交流电动机的电力拖动.ppt

项目六交流电动机的电力拖动,任务一三相感应电动机的机械特性任务二三相感应电动机的起动任务三三相感应电动机的制动任务四三相感应电动机的调速任务五电磁调速感应电动机与直线电动机任务六单相感应电动机*任务七同步电动机,,任务一三相感应电动机的机械特性,6.1.1固有机械特性的分析三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定子、转子外接电阻为零时，n与Tem的关系。对于一感应电动机，式5.5.14中除了s相当于n和Tem是变量外，其余均为定值，这样就可绘制出感应电动机的固有机械特性，如图6.1.1所示。因为式5.5.14是个二次方程，故在某一转差率sm时，转矩有一最大值Tm，sm称为临界转差率。整个机械特性可由两部分组成,,1HP部分转矩由0至Tm，转差率由0至sm。在这一部分，随着转矩T的增加，转速降低，根据电力拖动系统稳定运行的条件，称这部分为可靠稳定运行部分或称为工作部分电动机基本上工作在这一部分。感应电动机的机械特性的工作部分接近于一条直线，只是在转矩接近于最大值时弯曲较大。故一般在额定转矩以内，感应电动机的机械特性曲线可看作直线。,,2PA部分转矩由Tm至Tst，转差率由sm至1。在这一部分，随着转矩的减小，转速也减小，特性曲线为一曲线，称为机械特性的曲线部分。只有当电动机带动通风机负载时，才能在这一部分稳定运行；而对恒转矩负载或恒功率负载，在这一部分不能稳定运行，因此有时候也称这一部分为非工作部分。为了进一步描述机械特性的特点，下面着重研究几个反映电动机工作情况的特殊点。,,图6.1.1感应电动机的固有机械特性,,1．理想空载点H在理想空载点H，nn1，s0，电磁转矩Tem0，转子电流I20，定子电流I1＝I0。2．最大转矩点P在最大转矩pull－outtorque点P，ssm，TemTm。为了求得Tm的值，可以将下式,（6.1.1）,,对s求导，令，求得产生最大转矩Tm时的转差率,6.1.2,将式6.1.2代入式6.1.1，即可求得最大转矩,（6.1.3）,式中正号对应于电动运行状态，负号对应于发电运行状态。,,通常，故式（6.1.2）和式（6.1.3）可以近似为,（6.1.4）,（6.1.5）,,由式6.1.2和式6.1.3可得如下几点重要结论（1）感应电动机的临界转差率仅与电动机本身的参数有关，而与电源电压无关。（2）感应电动机的最大转矩与转子电阻无关，但产生最大转矩时的转差率即临界转差率与转子电阻成正比。因此，改变转子电阻的大小，可以改变产生最大转矩时的转差率。也就是说，选择不同的转子电阻值，可以在某一特定的转速时使电动机产生的转矩为最大，这一性质对于绕线转子感应电动机具有特别重要的意义。,,Tm是感应电动机可能产生的最大转矩。如果负载转矩大于最大转矩，则电动机将因为承载过大而停转。为了保证电动机不会因短时过载而停转，一般电动机都具有一定的过载能力。过载能力用最大转矩Tm与额定转矩TN之比表示，即,（6.1.6）,一般感应电动机的过载能力λm＝1.6～2.2，这是感应电动机一个很重要的参数，它反映了电动机短时过载的极限。,,3．起动转矩点A在起动转矩点A，n0，s＝1，电磁转矩Tem＝Tst。Tst称为起动转矩startingtorque因此时n0，转子不动，故也称为堵转转矩，它是感应电动机接到电源开始起动瞬间的电磁转矩。将s＝1代入式6.1.1，即可求得,（6.1.7）,,由上式可知，起动转矩仅与电动机本身的参数和电源有关，而与电动机所带的负载无关。对于绕线转子电动机，若在一定范围内增大转子电阻转子电路串接电阻，可以增大起动转矩，改善起动性能；而对于笼形转子感应电动机，其转子电阻不能用串接电阻的方法改变，这时Tst与TN之比称为起动转矩倍数Kst，即,6.1.8,Kst是笼形感应电动机的一个重要参数，它反映了电动机的起动能力。显然只有当Tst大于负载转矩时，电动机才能起动；而当要求满载起动时，Kst必须大于1。,,6.1.2人为机械特性的分析,1．降低定子电压时的人为机械特性,当定子电压U1降低时，由式6.1.2和（6.1.3）可见，电动机的电磁转矩包括最大转矩Tm，和起动转矩Tst将与U2成正比的降低，但产生最大转矩的临界转差率Sm因与电压无关，保持不变；由于电动机的同步转速n1也与电压无关，因此同步点也不变。可见降低定子电压的人为机械特性为一组通过同步点的曲线族。图（6.1.2）绘出U1＝UN的固有特性曲线和U1＝0.8UN及U1＝0.5UN时的人为机械特性。