数根鼠笼导条并联而成，是由无数根鼠笼导条并联而成，其内产生涡流其内产生涡流；磁极磁极上上装有励磁绕组装有励磁绕组，外加电源通过滑环、电刷可以，外加电源通过滑环、电刷可以控制其直控制其直流励磁流励磁，改变负载转速改变负载转速。第68页/共130页7070滑差离合器的工作原理：滑差离合器的工作原理：当鼠笼式异步电动机旋转时，滑差离合器电枢一同旋转，设其当鼠笼式异步电动机旋转时，滑差离合器电枢一同旋转，设其角速度为角速度为 ，转向为顺时针。，转向为顺时针。若磁极上电流若磁极上电流If=0时，离合器电枢和磁极两部分无任何联系，时，离合器电枢和磁极两部分无任何联系，负负载侧电磁转矩为零（载侧电磁转矩为零（Tem=0）。第69页/共130页71当当If0时，离合器电枢与磁极两部分时，离合器电枢与磁极两部分通过磁场联系通过磁场联系。涡流与磁极产生的磁场相互作用产生电磁转矩方向涡流与磁极产生的磁场相互作用产生电磁转矩方向fem，用左，用左手定则判定。为逆时针。手定则判定。为逆时针。电枢相对磁极运动，电枢内鼠笼导条感应电势，产生涡流，用电枢相对磁极运动，电枢内鼠笼导条感应电势，产生涡流，用右手定则右手定则判定涡流方向判定涡流方向。第70页/共130页7272磁极上产生的电磁转矩磁极上产生的电磁转矩TemTem方向，为顺时针方向，为顺时针。（根据作用力与。（根据作用力与反作用力原理，反作用力原理，TemTem应与应与femfem方向相反；或者用电磁理论分析，方向相反；或者用电磁理论分析，得得TemTem为顺时针方向），为顺时针方向），与电枢转向相同与电枢转向相同。第71页/共130页7373结论：结论：离合器磁极电流离合器磁极电流I If f0 0时，时，电枢与磁极两部分的转向相同电枢与磁极两部分的转向相同。在电磁转矩在电磁转矩TemTem作用下，作用下，磁极带动负载一同加速旋转，最终磁极带动负载一同加速旋转，最终达到稳定转速达到稳定转速 。由于电枢内涡流由电枢和磁极间相对运动产生，所以由于电枢内涡流由电枢和磁极间相对运动产生，所以 。故名，。故名，电磁滑差离合器电磁滑差离合器。第72页/共130页7474滑差离合器的调速原理：滑差离合器的调速原理：理想空载转速理想空载转速是指异步电动是指异步电动机机转子的转速转子的转速。图7.28 电磁滑差离合器的机械特性结论：结论：u 随着直流励磁电流的增大，随着直流励磁电流的增大，相同转速条件下相同转速条件下滑差离合器输滑差离合器输出的电磁转矩增大；出的电磁转矩增大；u 改变直流励磁电流改变直流励磁电流可以调节输出负载侧的转速。可以调节输出负载侧的转速。第73页/共130页7575滑差离合器电机滑差离合器电机优点是优点是：设备简单、控制方便、可实现平滑调速。设备简单、控制方便、可实现平滑调速。缺点是缺点是：机械特性较软，调速范围较窄、运行效率较低。：机械特性较软，调速范围较窄、运行效率较低。适合于适合于：风机和泵类负载。：风机和泵类负载。第74页/共130页7676d、绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速、绕线式异步电动机的双馈调速与串级调速(了解，自学了解，自学)双馈调速与串级调速的引入：双馈调速与串级调速的引入：上述各种改变转差率的调速方式皆属于低效率的调速方式。因为其转子的转差功率皆消耗到转子电阻上，正是通过损耗的改变，才实现了调速。如果能将这部分转差功率回收到电网上，则调速系统的效率便可以大大提高。双馈调速和串极调速就是根据这一思想加以实现的。双馈的概念：双馈的概念：双馈即双馈即双边激磁双边激磁，它是在三相异步电动机的定、转子绕组中皆通以三相，它是在三相异步电动机的定、转子绕组中皆通以三相电流完成供电。