三相异步电动机调速方式研究

引言

电磁感应定律和电磁力定律是三相异步电动机的工作原理,与直流电机相比,三相异步电动机的优点在于结构简单、价格便宜、维护方便、体积小、重量轻,但是调速性能却不及直流电机,由于交流调速技术尚未发展成熟,直流调速系统占据了主要市场。近年来,随着电力电子器件的更新和控制技术的飞速发展,交流电动机调速技术已经取得了很大进步,其取代传统的直流调速系统的趋势越来越明显。

三相异步电动机转速表达式如下:

由此可知,三相异步电动机有以下三种调速方法:

(l）调整定子极对数p(变极调速）。

(2）调整定子电源频率fl(变频调速）。

(3）调整电动机转差率s(改变定子电压调速、转子回路串电阻调速、电磁转差离合器调速和串级调速）。

1变极调速

变极调速即改变三相异步电动机定子绕组的极对数,是通过改变定子绕组的连接方式完成的。以单相绕组为例,若一相绕组由两个半相绕组l和2组成。当两个半相绕组首尾依次连接,即两个半相绕组正向串联,再通入电流,如图l(a）所示。由右手定则判断,将得到2p=4的磁场分布。如果将两个半相绕组尾尾相接,即将其反向串联再通入电流,如图l(b）所示,将产生2p=2的磁场分布。如果将两个半相绕组首尾两两连接,即两个半相绕组反向并联再通入电流,如图l(c）所示,也产生2p=2的磁场分布。由此可知,改变定子绕组的接法,即可成倍改变定子极对数,同步转速也将成倍改变,故这种调速属于有级调速。

鼠笼式三相异步电动机可通过此方法实现调速,因其转子感应产生的磁极对数能自动与定子磁极对数保持相等。然而绕线式异步电动机转子部分已经绕制好,结构复杂,操作不便。

调速时考虑到不改变转子的旋转方向,当改变极对数时还需调换接至电源的三根导线中任意两根。变极调速的优点在于方法简单、运行稳定、机械特性较硬,缺点是只能实现有级调速。

2变频调速

三相异步电动机的转速

当转差率s变化范围

不大时,电动机转速与电源频率fl可以看做正比关系,因此连续改变电源频率,即可平滑地对转速进行调整。

假设定子绕组的漏抗压降可忽略,加在定子绕组上的电源电压近似等于反电动势El,即:Ul≈El=4.44flKNlNlom。若外加定子电压Ul不变,而fl降低,将使om增加。由于电动机在额定状态下工作时,磁路已接近饱和,这时若再增加磁通,势必使磁路过度饱和,引起定子电流急剧增加。这将使电动机严重发热,还会使电动机的功率因数大幅度降低。而当fl增加时,势必会使om减小,这又会导致电磁转矩下降,电机的利用率下降。因此,在变频调速时,一般均要保持气隙磁通om不变。所以,电源电压Ul应跟随电源频率fl一同改变。

变频调速的优点在于调速范围广,平滑特性较好,变频时电压按不同规律调整后可实现恒转矩调速或恒功率调速,来匹配不同负载的要求:缺点是造价较高,经济性差。

3变转差率调速

3.1转子回路串电阻调速

当电动机带恒转矩负载7=7L运行时,在转子回路中串入附加调速电阻Rs后,转子电流I2'减小,电磁转矩7也相应减小,使7<7L,致使电动机减速,转差率s增大。因而转子电动势sE2'增大,这又使I2'增大,7增大。直至7=7L时,电动机达到新的平衡状态,系统以新的转速稳定运行。

若电动机所带负载是恒转矩负载,那么转子回路串接不同电阻后将运行在不同转速,串接的电阻越大,机械特性就越软,转速越低。故可以改变转子电路的电阻来实现调速的目的。

转子回路串电阻调速特点:属于有级调速,而且级数不能太多,并且还是恒转矩调速。调速范围有限,且调速范围随负载不同而变化,负载越小,调速范围越小,损耗大,效率低。

转子串电阻调速优点有方法简单、初始投资少,多用于那些对调速性能要求较低的起重机类负载。

3.2降低定子电压调速

对于鼠笼型异步电动机拖动恒转矩负载,降压后可降低转速,但转速下降得不多,调速范围很窄。对于风机类负载,可以在机械特性中从0<s<l的部分调节转速,调速范围明显增大。

三相异步电动机的电磁转矩计算方法如下:

为使调速过程中电动机得到充分利用,在调速范围内应使转子电流72'=72N且保持不变,因此

即s与n成正比,该调速方法常用于对调速性能要求不高的风机和泵类负载。

降低定子电压的方法一般有:定子绕组串接饱和电抗器、采用晶闸管调压器及改变定子绕组接线方式(△_y）。

3.3电磁转差离合器调速

电磁转差离合器主要组成部分是电枢与磁极。其中电枢部分和调速异步电动机相连接,随着异步电动机旋转,为主动部分:磁极部分与被拖动的负载连接,为从动部分。磁极上有励磁绕组,可由晶闸管控制装置供给直流电,改变该电流的大小,即可调节离合器的输出转速。电磁转差离合器理想空载转速是异步电动机的转子转速n,而不是同步转速n1。励磁电流7f越大,磁场越强。若转速相同,则转矩s越大:若转矩相同,则转速越高。电磁转差离合器调速结构简单、运行可靠、启动转矩大、控制方便,能实现平滑调速:缺点是机械特性软、相对稳定性较差、自身调速范围很小,较适用于风机和泵类负载调速。

3.4串级调速

在转子回路中串入一个与转子电动势频率相同、相位相同或者相反的外加三相对称附加电动势E'f,如图2所示,改变附加电动势E'f的大小和相位,即可调节电动机的转速。

串级调速的优点在于机械特性较硬、平滑性好、效率高,对大功率电机调速尤为适用,是一种很有前途的调速方法。但这种调速方式运行时过载能力小,设备较复杂。

4结语

本文对三相异步电动机调速方法进行了简单分析,可通过改变极对数、电源频率和转差率来实现对异步电动机转速的调整。其中变极调速是改变磁极对数调节转速,属于有级调速:而变频调速是无级调速。变转差率调速包括转子回路串电阻、降压调速、电磁转差离合器调速和串级调速。绕线式电动机转子回路串电阻调速虽然方法容易,便于实现,但调速是有级的,并且不平滑,转速稳定性较差,效率也不高:串级调速能避免转子回路串电阻调速的缺点,但设备很复杂:降压调速较多应用于风机泵类负载调速。