,,由图可见，当电动机在某一负载下运行时，若降低电压，则电动机转速降低，转差率增大，转子电流将因此而增大，从而引起定子电流的增大。若电动机电流超过额定值，则电动机最终温升将超过容许值，导致电动机寿命缩短，甚至使电动机烧坏。如果电压降低过多，致使最大转矩Tm小于总的负载转矩，则会发生电动机停转事故。,,图6.1.2感应电动机定子降压时的人为机械特性,,2．转子串接对称电阻时的人为机械特性在绕线转子感应电动机转子电路内，三相分别串接大小相等的电阻Rs。由前面的分析可知，此时电动机的同步转速n1不变，最大转矩Tm不变，而临界转差率sm则随Rs的增大而增大，人为特性为一组通过同步点的曲线族，如图6.1.3所示。显然在一定范围内增加转子电阻可以增大电动机的起动转矩Tst。如果串接某一数值的电阻后使Tst＝Tm，这时若再增大转子电阻，起动转矩将开始减小。,,图6.1.3感应电动机转子串电阻时的机械特性,,6.1.3机械特性的实用表达式用电动机参数表示的机械特性曲线方程清楚地表达了转矩、转差率与电动机参数之间的关系。但是电动机定子和转子参数在电动机的产品目录或铭牌上是查不到的。因此，对于某一台具体电动机，要利用参数表达式来绘制它的机械特性并进行分析计算是很不方便的，于是人们希望能利用电动机的一些技术数据和额定数据来绘制机械特性，也就是通过机械特性的实用表达式（practicalexpression）确定相应的参数。机械特性的实用表达式的推导过程如下,,在式6.1.1中，由于，故,（6.1.9）,由式6.1.4、式（6.1.5）和式6.1.9可得,（6.1.10）,这就是机械特性的实用表达式。只要知道Tm和sm，就可以求出Tem和s的关系，即可绘出电动机的固有机械特性曲线。,,由式（6.1.6）得,（6.1.11）,式中,在式（6.1.10）中，当ssN时，TemTN,得,（6.1.12）,,解得,（6.1.13）,,,项目二三相感应电动机的起动,6.2.1三相笼形转子感应电动机的起动三相笼形转子感应电动机有直接起动与降压起动两种方法。1．直接起动直接起动（startingdirectly）也称全压起动，起动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上。这是一种最简单的起动方法，不需要复杂的起动设备，但是，它的起动性能不能满足实际要求，这是因为,,1起动电流Ist大，对于普通笼形感应电动机，一般可达额定电流的4～7倍。起动电流大的原因是起动时，n0，s1，转子感应电动势很大，因此转子电流很大，根据磁通势平衡关系，定子电流也必然很大。,,2起动转矩Tst不大，对于普通笼形感应电动机，起动转矩倍数KstTst／TN0.9～1.3。首先，起动时的转差率s1远大于正常运行时的转差率s0.01～0.06，起动时转子电路的功率因数角很大，转子的功率因数cosφ2很低一般只有0.3左右，因此起动时虽然I2大，但其有功分量I2′cosφ2并不大，所以起动转矩不大。其次，由于起动电流大，定子绕组漏抗压降大，使定子绕组感应电动势E1减小，导致对应的气隙磁通量Φ减小起动瞬间约为额定值的一半，这是造成起动转矩不大的另一个原因。,,通过以上分析可知，笼形感应电动机直接起动时，起动电流大，而起动转矩不大，这样的起动性能是不理想的。过大的起动电流对电网电压的波动及电动机本身均会带来不利影响。因此，直接起动一般只在小容量电动机中使用，一般电网7.5kW以下的电动机可采用直接起动。若电动机的起动电流倍数ki、容量与电网容量满足下列经验公式,（6.2.1）,则电动机可直接起动，否则应采用降压起动。,,2．降压起动降压起动reducingvoltagestarting的目的是限制起动电流，通过起动设备使定子绕组承受的电压小于额定电压，减小起动电流，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。,,电阻降压或电抗降压起动reactorstarting,图6.2.1所示为电阻降压起动的原理图。起动时，先将转换开关S2投向“起动”侧，然后合上主开关S1进行起动。此时较大的起动电流在起动电阻或电抗上产生了较大的电压降，从而降低了加到定子绕组上的电压，起到了限制起动电流的作用。当转速升高到一定数值时，把S2切换到“运行”侧，切除起动电阻或电抗，电动机在全压下进入稳定运行。若起动瞬时加在定子绕组上的电压为U1′，则起动电流为,（6.2.2）,,因此起动转矩为,（6.2.3）,设全压UN起动时起动电流为Ist，起动转矩为Tst，串入电阻后定子电压为U1′，这时的起动电流为Ist′，设,（6.2.4）,,根据Ist∝U1，Tst∝U12可得,（6.2.5）,（6.2.6）,电阻降压起动时耗能较大，因此一般仅用于较小容量的电动机，容量较大的电动机多采用电抗降压起动。