2.3三相交流电动机的调速（课件）-《电器与PLC控制技术》同步教学(高教版)

第三节 三相交流电动机的调速 调速，就是人为改变电动机的机械特性，实现电机在同一负载下具有不同的转速，以满足生产过程的要求。 一、交流电机固有机械特性 图示为交流电机的固有机械特性 n=f(T)及T＝f(s)综合曲线。图中： 1.转子转速n 电动机运行时的实际 转速，也就是转子转速n。 2. 转差率 s 转差率 s 是表示转子转 速n与磁场转速n0 之间差别的程度， 即： 它是异步电动机的重要参量之一，额定时约为1~9%。 1 T S 0 3. 转矩T 电机负载能力的重要参数，主要有：负载转矩、电磁转矩。 4. 特殊点 ① A: S=0、T＝0、n＝n0 空载点。n0电动机旋转磁场的转 速,也称为同步转速。根据电动机的转 动原理，转子转速将小于磁场的转速， 即n＜n0。若二者相等，转子就没有切 割磁力线作用，转矩也就消失了，因 此转子不可能以n0的转速正常运行。 ② B: S=SN、T＝TN、n＝nN 额定工作点。负载转矩增加时，电 动机转速要降低，但对应的电磁转矩却要增加，因为 B点附近比较平坦，所以电动机的转速变化不大。这种特征称为硬的机械特性。 第三节 三相异步电动机的调速 B TN SN nN A 1 T S 0 ③ C: S=Sc、T＝Tmax、n＝nc 临界点，又称拐点。 在机械特性 曲线上，负载转矩T有最大值Tmax，称 为最大转矩或临界转矩。表征电机带 动最大负载的能力。此时对应的转差 率为 Sc，称为临界转差率， nc称为临 界转速。 从曲线上可见：负载转矩超过最大 转矩时，电动机转速急剧下降，电动机 将停止转动——形成堵转，此时，若电 源未被撤除，电机定子绕组中的电流立即上升6～7倍，电动机严重过热！以至烧坏。从另一方面考虑，若在很短时间内过载，在电动机尚未过热就恢复达到正常状态，未损坏电动机是允许的。因此，最大转矩也表示电动机具有短时间的过载能力。 第三节 三相异步电动机的调速 Tmax Sc nc C 1 T S 0 B A 一般三相异步电动机的过载系数λ1.8～2.2。 ④ D: S=1、T＝TST、n＝0 启动点。 Tst 体现了电动机带载 起动的能力，一般三相异步电机的启 动能力 K约为1.0～2.2。 起动转距过小，带负载的起动能 力差，就不能在满载下起动； 只有Tst >TN，电机方能起动，否 则不能起动； 起动转距过大，会使传动机构受 到冲击而损坏。 中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 ~ 7 倍。 第三节 三相异步电动机的调速 D TST 1 T S 0 C B A 第三节 三相异步电动机的调速 ⑴ 转矩与电功率的关系： 5. 几个重要特性 ⑵ 最大转矩与电源电压的关系： ⑶ 启动转矩与电源电压的关系： ⑷ 自适应负载能力： 指电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整的能力。 TST∝U12 ； TST与转子电阻R2有关。 TmaxU12，且与转子电阻R2 无关，而 R2 越大 sc也越大。 第三节 三相异步电动机的调速 ⑸ 转差率与转矩的关系： 当电源频率 f 、极对数 p 不变，负载转矩 T 恒定的条件下，电机工作点的转差率只与转子回路电阻的大小有关： R'2 增大，S 增大，由转速公式可知：1－S 减小，n 降低，从而达到调速目的。 第三节 三相异步电动机的调速 三、交流电机调速分类 由上公式可知： 三相异步电动 机电气调速 改变同步转速调速 改变转差 率调速 改变电动机绕组的极对数(只适于鼠笼式) 改变电源频率 降压调速 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 二、交流电机调速原理 从三相异步电动机的转速公式 可以看到电机转速：与电源频率f1有关；与电机磁极对数p有关；与转差率s有关。 第三节 三相异步电动机的调速 四、调速方法与特点 1. 变极调速 ⑴ 原理 由电机原理、转速公式可知： ① 通过改变电动机定子绕组的接线，改变电动机的磁极对数； ② 转速与磁极对数成反比。 ⑵ 分类 三速 2Y/2Y/2Y、 2Δ/2Δ/2Y、 2Δ/2Y/2Y 双速 2Y/Δ、2Y/Y 四速 与绕组结构、控制要求有关。 