这一点与感应电动机的电流完成供电。这一点与感应电动机的单边激磁单边激磁不同。不同。第75页/共130页7777双馈调速与串级调速的工作原理：双馈调速与串级调速的工作原理：交流电机的定子绕组接到电网上，而转子绕组接至电力电子变流器上。借助于电力电子变流器对转子绕组施加交流电机的定子绕组接到电网上，而转子绕组接至电力电子变流器上。借助于电力电子变流器对转子绕组施加转差频率转差频率 的电压。通过改变转差频率电压的的电压。通过改变转差频率电压的幅值和相位幅值和相位实现转子的调速。实现转子的调速。如果转子绕组借助于电力电子变流器接到一如果转子绕组借助于电力电子变流器接到一幅值可调的直流电源幅值可调的直流电源上，通过改变直流电源电压的大小来改变转子绕组外加电压的幅值，上，通过改变直流电源电压的大小来改变转子绕组外加电压的幅值，双馈调速双馈调速则变为则变为串级调速串级调速。因此，可以把串级调速看作是双馈调速的特例。因此，可以把串级调速看作是双馈调速的特例。第76页/共130页7878 图7.29画出了三相绕线式异步电动机定子外接三相电源，转子外接转差频率电压的等效电路图。双馈异步电动机的调速原理：双馈异步电动机的调速原理：图7.29 双馈供电下绕线式异步电动机一相的等效电路由图7.29可求得转子绕组的电流为：（7-28）式中，。异步机负载运行时，转子以(n1-n)的速度切割m产生感应电势电流，其频率比较上面等式有：-+第77页/共130页7979双馈调速几种情况：（1 1）当）当 与与 相位相同或相反时相位相同或相反时：（2 2）当）当 超前超前 时时：（3 3）当）当 与与 成任意夹角成任意夹角 时时：第78页/共130页8080考虑到实际运行时转差率 s 较小，又 ，于是，上式可简化为：（1 1）当）当 与与 相位相同或相反时相位相同或相反时：转子电流的有功分量为：（7-29）（7-30）第79页/共130页8181设转子回路未加 （即 ）时的转差为 ，则有：（7-31）假定 加入前后负载转矩不变，由 可知，即：上式表明，改变外加电压改变外加电压 便可以改变转差率，实现转子调速便可以改变转差率，实现转子调速。转子电流的有功分量未加U2s，s=s1加U2s0即：|（1 1）当）当 与与 相位相同或相反时相位相同或相反时：第80页/共130页8282（7-32）第一项，由E2S单独作用时产生的电磁转矩Tem1,对应的机械特性与普通三相异步电动机相同。第二项，由U2s单独作用产生的电磁转矩Tem2，当s=0时，Tem2达到最大。双馈调速时机械特性表达式。第81页/共130页8383（7-32）根据上式绘出双馈调速的机械特性如图7.30c所示。图7.30 双馈调速的机械特性曲线(与 同相或反相时)由图7.30c可见，改变 的大小和正负便可以使三相绕线式异步电动机分别工作在次同步状态次同步状态（）、同步速状态同步速状态（）以及超同步运超同步运行状态行状态（）。第82页/共130页84（2 2）当）当 超前超前 时时：画出 加入前后双馈电机的相量图如图7.31所示。图7.31 双馈电机的相量图第83页/共130页8585（2 2）当）当 超前超前 时时：图7.31 双馈电机的相量图 由图7.31可见，加入 后，定子侧的功率因数角 减小，功率因数 明显提高。若进一步加大 的大小，定子电流 有可能超前定子电压 ，使得定子侧的功率因数 超前，即可以向电网发送滞后无功。第84页/共130页8686当外加转差频率的电压 与转子绕组感应电势 成任意夹角。（3 3）当）当 与与 成任意夹角成任意夹角 时时：图7.32 双馈电机的相量图(与 的