由于电阻降压或电抗降压起动时能量损耗较多，故目前已被其它方法所代替。,,图6.2.1电阻降压起动的原理图,,2自耦变压器起动autotranserstarting这种起动方法利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压以减小起动电流，图6.2.2为自耦变压器起动的原理图。起动时开关投向“起动”位置，这时自耦变压器的一次绕组加全电压，降压后的二次电压加在定子绕组上，电动机降压起动。当电动机转速接近稳定值时，把开关投向“运行”位置，自耦变压器被切除，电动机全压运行，起动过程结束。设自耦变压器的电压比为k，则,（6.2.7）,,图6.2.2自耦变压器起动原理图,,起动时，电动机所承受的电压为U1′UN/k。全压起动时的起动电流为Ist，全压起动时的起动转矩为Tst。通过自耦变压器把电压降低到U1′后再加到电动机定子绕组上，以达到减小起动电流的目的，此时，电动机定子绕组上流过的电流为I1st′。直接起动时的起动电流为,（6.2.8）,,通过自耦变压器降压后电动机定子绕组上流过的电流为,（6.2.9）,经自耦变压器降压后，起动电流（自耦变压器一次侧电流）为,（6.2.10）,,直接起动转矩Tst与自耦变压器降压后的起动转矩的关系为,（6.2.11）,即,（6.2.12）,由式6.2.10、式6.2.12可知电网提供的起动电流减小倍数和起动转矩减小倍数均为1/k2。,,自耦变压器降压起动适用于较大容量的电动机。起动用变压器有QJ2和QJ3两个系列。QJ2系列的抽头电压比为55％、64％、63％，QJ3系列的抽头电压比为40％、60％、80％。,,3Y-D降压起动Y-D降压起动，即星形-三角形降压起动，只适用于正常运行时定子绕组为三角形连接的电动机，其起动原理图如图6.2.3所示。起动时先将开关投向“起动”侧，将定子绕组接成星形，然后闭合开关S1进行起动。此时，定子每相绕组电压为额定电压的，从而实现了降压起动。待转速上升至一定数值时，将开关投向“运行”侧，恢复定子绕组为三角形连接，使电动机在全压下运行。,,图6.2.3Y－D降压起动原理图,,设电动机额定电压为UN，每相漏阻抗为Zk，由简化等效电路可得Y连接时的起动电流为,6.2.13,D连接时的起动电流线电流即直接起动电流为,（6.2.14）,,于是得到起动电流减小的倍数为,（6.2.15）,即,（6.2.16）,根据，可得起动转矩的倍数为,（6.2.17）,,即,（6.2.18）,可见，Y-D降压起动时，起动电流和起动转矩都降为直接起动时的1/3。Y-D降压起动操作方便，起动设备简单，应用较为广泛。但它仅适用于正常运行时定子绕组作三角形连接的电动机，因此一般用途的小型感应电动机，当容量大于4kW时，定子绕组都采用三角形连接。由于起动转矩为直接起动时的1/3，因而这种起动方法多用于空载或轻载起动。,,6.2.2深槽式及双笼形感应电动机,1．深槽式感应电动机深槽式感应电动机deepbarinductionmotor的转子槽形深而窄，通常槽深与槽宽之比为10～12或以上。当转子导条中流过电流时，漏磁通的分布如图6.2.4a所示。由图可见，与导条底部相交链的漏磁通比槽口部分相交链的漏磁通多得多，因此若将导条看成是由若干个沿槽高划分的小导体小薄片并联而成，则越靠近槽底的小导体具有越大的漏电抗，而越接近槽口部分的小导体的漏电抗越小。,,当电动机起动时，由于转子电流的频率较高，转子导条的漏电抗较大，因而各小导体中电流的分配将主要决定于漏电抗，漏电抗越大则电流越小。这样在由气隙主磁通所感应的相同电动势的作用下，导条中靠近槽底处的电流密度将很小，越靠近槽口则越大，因此沿槽高的电流密度分布如图6.2.4b所示，这种现象称为电流的集肤效应。由于电流好像被挤到槽口处，因而又称挤流效应。集肤效应的效果相当于减小了导条的高度和截面（参见图6.2.4c），增大了转子电阻，从而满足了起动的要求。,,图6.2.4深槽式转子导体中电流的集肤效应,,当起动完毕，电动机正常运行时，由于转子电流频率很低，一般为1～3Hz，转子导条的漏电抗比转子电阻小得多，因而前述各小导体中电流的分配将主要决定于电阻。由于各小导体电阻相等，导条中的电流将均匀分布，集肤效应基本消失，因而转子导条电阻恢复减小为自身的直流电阻。