19 第十九章 异步电动机的调速.docx

第1页：异步电动机调速方法与变极原理

所谓调速是指在负载不变时改变转速。异步电动机运行时若负载不变、转矩不变，人为改变电机参数可改变其转速。异步电动机转子转速 n=(1−s)·60f1/p，可以看出改变转差率、定子绕组的极对数、电源频率即可改变转速。

变极调速原理：极对数 p 与绕组有关，若笼型电机转子极对数能自动变化，则只需改变定子绕组的接法即可。定子组线圈放在槽内，将 a1a2、x1x2 两个线圈反向串联或反向并联即可改变极数：反向串联时 a1x1 为正弦半波，a2x2 过后为余弦半波，但两波互相抵消，因为线圈刚好处在坐标中相反的位置；反向并联时电流从 x1 到 a1 与从 a2 到 x2，波形叠加形成两极磁场。

对 4 极变成 2 极，每相绕组有两组线圈，两组线圈反向串联或反向并联则会产生 2 极磁场，结果其它两相也如此，只要在其中一相绕组中将半相绕组的电流反向即可。

第2页：变极调速的反向串联与反向并联接线

定子和转子极数必须相等才能产生平均转矩，否则不能工作。定子变极时转子极数必须自动改变，对笼型转子而言各导条电流分布自动形成对应的转子极数与定子相同，故笼型异步电机变极调速容易实现。

按每相绕组由两组线圈组成、电流反向的方式，变极调速有两种：反向串联和反向并联。反向串联即两组线圈首尾相接串联、电流在两组线圈中方向相反；反向并联即两组线圈并联后接入电源、电流方向也相反。两种方式均可使极对数减半（如 4 极变 2 极），从而实现有级调速。

第3页：Y-YY变极调速

接线方式

Y 接时 a1、a2 为并联的两个半相绕组反向串联，得四极磁场；YY 接时把两组半相绕组并联、电流反向，得两极磁场。

转速变化

极对数由 p 变为 p/2，同步速 n1=60f1/p 加倍。

转矩与功率

Y 接时输出转矩 T=3(U/√3)²/(…) ∝ (U²/2)·(1/n1)；YY 接时 T ∝ 2·(U²/2)·(1/(2n1)) = (U²/2)·(1/n1)。故输出转矩不变，为恒转矩调速（T 近似不变，转速升高则输出功率增大）。

特点

有级调速，设备简单、成本低，适用于不需要平滑调速的场合。

第4页：Δ-YY变极调速

接线方式

Δ 接时每相两个半相绕组串联成一相、三相接成三角形，得四极磁场；YY 接时六个半相绕组接成双星形，得两极磁场。

转速变化

极对数减半，同步速加倍。

转矩与功率

Δ 接时 TΔ ∝ 3U²/(2n1)；YY 接时 TYY ∝ 2·(U²/2)/(2n1)·3 = (2/3)·TΔ·2，即输出功率基本不变，为恒功率调速（转速加倍、转矩减半）。

特点

与 Y−YY 一样为有级调速，但 Δ−YY 接近恒功率、适合需要高速轻转矩的场合，Y−YY 接近恒转矩、适合低速大转矩场合。

第5页：变频调速与恒转矩恒功率调速

变频调速需要一个频率可调的三相电源，即变频电源。随着半导体技术的发展，出现了由大功率半导体器件构成的变频调速器，它可分为交—直—交和交—交变频两类：

• 交—直—交：先把 50Hz 工频交流经整流器变换为直流，再用逆变器变换为频率电压可调的交流，中间环节采用电容或电感滤波；
• 交—交：把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源，优点是过载能力强、效率高、波动小，缺点是功率因数低、高次谐波污染电网。

恒磁通变频调速：改变 f1 时如 U1 不变，则 Φm∝U1/f1，f1↓ 时 Φm↑ 使磁路饱和、铁耗↑、cosφ1↓，电机无法正常工作，故降频的同时要降压，保持 U1/f1=常数（恒磁通调速），此时 TM∝(U1/f1)²、输出转矩基本不变，属恒转矩调速。基频以上升高频率时 U1 不能超过额定值，只能保持 U1=UN 而 f1↑，磁通减弱，属恒功率调速。

