三相異步電動機調速方式研究

引言

電磁感應定律和電磁力定律是三相異步電動機的工作原理,與直流電機相比,三相異步電動機的優(yōu)點在于結構簡單、價格便宜、維護方便、體積小、重量輕,但是調速性能卻不及直流電機,由于交流調速技術尚未發(fā)展成熟,直流調速系統(tǒng)占據了主要市場。近年來 ,隨著電力電子器件的更新和控制技術的飛速發(fā)展,交流電動機調速技術已經取得了很大進步,其取代傳統(tǒng)的直流調速系統(tǒng)的趨勢越來越明顯。

三相異步電動機轉速表達式如下:

由此可知 ,三相異步電動機有以下三種調速方法:

（1）調整定子極對數p（變極調速）。

（2）調整定子電源頻率f1（變頻調速）。

（3）調整電動機轉差率s（改變定子電壓調速、轉子回路串

電阻調速、電磁轉差離合器調速和串級調速）。

1 變極調速

變極調速即改變三相異步電動機定子繞組的極對數,是通過改變定子繞組的連接方式完成的。以單相繞組為例 ,若一相繞組由兩個半相繞組1和2組成。當兩個半相繞組首尾依次連接 ,即兩個半相繞組正向串聯(lián) ,再通入電流,如圖1(a）所示。由右手定則判斷,將得到2p=4的磁場分布。如果將兩個半相繞組尾尾相接 ,即將其反向串聯(lián)再通入電流,如圖1(b）所示,將產生2p=2的磁場分布。如果將兩個半相繞組首尾兩兩連接,即兩個半相繞組反向并聯(lián)再通入電流,如圖1(c）所示,也產生2p=2的磁場分布 。由此可知 ,改變定子繞組的接法,即可成倍改變定子極對數,同步轉速也將成倍改變,故這種調速屬于有級調速。

2變頻調速

三相異步電動機的轉速,當轉差率s變化范圍不大時,電動機轉速與電源頻率f1可以看做正比關系,因此連續(xù)改變電源頻率 ,即可平滑地對轉速進行調整。

假設定子繞組的漏抗壓降可忽略,加在定子繞組上的電 源電壓近似等于反電動勢E1 ,即:U1 ≈E1=4.44f1KN1N1④m。若外加 定子電壓U1不變 ,而f1降低,將使④m增加 。由于電動機在額定狀態(tài)下工作時,磁路已接近飽和,這時若再增加磁通,勢必使磁路過度飽和,引起定子電流急劇增加。這將使電動機嚴重發(fā)熱 ,還會使電動機的功率因數大幅度降低。而當f1增加時,勢必會使④m減小,這又會導致電磁轉矩下降,電機的利用率下降。因此 ,在變頻調速時 ,一般均要保持氣隙磁通④m不變。所以,電源電壓U1應跟隨電源頻率f1一同改變。

變頻調速的優(yōu)點在于調速范圍廣,平滑特性較好,變頻時電壓按不同規(guī)律調整后可實現(xiàn)恒轉矩調速或恒功率調速,來匹配不同負載的要求:缺點是造價較高,經濟性差。

2變轉差率調速

2. 1轉子回路串電阻調速

當電動機帶恒轉矩負載7=7L運行時,在轉子回路中串入附加調速電阻Rs后,轉子電流I2'減小,電磁轉矩7也相應減小,使7<7L ,致使電動機減速,轉差率s增大。因而轉子電動勢sE2'增大 ,這又使I2 '增大 ,7增大。直至7=7L 時 ,電動機達到新的平衡狀態(tài),系統(tǒng)以新的轉速穩(wěn)定運行。

若電動機所帶負載是恒轉矩負載,那么轉子回路串接不同電阻后將運行在不同轉速,串接的電阻越大,機械特性就越軟 ,轉速越低。故可以改變轉子電路的電阻來實現(xiàn)調速的目的。

轉子回路串電阻調速特點:屬于有級調速,而且級數不能太多,并且還是恒轉矩調速。調速范圍有限,且調速范圍隨負載不同而變化,負載越小,調速范圍越小,損耗大,效率低。

轉子串電阻調速優(yōu)點有方法簡單、初始投資少,多用于那些對調速性能要求較低的起重機類負載。

2.1降低定子電壓調速

鼠籠式三相異步電動機可通過此方法實現(xiàn)調速,因其轉子感應產生的磁極對數能自動與定子磁極對數保持相等。然而繞線式異步電動機轉子部分已經繞制好 ,結構復雜 ,操作不便。

調速時考慮到不改變轉子的旋轉方向,當改變極對數時還需調換接至電源的三根導線中任意兩根。變極調速的優(yōu)點在于方法簡單、運行穩(wěn)定、機械特性較硬,缺點是只能實現(xiàn)有級調速。

對于鼠籠型異步電動機拖動恒轉矩負載,降壓后可降低轉速,但轉速下降得不多,調速范圍很窄。對于風機類負載,可以在機械特性中從0<s<1的部分調節(jié)轉速,調速范圍明顯增大。

三相異步電動機的電磁轉矩計算方法如下:

為使調速過程中電動機得到充分利用,在調速范圍內應使轉子電流72 '=72N且保持不變, 因此, 即s與n成正比,

該調速方法常用于對調速性能要求不高的風機和泵類負載。

降低定子電壓的方法一般有:定子繞組串接飽和電抗器、采用晶閘管調壓器及改變定子繞組接線方式(△_Y)。

3.3電磁轉差離合器調速

電磁轉差離合器主要組成部分是電樞與磁極。其中電樞部分和調速異步電動機相連接,隨著異步電動機旋轉,為主動部分:磁極部分與被拖動的負載連接,為從動部分。磁極上有勵磁繞組,可由晶閘管控制裝置供給直流電,改變該電流的大小,即可調節(jié)離合器的輸出轉速。電磁轉差離合器理想空載轉速是異步電動機的轉子轉速n ,而不是同步轉速n1。勵磁電流7f越大,磁場越強。若轉速相同,則轉矩s越大:若轉矩相同,則轉速越高 。電磁轉差離合器調速結構簡單、運行可靠、啟動轉矩大、控制方便 ,能實現(xiàn)平滑調速:缺點是機械特性軟、相對穩(wěn)定性較差、自身調速范圍很小,較適用于風機和泵類負載調速。

3.4串級調速

在轉子回路中串入一個與轉子電動勢頻率相同、相位相同或者相反的外加三相對稱附加電動勢E·f,如圖2所示,改變附加電動勢E·f的大小和相位,即可調節(jié)電動機的轉速。

串級調速的優(yōu)點在于機械特性較硬、平滑性好、效率高,對大功率電機調速尤為適用,是一種很有前途的調速方法。但這種調速方式運行時過載能力小,設備較復雜。

4結語

本文對三相異步電動機調速方法進行了簡單分析,可通過改變極對數、電源頻率和轉差率來實現(xiàn)對異步電動機轉速的調整。其中變極調速是改變磁極對數調節(jié)轉速,屬于有級調速:而變頻調速是無級調速。變轉差率調速包括轉子回路串電阻、降壓調速、電磁轉差離合器調速和串級調速 。繞線式電動機轉子回路串電阻調速雖然方法容易,便于實現(xiàn),但調速是有級的,并且不平滑,轉速穩(wěn)定性較差,效率也不高:串級調速能避免轉子回路串電阻調速的缺點,但設備很復雜:降壓調速較多應用于風機泵類負載調速。