可见，正常运行时，深槽式感应电动机的转子电阻能自动变小，从而满足了减小转子铜损、提高电动机效率的要求。,,2．双笼形感应电动机双笼形感应电动机doublesquirrelcageinductionmotor的转子上有两套笼，即上笼和下笼，如图6.2.5a所示。上笼导条截面积较小，并用黄铜或铝青铜等电阻系数较大的材料制成，电阻较大；下笼导条的截面积较大，并用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。双笼形电动机也常用铸铝转子，如图6.2.5b所示。显然下笼交链的漏磁通要比上笼多得多，因此下笼的漏电抗也比上笼大得多。,,图6.2.5双笼形转子感应电动机转子槽形,,起动时，转子电流频率较高，转子漏电抗大于电阻，上、下笼的电流分配主要决定于漏电抗。由于下笼的漏电抗比上笼的大得多，电流主要从上笼流过，因而起动时上笼起主要作用。由于上笼的电阻较大，可以产生较大的起动转矩，限制起动电流，因而常把上笼称为起动笼。正常运行时，转子电流频率很低，转子漏电抗远比电阻小，上、下笼的电流分配决定于电阻，于是电流大部分从电阻较小的下笼流过，产生正常运行时的电磁转矩，因此把下笼称为运行笼。,,双笼形感应电动机的机械特性曲线可以看成是上、下笼两条特性曲线的合成，改变上、下笼的参数就可以得到不同的机械特性曲线，以满足不同的负载要求，这是双笼形感应电动机的一个突出优点。双笼形感应电动机的起动性能比深槽式感应电动机好，但深槽式感应电动机结构简单，制造成本较低。它们的共同缺点是转子漏电抗较普通笼形电动机大，因此功率因数和过载能力都比普通笼形电动机低。,,6.2.3绕线转子感应电动机的起动,1．转子串电阻起动为了在整个起动过程中得到较大的加速转矩，并使起动过程比较平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻。起动时，随着转速的升高，逐段切除起动电阻，称为串电阻分级起动。图6.2.6所示为三相绕线转子感应电动机转子串接对称电阻分级起动的接线图和对应的三级起动时的机械特性。,,图6.2.6转子串电阻起动a接线图；b机械特性,,1起动过程见图6.2.6a起动开始时，接触器触点闭合，S1、S2、S3断开，起动电阻全部串入转子回路中，转子每相电阻为，对应的机械特性如图6.2.6b中曲线R3。起动瞬间，转速n0，电磁转矩T1称为最大加速转矩，因T1大于负载转矩TL，于是电动机从a点沿曲线R3开始加速。随着n上升，Tem逐渐减小，当减小到T2时对应于b点，触点S3闭合，切除，切换电阻时的转矩值T2称为切换转矩。切除后，转子每相电阻变为，对应的机械特性变为曲线R2。,,切换瞬间，转速n不突变，电动机的运行点由b点跃变到c点，Tem由T2跃升为T1。此后，n，Tem沿曲线R2变化，待Tem又减小到T2时对应d点，触点S2闭合，切除。此后转子每相电阻变为，电动机运行点由d点跃变到e点，工作点n、Tem沿曲线R1变化。最后在ƒ点触点S1闭合，切除，转子绕组直接短路，电动机运行点由ƒ点变到g点后沿固有特性加速到负载点h稳定运行，起动结束。在起动过程中，一般取最大加速转矩T10.6～0.85Tm,切换转矩T21.1～1.2TN,,2．起动电阻的计算起动电阻的计算可以采用图解法和解析法，这里只介绍解析法。由图6.2.6b可知，分级起动时，电动机的运行点在每条机械特性的线性段0s0，n-nDn1时，转差率s0，电磁转矩TBn1′，故电机处于回馈制动状态。工作点沿曲线2的B点到n1′点这一段变化过程为回馈制动过程，在此过程中，电机吸收系统释放的动能，并转换成电能回馈到电网。电机沿曲线2的n1′点到C点的变化过程为电动状态的减速过程，C点为调速后的稳态工作点。,,,项目四三相感应电动机的调速,6.4.1降电压调速三相感应电动机降低电源电压，其同步转速n1不变、电磁转矩Tem∝U12。若电动机拖动恒转矩负载，降低电源电压可以降低转速。如图6.4.1a所示，A点为固有机械特性上的运行点，B点为降低电压后的运行点，分别对应的转速为nA与nB，可见，nBnA。降压调速方法比较简单，但是，对于一般的鼠笼式感应电动机，降压调速范围很窄，没有多大实用价值。,,6.4.1感应电动机降压调速,,6.4.2绕线式感应电动机转子回路串电阻调速我们知道，改变转子回路串入的电阻值大小，例如转子绕组本身电阻为r2，分别串入电阻RSl、RS2、RS3时，其机械特性如图6.4.2所示。当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即TL＝TN，电动机的转差率由SN分别变为S1、S2、S3，图6.4.2。