第二章第二章 异步电机的控制异步电机的控制2-1 异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法根据异步根据异步电动机的机的转速公式速公式n=ns(1-s) ，异步异步电动机的机的调速方法只需两大速方法只需两大类：在在电机中旋机中旋转磁磁场的同步速度的同步速度ns恒定的情况下，恒定的情况下，调理理转差率差率s 和直流和直流电动机的串机的串电阻阻调速相速相类似，属于似，属于耗能的低效耗能的低效调速方法速方法 调压调速、速、转子串子串电阻阻调速、速、斩波波调速、速、滑差离合器滑差离合器调速速调理理电机旋机旋转磁磁场的同步速度的同步速度ns 。 和直流和直流电动机的机的调压调速相速相类似属于高效似属于高效率的率的调速方法速方法 变极极调速、速、变频调速速留意：串留意：串级调速速调速方式属于速方式属于，但属高效，但属高效调速速(1) 低效调速方法是耗能的调速方法，调速过程低效调速方法是耗能的调速方法，调速过程要伴随损耗的添加，不经济。要伴随损耗的添加，不经济。 但是，这类调速方法比较简单，设备价钱比但是，这类调速方法比较简单，设备价钱比较廉价，故还是广泛运用于一些调速范围不大、较廉价，故还是广泛运用于一些调速范围不大、低速运转时间不长、电机容量较小的场所中。特低速运转时间不长、电机容量较小的场所中。特别值得指出的是，这种调转差的耗能调速方法在别值得指出的是，这种调转差的耗能调速方法在透平式风机、水泵类设备的小范围调速节能中能透平式风机、水泵类设备的小范围调速节能中能产生明显的节能效果，因此被广泛采用。产生明显的节能效果，因此被广泛采用。(2) 变极调速属于高效调速方法，变极调速方法变极调速属于高效调速方法，变极调速方法比较简单，投资较小，但是它是有级调速，普通比较简单，投资较小，但是它是有级调速，普通只需二级，最多也只需三四级，只适用于二三种只需二级，最多也只需三四级，只适用于二三种固定运转工况的场所，同时也只限定在鼠笼式异固定运转工况的场所，同时也只限定在鼠笼式异步电机中运用。步电机中运用。(3) 异步电动机的变频调速不但能无级变速，而异步电动机的变频调速不但能无级变速，而且可根据负载特性的不同，经过适当调理电压与且可根据负载特性的不同，经过适当调理电压与频率之间的关系，使电机一直运转在高效区，并频率之间的关系，使电机一直运转在高效区，并保证良好的运转特性。异步电动机采用变频起动保证良好的运转特性。异步电动机采用变频起动更能显著改善起动性能，大幅底降低电机的起动更能显著改善起动性能，大幅底降低电机的起动电流，添加起动转矩，所以变频调速是异步电动电流，添加起动转矩，所以变频调速是异步电动机理想的调速方法。机理想的调速方法。 然而变频调速需求一个能满足电机运转要求的然而变频调速需求一个能满足电机运转要求的变频电源，设备投资较大，成为异步电动机变频变频电源，设备投资较大，成为异步电动机变频调速技术推行运用中的主要妨碍。不过随着电力调速技术推行运用中的主要妨碍。不过随着电力电子器件的开展和变频技术的成熟，这一局面正电子器件的开展和变频技术的成熟，这一局面正在逐渐改善。在逐渐改善。 变频电源按其特性分为电压源型和电流源型两变频电源按其特性分为电压源型和电流源型两大类。大类。 电压源逆变器其直流侧用电容滤波，内阻抗比电压源逆变器其直流侧用电容滤波，内阻抗比较小，输出电压比较稳定，其特性和普通市电相较小，输出电压比较稳定，其特性和普通市电相类似，适用于多台电机的并联运转和协同调速，类似，适用于多台电机的并联运转和协同调速，广泛运用于化纤、冶金等行业的多机传动系统中。广泛运用于化纤、冶金等行业的多机传动系统中。 这种逆变器的输出电流可以突变，容易出现过电这种逆变器的输出电流可以突变，容易出现过电流，需求有快速的维护系统。电压源逆变器的主流，需求有快速的维护系统。电压源逆变器的主要问题是它不易顺应电动机四象限运转的要求，要问题是它不易顺应电动机四象限运转的要求，不易实现再生制动。不易实现再生制动。电流源逆变器的情况正好与此相反，由于在它的直电流源逆变器的情况正好与此相反，由于在它的直流回路中接有较大的平波电抗器，电感滤波使得它流回路中接有较大的平波电抗器，电感滤波使得它的内阻抗比较大，输出电流比较稳定，出现过电流的内阻抗比较大，输出电流比较稳定，出现过电流的能够性较小，这对过载才干比较低的半导体器件的能够性较小，这对过载才干比较低的半导体器件来说比较平安。