三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式研究

引言

電磁感應(yīng)定律和電磁力定律是三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理,與直流電機(jī)相比,三相異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、體積小、重量輕,但是調(diào)速性能卻不及直流電機(jī),由于交流調(diào)速技術(shù)尚未發(fā)展成熟,直流調(diào)速系統(tǒng)占據(jù)了主要市場(chǎng)。近年來,隨著電力電子器件的更新和控制技術(shù)的飛速發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,其取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)越來越明顯。

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式如下:

由此可知,三相異步電動(dòng)機(jī)有以下三種調(diào)速方法:

(l）調(diào)整定子極對(duì)數(shù)p(變極調(diào)速）。

(2）調(diào)整定子電源頻率fl(變頻調(diào)速）。

(3）調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s(改變定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和串級(jí)調(diào)速）。

1變極調(diào)速

變極調(diào)速即改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù),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(gè)半相繞組l和2組成。當(dāng)兩個(gè)半相繞組首尾依次連接,即兩個(gè)半相繞組正向串聯(lián),再通入電流,如圖l(a）所示。由右手定則判斷,將得到2p=4的磁場(chǎng)分布。如果將兩個(gè)半相繞組尾尾相接,即將其反向串聯(lián)再通入電流,如圖l(b）所示,將產(chǎn)生2p=2的磁場(chǎng)分布。如果將兩個(gè)半相繞組首尾兩兩連接,即兩個(gè)半相繞組反向并聯(lián)再通入電流,如圖l(c）所示,也產(chǎn)生2p=2的磁場(chǎng)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(duì)數(shù),同步轉(zhuǎn)速也將成倍改變,故這種調(diào)速屬于有級(jí)調(diào)速。

鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)可通過此方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速,因其轉(zhuǎn)子感應(yīng)產(chǎn)生的磁極對(duì)數(shù)能自動(dòng)與定子磁極對(duì)數(shù)保持相等。然而繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部分已經(jīng)繞制好,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,操作不便。

調(diào)速時(shí)考慮到不改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向,當(dāng)改變極對(duì)數(shù)時(shí)還需調(diào)換接至電源的三根導(dǎo)線中任意兩根。變極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、機(jī)械特性較硬,缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。

2變頻調(diào)速

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化范圍

不大時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率fl可以看做正比關(guān)系,因此連續(xù)改變電源頻率,即可平滑地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

假設(shè)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(dòng)勢(shì)El,即:Ul≈El=4.44flKNlNlom。若外加定子電壓Ul不變,而fl降低,將使om增加。由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下工作時(shí),磁路已接近飽和,這時(shí)若再增加磁通,勢(shì)必使磁路過度飽和,引起定子電流急劇增加。這將使電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱,還會(huì)使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)大幅度降低。而當(dāng)fl增加時(shí),勢(shì)必會(huì)使om減小,這又會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩下降,電機(jī)的利用率下降。因此,在變頻調(diào)速時(shí),一般均要保持氣隙磁通om不變。所以,電源電壓Ul應(yīng)跟隨電源頻率fl一同改變。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍廣,平滑特性較好,變頻時(shí)電壓按不同規(guī)律調(diào)整后可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速,來匹配不同負(fù)載的要求:缺點(diǎn)是造價(jià)較高,經(jīng)濟(jì)性差。

3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

3.1轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載7=7L運(yùn)行時(shí),在轉(zhuǎn)子回路中串入附加調(diào)速電阻Rs后,轉(zhuǎn)子電流I2'減小,電磁轉(zhuǎn)矩7也相應(yīng)減小,使7<7L,致使電動(dòng)機(jī)減速,轉(zhuǎn)差率s增大。因而轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)sE2'增大,這又使I2'增大,7增大。直至7=7L時(shí),電動(dòng)機(jī)達(dá)到新的平衡狀態(tài),系統(tǒng)以新的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

若電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,那么轉(zhuǎn)子回路串接不同電阻后將運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速,串接的電阻越大,機(jī)械特性就越軟,轉(zhuǎn)速越低。故可以改變轉(zhuǎn)子電路的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速特點(diǎn):屬于有級(jí)調(diào)速,而且級(jí)數(shù)不能太多,并且還是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。調(diào)速范圍有限,且調(diào)速范圍隨負(fù)載不同而變化,負(fù)載越小,調(diào)速范圍越小,損耗大,效率低。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)有方法簡(jiǎn)單、初始投資少,多用于那些對(duì)調(diào)速性能要求較低的起重機(jī)類負(fù)載。

3.2降低定子電壓調(diào)速

對(duì)于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,降壓后可降低轉(zhuǎn)速,但轉(zhuǎn)速下降得不多,調(diào)速范圍很窄。對(duì)于風(fēng)機(jī)類負(fù)載,可以在機(jī)械特性中從0<s<l的部分調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,調(diào)速范圍明顯增大。

三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法如下:

為使調(diào)速過程中電動(dòng)機(jī)得到充分利用,在調(diào)速范圍內(nèi)應(yīng)使轉(zhuǎn)子電流72'=72N且保持不變,因此

即s與n成正比,該調(diào)速方法常用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)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(diào)壓器及改變定子繞組接線方式(△_y）。

3.3電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速

電磁轉(zhuǎn)差離合器主要組成部分是電樞與磁極。其中電樞部分和調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)相連接,隨著異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),為主動(dòng)部分:磁極部分與被拖動(dòng)的負(fù)載連接,為從動(dòng)部分。磁極上有勵(lì)磁繞組,可由晶閘管控制裝置供給直流電,改變?cè)撾娏鞯拇笮?即可調(diào)節(jié)離合器的輸出轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)差離合器理想空載轉(zhuǎn)速是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n,而不是同步轉(zhuǎn)速n1。勵(lì)磁電流7f越大,磁場(chǎng)越強(qiáng)。若轉(zhuǎn)速相同,則轉(zhuǎn)矩s越大:若轉(zhuǎn)矩相同,則轉(zhuǎn)速越高。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制方便,能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速:缺點(diǎn)是機(jī)械特性軟、相對(duì)穩(wěn)定性較差、自身調(diào)速范圍很小,較適用于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載調(diào)速。

3.4串級(jí)調(diào)速

在轉(zhuǎn)子回路中串入一個(gè)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)頻率相同、相位相同或者相反的外加三相對(duì)稱附加電動(dòng)勢(shì)E'f,如圖2所示,改變附加電動(dòng)勢(shì)E'f的大小和相位,即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

串級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)械特性較硬、平滑性好、效率高,對(duì)大功率電機(jī)調(diào)速尤為適用,是一種很有前途的調(diào)速方法。但這種調(diào)速方式運(yùn)行時(shí)過載能力小,設(shè)備較復(fù)雜。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析,可通過改變極對(duì)數(shù)、電源頻率和轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。其中變極調(diào)速是改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,屬于有級(jí)調(diào)速:而變頻調(diào)速是無級(jí)調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速包括轉(zhuǎn)子回路串電阻、降壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速雖然方法容易,便于實(shí)現(xiàn),但調(diào)速是有級(jí)的,并且不平滑,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差,效率也不高:串級(jí)調(diào)速能避免轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的缺點(diǎn),但設(shè)備很復(fù)雜:降壓調(diào)速較多應(yīng)用于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載調(diào)速。