显然，所串入电阻越大，转速越低。若电机拖动恒转矩负载，则，电机稳定运行时TemTLC转子串电阻前的电磁转矩了为,（6.4.2）,,6.4.2绕线式感应电动机转子串电阻调速,,转子串电阻后的电磁转矩了为,（6.4.3）,当电源电压一定时，由于拖动恒转矩负载，，对比式（6.4.2）和（6.4.3）可得,,转子电流为,（6.4.4）,式中I′2转子串电阻前的转子电流，I′2S转子串电阻后的转子电流，RS是转子回路所串联的电阻。转子串电阻调速时，I2C。即转子电流I2可以维持不变。同理可得转子回路串电阻调速时,,这种调速方法的调速范围不大，一般为2～31。负载小时，调速范围就更小了。由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重；抽头不易，所以调速的平滑性不好，基本上属有级调速。从三相感应电动机的功率关系知道，电磁功率Pem、转子回路总铜损耗pcu2和机械功率Pmec三者之间的关系为,6.4.5,,感应电动机采用降压调速或串电阻调速时，欲扩大调速范围，必须增大转差率S这样一来，将使转子回路总的铜损耗增大，降低了电机的效率。例如，S0.5时，电磁功率中只有一半转换为机械功率输出，其余的一半则损耗在电机转子回路中。转速越低，情况越严重，这种调速方式多用于断续工作的生产机械上，在低速运行的时间不长，且要求调速性能不高的场合，如用于桥式起重机。串电阻调速时，其优点方法简单，初期投资小，调速范围广；缺点串入电阻越大，斜率越大，动态精度差，且转速越低，损耗越大。,,6.4.3笼式三相感应电动机变极调速,1．变极原理定子绕组产生的磁极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式得到的。图6.4.3为三相感应电动机定子绕组接线及产生的磁极数，只画出了A相绕组的情况。每相绕组为两个等效集中线圈正向串联，例如AX绕组为alx1与a2x2头尾串联，如图6.4.3a所示。因此由AX绕组产生的磁极数便是四极，如图6.4.3b所示。可以更直观的看出三相绕组的磁极数为四极的，即为四极感应电动机。,,如果把图6.4.3中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成为两个线圈尾尾串联，即A相绕组AX为alx1与a2x2。反向串联，如图6.4.5a所示。或者，每相绕组两个线圈变成为头尾串联后再并联，即AX为alx1与a2x2反向并联，如图6.4.4b所示。改变后的两种接线方式，A相绕组产生的磁极数都是二极的，如图6.4.4c所示。即为二极感应电动机。,,图6.4.3四极感应电动机定子A相绕组连接原理,,6.4.4二极感应电动机定子A相绕组连接原理图,,从上面分析可以看出，三相鼠笼式感应电动机的定子绕组，若把每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化。因此，同步转速n1也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电动机来讲，运行的转速也接近成倍改变。绕线式感应电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，如果同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调速。,,需要说明的是，为了保证变极调速时电动机的转向不变，变极调速的同时，需要改变绕组的相序或者说是电源的相序；否则，电机将反转。理由很简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势旋转方向不变，也就是A、B、C三相绕组空间电角度依次相差120不变。从表6.4.1列出了空间机械角度与空间电角度之间的关系。显然，改变极对数前的A、B、C三相绕组，在变极后相序变成了A、C、B三相绕组了。,,表6.4.1空间机械角度与空间电角度之间的关系,,2．两种常用的变极接线方式图6.4.5示出了三种常用的变极接线方式的原理图，其中图6.4.5a表示由单星形联结改接成并联的双星形联结；图6.4.5b表示由三角形联结改接成双星形联结。由图可见，这两种接线方式都是使每相的一半绕组内的电流改变了方向，因而定子磁场的极对数减少一半。,,图6.4.5双速电动机变极接线方式,,3．变极调速时的允许输出调速时电动机的允许输出是指在保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。