鼠笼电机 单绕组 双绕组 四速 Δ/2Y/Δ/2Y 三速 Δ/Y/2Y 双速 Y/Δ、Y/Y 第三节 三相异步电动机的调速 ⑶ 控制电路 ① 双速电机调速 ⅰ △-YY恒功率调速 ⅱ Y-YY恒转矩调速 第三节 三相异步电动机的调速 ② 双速电机调速（一） ⅰ 电路 简介 KM1主触点 构成△接的低速 接法； KM2与KM3 用于将U1、V1、 W1端短接，并在U2、V2、W2 端 通入三相交流电 源，构成YY接的 高速接法。 第三节 三相异步电动机的调速 ⅱ 控制实现 此电路中，采用按钮、接触器，实现Δ-YY 变速起动和运行： 按钮SB1实 现低速起动和运行；按钮 SB2， 使 KM2、KM3 线圈通电自锁， 用于实现 YY 变 速起动和运行。 第三节 三相异步电动机的调速 本电路中，采用转 换开关 SA ，手动控制实 现Δ-YY 变 速起动和运 行。 双速电机调速（二） 第三节 三相异步电动机的调速 ③ 三速电机调速 三速电机定子有2套绕组，1套可作为△接法和YY接法的双速绕组，另1套为Y型接法的中速绕组。 第三节 三相异步电动机的调速 SB1用于KM1的起停控制 SB2用于KM2的起停控制 SB3用于KM3和KM4的起停控制。 Δ低速 Y中速 YY高速 第三节 三相异步电动机的调速 ⑷ 特点 ① 设备简单，特性较硬，运行平稳。调速范围：空载转速n0以下。属于有级调速； ② 适用于起货机、锚机等设备， 国产常为△-YY (4/2p恒功率)；国外常为 Y-YY（ 4/2p恒转矩）。 ③ 特性曲线 ① 当电源电压降低时起动转矩会减小； ② 当适当增加转子绕组的电阻会使起动转矩有所增加。 ⑵ 方法 ① 鼠笼式异步电机降压调速； ② 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速； ③ 滑差电机。 第三节 三相异步电动机的调速 2. 改变滑(转)差率调速 ⑴ 原理 可知： 根据前述的电机重要公式 第三节 三相异步电动机的调速 ⑶ 特点分析 ① 降压调速 ⅰ 原理：降压调速属于改变转差 率调速。因为降低定子电压U，n0 和 临界转差率Sm=R2/X20不变，但Tmax∝ U2减小。对于恒转矩型负载，T减小， 则n减小，从而达到调速目的。 ⅱ 特点：这种方法对于恒转矩型 负载调速范围很小，而对于通风机型 负载，调速范围则比较大。 一般用于带通风机型负载的电动机。 T2 Tst Tm Tst Tm Tst Tm U U' U" UN ＜ ＜ T O n n0 第三节 三相异步电动机的调速 ② 绕线式转子串电阻调速 ⅰ原理：转子串电阻调速 属于改变转差率调速。因为 转子电路外串联电阻RS后， n0和Tmax不变，而临界转差 率Sc随RS而变化，RS↓→Sc↑ 机械特性越软，转速越低。 ⅱ特点：这种调速方法简 单，能够满足一般多级调速 要求，属有级调速（转速只 能逐档变化），调速和起动电阻可共用。常用于要求起动转矩较大的生产机械上，如起重、卷扬等设备。 T2 Tst Tmax Tst Tst Tst Rs  n T O n n0 Sc  第三节 三相异步电动机的调速 ③ 滑差电机调速 滑差电机，又称电磁调速电动机。具有测速负反馈环节的交流无级调速驱动装置，能在比较宽广的转速范围内进行平滑的无级调速。 ⅰ 组成: 由Y系列三相异步电动机、涡流离合器、测速发电机、控制器等组成. 外形见产品图。 第三节 三相异步电动机的调速 ⅱ 原理： 异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。 滑差离合器是一种电 磁的机械传动耦合器，通 常由主动和从动两个部分 构成，通过电刷与直流电 源联接，调节励磁电流的 大小，即可改变磁极的磁 场强度，于是改变从动部 分的转速。      滑差离合器调速所产 生的损耗功率以热能形式消耗在滑差离合器内部。 1-原动机 2-工作气隙 3-主轴 4-输出轴 5-磁极 6-电枢 第三节 三相异步电动机的调速 ⅲ 特点： 交流无级调速，机械特性硬度较高； 结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉； 调速范围大，一般可达10 :1，有特殊要求(如轮转机)时亦可达50 :1； 可调节转矩。 励磁电源一般为单相可控硅整流，控制功率较小，一般在100ＫＷ以下。 