第6页：改变定子绕组电压调速

改变定子绕组电压调速：由于 U1↓→Φ↓→TM↓，所以改变定子电压可以改变 TM 及转速。

对于恒转矩负载，调速范围很小（n1 点除外）；对于风机类负载，由于 TL∝n²，所以调速范围较大。

特点：调速范围小、低速时转子铜耗大、效率低，一般只用于小容量电机或特殊场合，且需要能平滑调节电压的调压装置。

第7页：转子回路串电阻调速

转子回路串电阻调速：因 TM 与 r2′/s 有关，串入电阻后 TMmax 不变、sm 改变，所以转速改变。

• 对恒转矩负载，R2↑→s↑→n↓；
• 对风机类负载，R2↑→s↑→n↓，调速范围更小。

特点：转差功率消耗在电阻中，效率随转速下降而降低；R2↑ 使人为特性变软，转速稳定性差；设备简单、操作方便，适合绕线式异步电动机。

第8页：串级调速的基本原理

串级调速是在转子回路中串入一个可变的附加电动势 Eadd，改变其大小和相位即可调节转速。由于串电阻调速把转差功率消耗在电阻上、效率低，串级调速则把转差功率加以利用，效率较高。

原理：转子感应电动势 sE2 经整流变为直流，再由逆变器变换为交流反馈回电网。串入附加电动势后转子电流 I2=(sE2+Eadd)/(r2+jx2)，调节 Eadd 即可改变 I2 和转速。

• Eadd 与 sE2 同相：转速下降（低同步调速）；
• Eadd 与 sE2 反相：转速升高，可超过同步速（超同步调速）。

第9页：晶闸管串级调速系统与起动算例

晶闸管串级调速系统由绕线式异步电动机、转子侧不可控整流桥、晶闸管有源逆变器和逆变变压器组成。转子转差功率 sPM 经整流后由逆变器反馈回电网，通过改变逆变角 β 调节附加电动势，从而平滑调速。其效率高、调速范围宽，但功率因数较低、需配置逆变变压器。

例题：一台三相笼型异步电动机 PN=28kW、UN=380V、IN=58A、nN=1455r/min，起动电流倍数 kI=6、起动转矩倍数 kst=1.1、过载能力 km=2.3。供电变压器要求起动电流 Ist≤150A，起动时负载转矩为 Tst=73.5N·m（源文件作 735N·m，按量纲与转矩数量级校核应为 73.5N·m）。试选择起动方法。

说明：源文件起动负载转矩记为 735N·m，与电机额定转矩 183.78N·m 量级不符，且与后续各方案的判别结果矛盾，按物理量纲校核应为 73.5N·m，本表已按 73.5N·m 计算。

第10页：起动算例的三种方案比较

说明：源文件串电抗方案的起动转矩记为 61.15N·m，该值实为 55% 抽头方案的结果，串电抗按 k=150/348 计算应为 37.6N·m，本表已按正确公式修正；73% 抽头源文件按 0.75 计算，本表已改为 0.73。

第11页：转子串电阻调速的调速算例

例题 2：一台绕线式三相异步电动机 PN=75kW、UN=380V、I1N=144A、nN=1460r/min，过载能力 km=2.8（源文件记为 Rm=2.8），转子每相电阻 r2=0.053Ω。试求：（1）欲使转速降到 1400r/min，转子每相应串多大电阻？（2）若负载转矩 TL=0.8TN（源文件记为 1.8TN，与后续按 0.8SN 计算不符），欲使转速降到 1300r/min，转子每相应串多大电阻？

说明：源文件第二问标题记为 TL=1.8TN，但计算过程按 0.8SN 取值，本表按 0.8TN 计算。

第12页：串级调速的功率与起动转矩算例

例题 3：一台三相绕线式异步电动机 PN=5kW、机械损耗 pm=0.08kW、附加损耗 pad=0.035kW，转子电流 I2=10A、转子频率 f2=3.5Hz。求：（1）额定转差率 sN、电磁功率 PM、转子铜耗 pcu2 与转子每相电阻 r2，以及欲使转差率变为 0.1 时每相应串多大电阻；（2）若起动转矩倍数 kst=1.5，降压至 220V 起动时能否带动 0.6TN 的负载起动。

说明：源文件第二问起动电压比作 (220/330)²，额定电压应为 380V，本表按 (220/380)² 计算。