下面对两种接线方式变极调速时的允许输出进行分析。1）Y→YY接线方式设外施电压为UN，绕组每相额定电流为IN，当Y联结时，线电流等于相电流，输出功率和转矩为,（6.4.6）,,改接成YY联结后，极数减少一半，转速增大一倍，即nYY2nY，若保持绕组电流IN不变，则每相电流为2IN，假定改接前后效率和功率因数近似不变，则输出功率和转矩为,6.4.7,可见，Y→YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，允许输出功率增大一倍，而允许输出转矩保持不变，所以这种联结方式的变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。,,2）D-YY联结方式当每相绕组的额定电流为IN时，则三角形D联结时的线电流为，输出功率和转矩为,6.4.8,,改接成YY联结后，极数减少一半，转速增大一倍，即，NYY2nD，线电流为2IN，输出功率和转矩为,6.4.9,可见，D→YY联结方式时，电动机的转速提高一倍，允许输出功率近似不变，允许输出转矩近似减小一半。这种联结方式的变极调速可认为是恒功率调速，它适用于恒功率负载。变极调速时的机械特性如图6.4.6所示。,,图6.4.6变极调速时的机械特性,,变极调速电动机，有倍极比如2／4极、4／8极等双速电动机、非倍极比如4／6极、6／8极等双速电动机，还有单绕组三速电动机，这种电动机的绕组结构复杂一些。变极调速时，转速几乎是成倍变化，所以调速的平滑性差。但它在每个转速等级运转时，和通常的感应电动机一样，具有较硬的机械特性，稳定性较好。变极调速既可用于恒转矩负载，又可用于恒功率负载，所以对于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等都采用多速电动机拖动。,,6.4.4变频调速1．电压随频率调节的规律根据转速公式6.4.1可知，当转差率s变化不大时，感应电动机的转速n基本上与电源频率成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化，其原因可分析如下电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，可以认为,（6.4.10）,,若端电压U1不变，则当频率ƒ1减小时，主磁通Φm将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增大；而当ƒ增大时，Φm将减少，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的运行性能，要求在调节ƒl的同时，改变定子电压U1，以维持Φm不变，或者保持电动机的过载能力不变。U1随ƒ1按什么样规律变化最为合适呢一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想，电动机的过载能力为,（6.4.11）,,在最大转矩公式6.1.3中，当ƒ1较高时，，故可略去r1，又因为，将最大转矩公式代入式6.4.11中可得,（6.4.12）,式中,常数；L1，L′2为定、转子绕组的漏电感。,,为了保持变频前后又不变，要求下式成立,即,（6.4.13）,（6.4.14）,式中加“′”的表示变频后的量。式6.4.14表示变频调速时，U1随的变化规律，此时电动机的过载能力将保持不变。变频调速时，U1与ƒ1的调节规律是和负载性质有关的，通常分为恒转矩变频调速和恒功率变频调速两种情况。,,2．恒转矩变频调速对于恒转矩负载，于是式6.4.14变为,（6.4.15）,在恒转矩负载下，若能保持电压与频率成正比调节，则电动机在调速过程中，既保证了过载能力不变，同时又满足主磁通Φm不变的要求，这也说明变频调速特别适用于恒转矩负载。,,3．恒功率变频调速对于恒功率负载，要求在变频调速时电动机的输出功率保持不变，即,所以,（6.4.16）,（6.4.17）,将式6.4.17代入式6.4.14，得,（常数）,,4．变频调速时电动机的机械特性变频调速时电动机的机械特性可用以下公式来分析。,最大转矩,（6.4.18）,起动转矩,（6.4.19）,临界点转速降,（6.4.20）,,电动机的额定频率ƒN为基准频率，简称基频，在生产实践中，变频调速时电压随频率的调节规律是以基频为分界线的，于是分以下两种情况1在基频以下调速时，保持U1/ƒ1常数，即恒转矩调速。