然而异步电动机在电流源逆变器供来说比较平安。然而异步电动机在电流源逆变器供电下运转稳定性比较差，通常需求采用闭环控制和电下运转稳定性比较差，通常需求采用闭环控制和动态校正才干保证电动机的稳定运转。电流源逆变动态校正才干保证电动机的稳定运转。电流源逆变器供电的最大优点在于容易实现四象限运转，可以器供电的最大优点在于容易实现四象限运转，可以进展再生制动，较多地被运用于中等以上容量的单进展再生制动，较多地被运用于中等以上容量的单台电动机调速中台电动机调速中变频器采用半控器件晶闸管作为功率开关器件，变频器采用半控器件晶闸管作为功率开关器件，由于异步电机任务在落后功率因数形状，无法向由于异步电机任务在落后功率因数形状，无法向直交变换的逆变器提供元件换流所需的落后无功直交变换的逆变器提供元件换流所需的落后无功电流，异步电机所用晶闸管逆变器通常均带有强电流，异步电机所用晶闸管逆变器通常均带有强迫关断的辅助换流电路，复杂了变频器构造。此迫关断的辅助换流电路，复杂了变频器构造。此外，由于晶闸管开关频率低，导致变频器输出电外，由于晶闸管开关频率低，导致变频器输出电压或电流为富含低次谐波的阶梯波六脉波或压或电流为富含低次谐波的阶梯波六脉波或方波，恶化了电机供电条件，产生了损耗、发热、方波，恶化了电机供电条件，产生了损耗、发热、转矩脉动、振动与噪声等谐波负面效应。转矩脉动、振动与噪声等谐波负面效应。 只是由于晶闸管元件技术成熟，可以做到只是由于晶闸管元件技术成熟，可以做到高压、大容量，故在电流型的大机组变频传动中高压、大容量，故在电流型的大机组变频传动中仍得到运用。仍得到运用。变频器采器具有自关断才干的高频功率开关器件变频器采器具有自关断才干的高频功率开关器件(GTO、GTR、Power MOSFET、IGBT、MCT),逆变器输出特性有能够采用新型的脉宽调制逆变器输出特性有能够采用新型的脉宽调制(PWM)技技术优化，尤其是正弦脉宽调制术优化，尤其是正弦脉宽调制(SPWM)和空间电压矢和空间电压矢量脉宽调制量脉宽调制(SVPWM)。 脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM波形显著降波形显著降低了逆变器输出电压中的低次谐波，高频开关方式低了逆变器输出电压中的低次谐波，高频开关方式又提高了输出谐波频率、降低了谐波幅值，也提高又提高了输出谐波频率、降低了谐波幅值，也提高了逆变器动态呼应速度，在中、小型异步电机变频了逆变器动态呼应速度，在中、小型异步电机变频调速中获得了极为广泛的运用。调速中获得了极为广泛的运用。 空间电压矢量调制空间电压矢量调制(SVPWM) 是将逆变器与交流电是将逆变器与交流电机作为一个整体来思索，经过对逆变器功率器件机作为一个整体来思索，经过对逆变器功率器件的开关方式控制，输出不同的三相电压，构成一的开关方式控制，输出不同的三相电压，构成一个空间矢量，使电机气隙中产生的实践磁通尽能个空间矢量，使电机气隙中产生的实践磁通尽能够地逼近电网正弦电压供电时的理想圆形磁通轨够地逼近电网正弦电压供电时的理想圆形磁通轨迹，从而使变频器迹，从而使变频器 输出特性到达一个更高的综输出特性到达一个更高的综合性能。由于合性能。由于SVPWM方法是将三相变量作一致方法是将三相变量作一致处置，易于数字实现，目前已呈现取代处置，易于数字实现，目前已呈现取代SPWM的的趋势趋势2-2 异步电动机的调压调速异步电动机的调压调速晶闸管调压器的控制方法晶闸管调压器的控制方法:(1) 相位控制，经过改动晶闸管的触发相位改动电相位控制，经过改动晶闸管的触发相位改动电压输出波形以实现调压压输出波形以实现调压其输出电压中所含谐波分量比较大其输出电压中所含谐波分量比较大(2) 通断控制通断控制(周波控制周波控制) ，即将双向晶闸管用作交流过，即将双向晶闸管用作交流过零开关，交替地接通和阻断几个周波的电源交流电，用零开关，交替地接通和阻断几个周波的电源交流电，用改动接通时间和切断时间之比来控制输出电压的有效值。改动接通时间和切断时间之比来控制输出电压的有效值。