由于摩擦和剩磁的存在，当负载转矩小于10%额定转矩时就可能失控。 没有制动力矩，只能单向运行。 ⅳ 调速特性 第三节 三相异步电动机的调速 当负载一定时，励磁电流 If 的大小决定从 动部分转速的高低，励磁电流愈大，转速愈高；反之，励磁电流愈小，转速就愈低。根据这一 特性，可以利用电气控制电路非常方便地调节 从动部分的转速。 当励磁电流一定时，从动部分转速将随着负载转矩增加而急剧降低，并且这种下降在弱励磁电流的情况下更加严重，它具有较软的机械特性，这种软的机械特性在许多情况下，不能满足生产机械的要求。为了获得范围较广，平滑而稳定的的调速特性，通常采用速度负反馈的措施，使电磁滑差离合器具有较硬的机械特性。 整流器 逆变器 - + 整流器先将50Hz的交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。 M 3～ f可变 3～ 50Hz VVV f 变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。 第三节 三相异步电动机的调速 3. 变频调速 第三节 三相异步电动机的调速 ⑴ 原理 变频调速属于改变同步转速。 根据n0=60f1/p及n =(1-s)60f1/p可知: 改变频率f1，同步转速 n0 改变，转子转速 n 也改变，机械特性也变。 ⑵ 目的 主要是节能调速和工艺调速。 ① 节能调速 用于具有平方转矩负载特性的风机、泵类机构的转速控制，其变频调速控制方式比传统的用风门或阀门调节方式节约能量30%～40%; ② 工艺调速 是根据生产工艺要求进行调速，它能够实现电机软起动，减少对电网的冲击；能提高系统控制精度和生产效率；可扩大调速范围，提高电机的转速和电压。 第三节 三相异步电动机的调速 ⑶ 特点分析 无级调速(类似直流调速)； 特性硬度不变，转速平稳； 变频器较贵，初次投资较大。 ⑷ 方法 采用变频器。 ⑸ 调速特性 Tmax Tf 恒转矩调速区 恒功率调速区 第三节 三相异步电动机的调速 五、调速方法小结 ⑴ 改变极对数调速     ① 优点 ⅰ 无附加转差损耗，效率高； ⅱ 控制电路简单，易维修，价格低； ⅲ 与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调 速。     ② 缺点 ⅰ 有级调速，不能实现无级平滑的调速； ⅱ 由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2～3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。 第三节 三相异步电动机的调速 ① 定子调压调速   ⅰ 优点： 线路简单，装置体积小，价格便宜，使用、维修方便。   ⅱ 缺点： 调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较 低；调速范围比较小；要求采用高转差电机，比如特殊 设计的力矩电机，所以特性较软，适用于 55kW 以下的 异步电动机。 ② 电磁转差离合器调速   ⅰ 优点： 结构简单，控制装置容量小，价值便宜；运行可靠，维 修容易；无谐波干扰。   ⅱ 缺点： 速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以 输出轴的最高转速仅为电机同步转速的80％～90％；调 速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。 ⑵ 改变滑差率调速 第三节 三相异步电动机的调速   ⑶ 变频调速 ① 优点 ⅰ 无附加转差损耗，效率高，调速范围宽； ⅱ 对于低负载运行时间较长，或起、停较频繁的场合，可以达 到节电和保护电机的目的。 ② 缺点 技术较复杂，价格较高。 ③ 转子串电阻调速 ⅰ 优点： 技术要求较低，易于掌握；设备费用低；无电磁谐波 干扰。   ⅱ 缺点： 串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无 级调速，则维护、保养要求较高；调速过程中附加的 转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率 低；调速范围不大。 