由式6.4.18、6.4.19、6.4.20可知，当ƒ1减小时，最大转矩Tm不变，从式可知，起动转矩Tst增大，临界点转速降不变。因此，机械特性随频率的降低而向下平移，如图6.4.7中虚线所示。实际上，由于定子电阻的存在，随着ƒ1的降低（U1/ƒ1常数，Tm将减小，当ƒ1很低时，Tm减小很多，如图6.4.7中实线所示。为保证电动机在低速时有足够大的Tm值，U1应比ƒ1降低的比例小一些，使U1/ƒ1的值随ƒ1的降低而增加，这样才能获得图6.4.7中虚线所示的机械特性。,,图6.4.7基频向下变频调速时的机械特性,,图6.4.8恒功率与恒转矩变频调速时的机械特性,,6.4.5绕线转子电动机的串级调速在负载转矩不变的条件下，感应电动机的电磁功率PemTemΩ1常数，转子铜损耗与转差率成正比，所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时，转速调得越低，转差功率越大、输出功率越小、效率就越低，所以转子串接电阻调速很不经济。,,图6.4.9串级调速原理,,如果在转子回路中不串接电阻，而是串接一个与转子电动势E2s同频率的附加电动势Ead图6.4.9，通过改变Ead幅值大小和相位，同样也可实现调速。这样，电动机在低速运行时，转子中的转差功率只有小部分被转子绕组本身电阻所消耗，而其余大部分被附加电动势Ead所吸收，利用产生Ead的装置可以把这部分转差功率回馈到电网，使电动机在低速运行时仍具有较高的效率。这种在绕线转子感应电动机转子回路串接附加电动势的调速方法称为串级调速。,,串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。串级调速系统的组成如图6.4.10所示图6.4.10串级调速系统的组成，整流器将转差频率的电势整为直流，再经逆变器将直流变为工频交流，将电能送回电网，获得较高的效率。,,图6.4.10串级调速系统的组成,,逆变器的电压即为加在转子电路中的反电势，控制逆变器的逆变角，可改变逆变器的电压，从而达到调速的目的。串级调速的基本原理分析如下未串接Ead时，转子电流为,（6.4.21）,,当转子串人的电势Ead与E2s反相位时，电动机的转速将下降。因为反相位的Ead串人后，立即引起转子电流I2的减小，即,（6.4.22）,串入的电势Ead值越大，电动机稳定运行的转速越低。,,当转子串人的电势Ead与E2s同相位时，电动机的转速将上升。因为同相位的Ead串入后，转子电流的增大，即,（6.4.23）,串级调速的机械特性如图6.4.11，串级调速时理想空载不再等于同步转速。在这种调速时，若串入的附加电势Ead不是直流电势，是频率，幅值，相位和相序均可调的三相交流电源。且当转子串入的电势Ead与E2s同相位时，相当于附加电势Ead通过转子向电机供电，定、转子均从各自的电源吸收电功率，转变为机械功率，所以这种调速也称为“双馈调速”。,,图6.4.11串级调速时的机械,,,项目五电磁调速感应电动机与直线电动机,6.5.1电磁调速感应电动机电磁调速感应电动机它由笼型感应电动机、电磁滑差离合器、测速发电机和控制装置组成。如图6.5.1所示。电磁调速感应电动机的主要部分是电磁滑差离合器，下面分别介绍其结构和工作原理。,,图6.5.1电磁调速感应电动机,,1．电磁滑差离合器的结构电磁滑差离合器实质上就是一台感应电机。它主要由电枢和磁极两个旋转部分组成。1）电枢它是主动部分，它是由铸钢制成的空心圆柱体，用联轴器与感应电动机的转子相连接，并随感应电动机一起转动。2）磁极磁极由磁极铁心和励磁线圈两部分组成，是从动部分，线圈通过滑环和电刷装置接到直流电源上或晶闸管整流电源上。磁极通过联轴器与机械负载直接连接。电枢和磁极之间在机械上是分开的，各自独立旋转。如图6.5.2所示。,,图6.5.2电磁调速感应电动机原理,,2．电磁滑差离合器的工作原理磁极上的励磁绕组通入直流电流后产生磁场，电磁滑差离合器的电枢由感应电动机带动并以转速n的速度旋转，此时电枢整块钢，可以看成是无限多根鼠笼条并联，电枢因切割磁场而产生涡流类似鼠笼条中的电流，其方向用右手定则确定。此涡流与磁场相互作用使电枢受到电磁力作用，其方向由左手定则确定。根据作用力与反作用力大小相等、方向相反的原理，可确定磁极转子受电磁力的方向，在电磁力的作用下在磁极转子上形成电磁转矩，其方向与电枢旋转方向相同，此时磁极转子便带着机械负载，顺着电枢旋转方向以转速的速度n’旋转，如图6.5.3所示。显然电磁滑差离合器的工作原理与感应电动机的工作原理相同。,,图6.5.3滑差离合器的工作原理,,当负载转矩恒定时，调节励磁电流的大小，就可以平滑地调节机械负载的转速。