电机理论与分析(3)

常被采用。

一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图4.4中部件8)，便于电动机运转时通风 散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来。 3. 气隙δ

所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm～1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。

4.1.3 三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：

(1) 额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。

PN?3INUNCOS?N?N (2) 额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。 (3) 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。 (4) 额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。 (5) 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。

(6) 额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。

此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。

4.2 三相异步电动机的调速

感应电动机的调速问题一直是电机工程界关心和研究的问题之一。由于感应电动机的转速为

n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p

所以可以从三个方面来调节其转速：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电动机的转差率s；（3）改变电源频率f1

4.2.1 变极调速

三相异步电动机是利用改变定子绕组的接法，以改变电机的极数，从而使电机用一套绕组获得两种或两种以上转速的多速异步电动机。由于一般异步电动机正常运行时的转差率s都很小，电机的转速n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p可见，在电源频率f1不变的情况下，改变定子绕组的极对数p，电机的转速n就发生变化，例如极对数增加一倍，同步转速就下降一半，随之电动机的转速，也约下降一半。显然，这种调速方法只能做到一级一级地改变转速，而不是平滑调速。变极电动机一般都用鼠笼式转子，因为鼠笼转子的极对数能自动地随着定于极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线式转于，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定于相同的极对数，很不方便。

要使定子具有两种极对数，容易想到的办法是用两套极对数不同的定子绕组，每次用其中一套，即所谓双绕组变极，显然，这是一个很不经济的办法，只在特殊情况下才采用。理想的办法是：只装一套定子绕组而用改变绕组接法来获得两种或多种极对数，即所谓单绕组变极。其中倍极比情况(如2／4极，4／8极等)，和非倍极比(如4／6极，6／8极等)以及三速(如4／6／8极等)。

4.2.1.1 变极原理

异步电动机定子绕组通以三相电流，就能在气隙中产生一个以同步转速转动的旋转磁场。电机转速n和电源频率f1、绕组极对数p有如下关系：

n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p

由此可以看出：当频率一定时，电机转速n与极对数p成反比。只要设法改变极对数p，从而改变转子转速n。p愈大，n愈小；p愈小，n愈大。 改变定子绕组极对数，一般有以下三种方法：

（1）单一绕组，改变其不同的接线组合，得到不同的极对数； （2）在定子槽内安放两个有不同极对数的独立绕组；

（3）在子槽内安放两个有不同极对数的独立绕组，而且每个绕组又可以有不同的接线组合，得到不同的极对数。

对于工厂来说，第一种方法最简单实用，因为它绕法简单，出线头较少，用铜也较省。所以单速异步电机改绕多速大多采用此法。若绕组改接前后的极对数是成倍数关系，则这种调速称为倍极比调速， 例如2/4极、4/8极等；否则，称为非倍极比调速，例如4/6极、6/8极等。

4.2.1.2 变极调速的优缺点

变极调速的优点是设备简单、运行可靠、机械特性硬、损耗小、采用不同联结方法可获得恒转矩或恒功率调速特性，以满足不同生产机械的要求。

缺点是只能分级调节转速，而且只能有两个或三个转速。另外，多速电动机的体积比同容量的普通笼型电动机大，运行性能也稍差一些，电动机的价格也较贵，但对不需要平滑调速的场合，还是一种较经济的调速方法。

变极调速广泛应用于机床电力拖动中。对属于恒转矩调速方式的双速或三速电动机也可用来拖动电梯、运输传送带或起重电葫芦等。

4.2.2 改变转差率s调速

变转差率调速主要有转子外加电阻调速、串级调速。 （1）绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

（2）串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

4.2.3 变频调速

4.2.3.1 变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机

磁场转速称为同步转速，用n0表示：n0=60f/p；

式中：f为三相交流电源频率，一般是50Hz；p为磁极对数。当p=1是，n0=3000r／min；p=2时，n0=1500r／min。

由上式可知磁极对数p越多，转速n0就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速n0

要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s表示：s= （n0-n）/ n0

在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；启动后的极端情况n= n0，则s=0，即s在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s=1%～6%。综合n0和s的表达式可以得出：n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p；

由上式可以看出，对于成品电机，其极对数p已经确定，转差率s的变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

4.2.3.2 变频调速的控制方式及选定 （1）V/f比恒定控制

V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。

三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。

由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：

E1?4.44f1N1KN1?m

?m?则

EE1?m?1f1 4.44f1KN1N1 即

另外，电机的电磁转矩为:

?e?CT?m?2cos?2

其中 CT—与电动机有关的常数；

Cos?2—转子每相电路功率因数；

?2—转子电压与电流的相位差； ?e—电机的电磁转矩。

??由以上公式推断，若E1不变，当定子电源频率f1增加，将引起气隙磁通m减小；而m减小又引起电动机电磁转矩

?e减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在E1??不变时，而定子电源频率f1减小，又将引起m增加,m增加将导致磁路饱和，励磁电流

升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调

速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。

1.基频以下调速

由式(3-4)可知，要保持使E1/f1=常值

只要保持E1/f1为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

根据电机端电压和感应电势的关系式：式中: U1-定子相电压；

?m不变，f当频率f1从额定值N向下调节时，必须同时降低E1,

U1?E1?(r1?jx1)I1

r 1-定子电阻；

1-定子阻抗； I1-定子电流。

当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，U1和E1可以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。

由于V/f比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，U1与E1都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。

变频后的机械特性如图4.5所示。

x

图4.5 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性

从图4.5中可以看出，当电动机向低于额定转速

n0方向调速时,曲线近似平行地下降，

减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐

渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。

临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量

?m保持恒定，调速时

就要求感应电动势E1与电源频率f1的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U≈

E1来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略

的定子阻抗压降在电压U中所占的比例大小决定了它的影响。当f1的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例相对较小，U≈E1所产生的误差较少；当f1的数值较低时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压U中的比例增大，已经不能再满足U≈E1。此时如果仍以U代替

E1，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动

?势E1减小，E1/f1的比值减小，造成磁通量m减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。

变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的V/f转矩补偿法。

转矩补偿法的原理是：针对频率f降低时，电源电压U成比例地降低引起的U的下降过低，采用适当的提高电压U的方法来保持磁通量

?m恒定，使电动机转矩回升，因此，有

些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。

带定子压降补偿的压频比控制特性示于图4.6中的b线，无补偿的控制特性则为a线。 定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图4.6 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图4.7所示。

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