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2.5 三相笼形异步电动机速度控制
2.5 三相笼形异步电动机速度控制
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2.5.1 三相笼形异步电动机的调速
由异步电动机的转速关系式n=n0(1-s)=60f1(1-s)/p可以看出，异步电动机的调速可分以下三大类：
（1） 变极调速：改变定子绕组的磁极对数p；
（2） 变频调速：改变供电电源的频率f1；
（3） 变转差率调速：改变电动机的转差率方法有绕线式异步电动机转子串电阻调速、串级调速和改变定子电压调速。
1．变极调速
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在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速，若极对数减小一半，同步转速就提高一倍，电动机的转速也几乎升高一倍。
通常用改变定子绕组的接法来改变极对数的电动机称为多速电动机。其转子均采用鼠笼式转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。
绕组变极原理图（2p=4）
图2-45中画出的是4极电机U相绕组中的两个线圈，每个线圈代表U相绕组的一半称为半相绕组。将两个半相绕组顺向头尾串联，根据线圈的电流方向，可以判断出定子绕组产生4极磁场，p=2。
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图2-46 绕组变极原理图（2p=2）
将两个半绕组的连接方式改为图2-46的连接方法，则U相绕组的中的半相绕组a2-x2的电流反向，根据线圈的电流方向，可以判断出定子绕组产生2极磁场，p=1。
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我国多极电动机定子绕组常用的三种连接方式
（a）Y-YY （b）D-YY （c）顺串Y-反串Y
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2．变频调速
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电动机正常运行时，三相异步电动机的每相电压U1≈E1=4.44f1N1kWφ0，若电源电压U1不变，当降低电源频率f1调速时，则磁通φ0将增加，将使铁心过饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电动机温升过高等；而当f1增大时，φ0将减少，电磁转矩及最大转矩减少，电动机的过载能力下降。这些是不允许的。因此在变频调速的同时，为保证磁通φ0不变，就必须改变电源电压，使U1/f1或E1/f1为常数。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调
（1）从基频向下变频调速
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降低电源频率时，必需同时降低电源电压。保持U1/f1为常数，则φ0为常数，这是恒转矩调速方式。降低电源频率f1调速的人为机械特性特点为；同步转速n0与f1成正比，最大转矩Tmax不变，转速降落△n=常数，特性斜率不变（与固有机械特性平行），机械特性较硬，在一定静差率的要求下，调速范围宽，而且稳定性好，由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好，效率较高。
（2）从基频向上调变频调速
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升高电源电压（U1＞UN）是不允许的。因此，升高频率向上调速时，只能保持电压为UN不变，频率越高，磁通φ0越低，这种方法是一种降低磁通的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。保持UN不变升速，近似为恒功率调速方式。
（3）变频电源
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异步电动机变频调速的电源是一种能调压的变频装置。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，所以只有通过变频装置才能获得变压变频电源。目前，多采用由晶闸管元件或自关断的功率晶体管器件组成的变频器。
变频器若按相分类，可以分为单相和三相；若按性能分类，可以分为交—直—交变频器和交—交变频器。
变频器的作用是将直流电源（可由交流经整流获得）变成频率可调的交流电（称为交—直—交变频器）或是将交流电源直接转换成频率可调的交流电（交—交变频器），以供给交流负载作用。
3．改变转差率调速
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改变定子电压调速，转子电路串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济，而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。
（1）改变电源电压调速
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对于转子电阻大、机械特性曲线较软的鼠笼式异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，对于恒转矩负载TL对应于不同的电源U1、U2、U3，可获得不同的工作点a1、a2、a3，如图2-48所示，显然电动机的调速范围很宽。其缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度反馈的闭环控制系统提高低速时机械特性的硬度。
改变电源电压调速这种方法主要应用于专门设计的较大转子电阻的高转差率的鼠笼式异步电动机，靠改变转差率s调速。目前广泛采用晶闸管交流调压线路来实现。
图2-48大转子电阻高转差率异步电动机
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（2）绕线式电动机转子回路串接电阻调速
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从绕线式电动机转子回路串接对称电阻的机械特性图2-49上可以看出，转子串入附加电阻时，n1、Tm不变，但Sm增大，机械特性的斜率增大。若带恒转矩负载，工作点将随着转子回路串联的电阻的增加下移，转差率增加，对应的工作点的转速将随着转子串联电阻的增大而减小。这种调速方法的优点是方法简单，但调速是有级的，转子的铜损耗随着转差率的增加而增加，经济性差。主要用于中小容量的绕线式转子异步电动机，如桥式起重机等。
图2-49 转子串电阻调速的机械特性
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（3）串级调速
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串级调速就是在转子回路中不串接电阻，而是串接一个与转子电动势2S同频率的附加电动势ad，通过改变ad的大小和相位，就可以调节电动机的转速。这种调速方法适用于绕线式异步电动机。串级调速有低同步串级调速和超同步串级调速。低同步串级调速是ad 和2S的相位相反，串入ad后，转速降低了，串入的附加电动势越大，转速降得越多，ad装置从转子回路吸收电能回馈到电网。超同步串级调速是ad 和2S的相位相同，串入ad后，转速升高了，ad装置和电源一起向转子回路输入电能。
2.5.2变极调速控制线路
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变极调速有两种方法：一是改变定子绕组的连接方法，二是在定子上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组。改变定子绕组的连接方法可构成双速电动机 。
双速电动机在绕组的极数改变后，其相序和原来的相反，所以在变极的同时将改变三相绕组的电源的相序，以保持电动机在低速和高速时的转向相同。
双速电动机常用的控制线路有按钮控制电路和按时间原则自动转换的控制线路。
双速电动机的控制主电路图和按钮控制电路
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按时间原则自动转换的控制线路
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2.5.3变频调速及变频器的使用
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1．变频调速
感应式交流电机的旋转速度，
其中 常称为电机理想空载旋转速度，
改变电源频率就可以实现交流电机的调速。
2．变频器调速应用举例
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目前实用化的变频器种类很多，下面以西门子MICROMASTER440为例，简要说明变频器的使用。
（1）控制方式
①线性V／F控制 变频器输出电压与频率为线性关系，用于恒定转矩负载。
②带磁通电流控制（FCC）的线性V／F控制 在这种模式下，变频器根据电动机特性实时计算所需要的输出电压，以此来保持电动机的磁通处于最佳状态。此方式可提高电动机效率和改善电动机动态响应特性。
③平方V／F控制 变频器输出电压平方与频率为线性关系，用于变转矩负载，如风机和泵。
④特性曲线可编程的v／f控制 变频器输出电压与频率为分段线性关系，此种控制方式可应用于在某一特定频率下为电动机提供特定的转矩。
⑤带“能量优化控制（eco）”的线性v／f控制 此方式的特点是变频器自动增加或降低电动机电压，搜寻并使电动机运行在损耗最小的工作点。
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⑥无传感器矢量控制 用固有的滑差补偿对电机的速度进行控制。采用这一控制方式时，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性和具有优良的速度稳定性，而且在低频时可提高电动机的转矩。
⑦无传感器的矢量转矩控制 变频器可以直接控制电动机的转矩。当负载要求具有恒定的转矩时，变频器通过改变向电动机输出的电流，使转矩维持在设定的数值。另外，还有与纺织机械相关的v／f控制方式。
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（2）保护特性
过电压及欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、电动机过载保护和用PTC为传感器的电动机过热保护等。
（3）变频器内部功能方框图
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（4）应用举例
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