当增大励磁电流时，磁场增强，电磁转矩增大，转速上升；反之，当减小励磁电流，磁场减弱，电磁转矩减小，转速下降。感应电动机工作，电动机的转速n必须小于同步转速n1，而滑差离合器工作时，磁极转子的转速小于电枢感应电动机的转速，即，若，则电枢与磁极间便无相对运动，就不会在电枢中产生涡流，也就不会产生电磁转矩，当然磁极就不会旋转了。也就是说，电磁滑差离合器必须有滑差才能工作，所以电磁调速感应电动机又称为滑差电动机，其滑差率为,,（6.5.1）,转速为,（6.5.2）,,3．电磁调速感应电动机的优缺点及应用电磁调速感应电动机的优点是①调速范围广，其调速比可为101，而且调速平。滑，可以实现无级调速；②结构简单、运行可靠、维修方便。其缺点是涡流损耗大，低速时，效率较低，电磁调速感应电动机，适合于通风机和泵类负载，与感应电动机降压调速相似，广泛应用于纺织、印染、造纸、船舶、冶金，和电力等工业部门的许多生产机械中。,,6.5.2直线感应电动机,1．工作原理。可设想一种直径很大的感应电动机。如沿气隙圆弧取一端来观察，则感应机转子的运动的轨迹可视为直线运动。这仅是设想，这种直线运动是不可能实现的。实际直线感应电动机应设想为感应电动机在任意半径上切开展成一个平面，就成为一台可作直线运动的感应电动机了，如图6.5.4所示。,,图6.5.4单边型直线感应电动机,,装有三相绕组并与电源相接的一侧成为原边，另一侧称为副边。当原边通入对称三相交流电以后，建立三相交流电合成磁势，产生气隙磁场，此磁场不是旋转的，而是沿A，B，C相序做直线运动的一种磁场，这种磁场称为行波磁场，显然行波磁场的速度与旋转磁场的速度相同均为n1，线速度为,行波磁场切割拉直的转子，将在其中感应电势及电流产生转矩，使转子跟随行波磁场做直线运动，其速度为v，则转速率svS-v/v1。从上述分析可知直线感应电动机的工作原理与旋转电机无本质区别，只是运动方式不同而已。,,2．结构特点因旋转运动是一种周而复始的相对运动，而直线运动是一种有始有终的相对运动，如将直线电动机静止部分与固定部分做的一样长，则移动部件必然离固定部分远去，以致两者失去耦合作用，使移动部件停止运动，所以两者不能一样长，所以固定部件和移动部件做成长短不等。使长的部件有足够长度保证所需行程范围内，原、副边有不变的耦合性。显然采用长副边，短原边成本低（因原边装设绕组），旋转电机定子绕组沿定子铁芯是连续的而直线感应电动机原边是断开的。绕组无法从一端连到另一端，所以必须增加槽数，以嵌放下层边，出现有几个槽只放一层绕组。,,由旋转电机演变成的直线电机仅有一个付边，如上图称为单边型。当原边励磁，产生旋转磁场后，必然会出现纵向磁拉力。这是直线电动机在电磁本质上的一个特点。如用于行车上这种纵向磁拉力可以很好的被利用，它可以抵消一部分负荷重力，而减小前进中的摩擦力，但大多数场合不希望这种拉力存在，如在副边两侧都装上原边，如图6.5.5，则两边磁拉力互相抵消，此种称为双边型。,,图6.5.5双边型直线感应电动机,,3、主要用途直线电动机可用于高速地面运输系统及各种直线传动设备。与用旋转电机拖动相比，省去了由旋转运动变为直线运动的传动装置。主要用途为起重吊车，传送带，门阀，开关自动开闭装置，电动门，铁路上的自动扳道岔的执行器，生产自动线上的机械手，冲床，高速列车。,,,项目六单相感应电动机,6.6.1单相感应电动机的基本结构从结构上看，单相感应电动机的定子铁心与普通三相感应电动机相同。（罩极电机除外）定子上通常装有两个绕组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，单相感应电动机其转子通常为笼型。对于分相的单相感应电动机，一般只在起动时接人起动绕组，当转速达到60％一85％的同步转速时，由离心开关将其从电源自动切除，所以正常工作时只有工作绕组接在电源上运行。但也有一些电容电动机，在运行时也将起动绕组接于电源上，这实质上相当一台两相电机，但由于它接在单相电源上，故仍称为单相感应电动机。,,6.6.2单相感应电动机的工作原理由第4.2节可知，单相交流绕组通入单相交流电流产生脉振磁通势，这个脉振磁通势可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁通势F和F-，从而在气隙中建立正转和反转磁场。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。该电流与磁场相互作用产生正向和反向电磁转矩T和T-，如图6