第三节 三相异步电动机的调速 六、变频器 (Variable Voltage Variable Frequency Inverter VVVF)简介 ⑴ 特点 ① 无需任何附加机械装置，专用于普通交流电机实现无级调 速的自动控制装置； ② 自身不受电源频率影响，启动电流小，容量可达MW级； ③ 高效节能、线路简单。使用方便； ④ 性价比优于同容量直流调速装置； ⑤ 低频区(＜5Hz)调速效果差，对交流机而言，无影响； ⑥ 电机可高速、小型化。 第三节 三相异步电动机的调速 ⑵ 分类 ① 按用途分类 通用型 适于一般工业设备的变频调速与节能控制； 专用型 特定控制对象的拖动与调速。 ② 按容量分类 中小容量 输出电压400V左右，容量在500KVA以下； 大容量 输出电压600V以上，容量在8500KVA以下。 ③ 按变频方式分类 交–交变频 将固频交流电直接变为频率可调的 交流电； 交–直–交变频 将固频交流电整流后再变为频率 可调的交流电。 ④ 按主回路方式分类 电压型 输出电压的频率可调，电压幅值不变； 电流型 输出电流的频率可调，电流幅值不变。 ⑤ 按变频控制实现方式分类 PAM 型 脉冲调幅式； PWM型 脉宽调制式。 第三节 三相异步电动机的调速 ⑶ VVVF调速控制方式 ① V/F控制 异步电机转速与定子电源频率ｆ和极对数 p 有关，改变ｆ 就可平滑地调节同步转速。但 f 上升或下降可能会引起磁路饱和 转矩不足，但由于电机最大转矩Tmax∝(U1/f)2,所以在改变 f 的 同时，需调节定子电压。使气隙磁通维持不变、U1/f为常数，电 机效率不下降。 V/F控制简单，通用性优良，调速范围1:10 。但因是开环控制，调速精度低、范围小，过流能力低，10Hz以下调速有困难。 只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合，如风机、泵机控制、流水线上的工作台转动。 第三节 三相异步电动机的调速 ② 转差频率控制 由电机学基础知识可知。异步电动机转矩Ｍ与气隙磁通Φ、转差频率 f2 的关系为：Ｍ∝Φf2 只要保持气隙磁通Φ一定，控 制转差频率 f2 就能控制电机转矩。 转差频率控制较 V/F 控制复杂，控制精度、过电流能力较 V/F控制有所提高，调速范围1:20，低频区调速有困难。但由于 维持磁通 Φ 和转矩恒定的基本关系式是从稳态机械特性上推导 出来的，没有考虑电机电磁惯性的影响，所以动态转矩仍没得 到控制，动态响应效果仍不理想。只适用于要求一般的同步运 转及精度定位的场合。 第三节 三相异步电动机的调速 ③ 矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律， 将定子电流分解成相应于直流电机的电枢电流分量和励磁电流分量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得 和直流电机一样的优良性能，调速范围 1 : 100以上，它适用于要 求快速响应或对起动、制动有严格要求或替代直流机的场合。 ④ 直接转矩控制 直接转矩控制(DTC)的变频调速是目前正在发展的调速方式，它无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，直接由定子空 间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量。DTC能够 用开环方式对转速和转矩进行控制，它的 PWM 波形直接由转矩 决定，其控制性能比PWM磁通矢量控制方式更优越。 第三节 三相异步电动机的调速 ⑷ VVVF应用范围 ① 节能 主要针对具有负平方转矩负载特性设备的拖动电机。因为，这 类负载的特点是： T∝n2 P ∝ n3 = P ∝(n2/n1)3 可见： 当电机完全启动，正常运行后，只需要一小部分维持功率即可。此时，变频器从电网中取用的功率也将会下降。 Pvvvf =PM/ηvvvf ηM ② 提高工效、产品质量、设备自动化 在大批量、需连续作业的生产流水线进行诸如脱水、干燥、烘烤、压延、拉伸等作业要求的控制、联动无级调速等。 第三节 三相异步电动机的调速 ③ 提高可靠性、舒适性 以全面提高系统运行的安全性、可靠性或以提供舒适性为主要目标，针对能源、交通以及如电梯、空调等特种或专业设备设施上的应用。 $$