通断的频率不能太低，否那么会引起电机转速的动通断的频率不能太低，否那么会引起电机转速的动摇和大电流冲击；如通断交替频率较高，每次通断摇和大电流冲击；如通断交替频率较高，每次通断时间间隔中交流电周波数较少，能够调速不够平滑时间间隔中交流电周波数较少，能够调速不够平滑异步电机异步电机调压控制调压控制中多用相中多用相控技术控技术 异步电动机调压调速异步电动机调压调速:电机转矩与输入电压基波的电机转矩与输入电压基波的平方成正比，改动电机端电压基波可以改动异步电动机平方成正比，改动电机端电压基波可以改动异步电动机的机械特性外形以及它们和负载特性的交点任务点，的机械特性外形以及它们和负载特性的交点任务点，从而实现调速从而实现调速异步电动机的机械特性：当电异步电动机的机械特性：当电源的频率和电压坚持不变时，源的频率和电压坚持不变时，电动机转速和电磁转矩之间的电动机转速和电磁转矩之间的关系曲线关系曲线n=f(Tem)负载的机械特性：当电源的负载的机械特性：当电源的频率和电压坚持不变时，电频率和电压坚持不变时，电动机转速和负载转矩之间的动机转速和负载转矩之间的关系曲线关系曲线n=f(T2+T0)转子子电阻比阻比较大的大的电机，机，机械特性比机械特性比较软，电磁磁转矩矩随随电压的平方迅速下降，的平方迅速下降，电机任机任务点的点的转速速变化比化比较明明显，调速效果速效果较好好转子子电阻比阻比较小的小的电机，机，机械特性比机械特性比较硬，硬，电磁磁转矩矩随随电压的平方的平方变化不明化不明显，调速效果差速效果差 因此，用于调压调速的电机转子绕组必需求有因此，用于调压调速的电机转子绕组必需求有较高的电阻，或者采用绕线型异步电机并在转子回较高的电阻，或者采用绕线型异步电机并在转子回路中串入适量的电阻或频敏变阻器，或者采用实心路中串入适量的电阻或频敏变阻器，或者采用实心转子电机，使电动机的机械特性变软，以顺应调压转子电机，使电动机的机械特性变软，以顺应调压调速的要求。调速的要求。调压调速方法比较适用于拖动风机、水泵的异步电调压调速方法比较适用于拖动风机、水泵的异步电动机，由于风机、水泵类的负载转矩是和转速的平动机，由于风机、水泵类的负载转矩是和转速的平方成正比，即方成正比，即当转速降低时电机的负载显著减小当转速降低时电机的负载显著减小 异步电动机调压调速系统的机械特性比较软，特异步电动机调压调速系统的机械特性比较软，特别是低速运转的稳定性很差，在负载和电网电压动摇别是低速运转的稳定性很差，在负载和电网电压动摇时都能够引起较大的速度动摇。因此对于恒转矩负载时都能够引起较大的速度动摇。因此对于恒转矩负载以及调速范围在以及调速范围在2：1 以上的场所往往要加速度反响，以上的场所往往要加速度反响，以到达自动调理转速的目的。以到达自动调理转速的目的。 最常用的速度负反响调压调速系统最常用的速度负反响调压调速系统闭环系统的机械特性硬度极大的得到提高闭环系统的机械特性硬度极大的得到提高当当TL增大引起增大引起n下降时，增下降时，增大定子电压大定子电压当当TL减小引减小引起起n升高时，升高时，减小定子电减小定子电压压双向晶闸管的交流调压器不但可以用于异步电机的双向晶闸管的交流调压器不但可以用于异步电机的调压调速，而且还可以用于准恒速下的轻载调压节调压调速，而且还可以用于准恒速下的轻载调压节能。能。 电机在轻载运转时虽然负载电流小、铜损小，电机在轻载运转时虽然负载电流小、铜损小，但电压不变，铁损依然坚持额定，呵斥损耗比例很但电压不变，铁损依然坚持额定，呵斥损耗比例很高、效率下降，功率因数低下。高、效率下降，功率因数低下。 假设轻载时在确保拖动负载和转速根本不变的假设轻载时在确保拖动负载和转速根本不变的条件下适当降低电压，此时电机内磁场强度减弱，条件下适当降低电压，此时电机内磁场强度减弱，使得铁损及磁化电流随之降低，于是电机轻载运转使得铁损及磁化电流随之降低，于是电机轻载运转下的效率、功率因数明显提高，到达了轻载运转节下的效率、功率因数明显提高，到达了轻载运转节能的目的。能的目的。留意留意:轻载调压节能节省的是电机的铁损，因轻载调压节能节省的是电机的铁损，因此要求电机必需长时间运转在轻载形状，同时此要求电机必需长时间运转在轻载形状，同时电机需求有一定的额定容量才有效果。电机需求有一定的额定容量才有效果。按负载大小有效地调理电机端电压，正确选用按负载大小有效地调理电机端电压，正确选用反响量是关键。异步电机的功率因数随负载大反响量是关键。异步电机的功率因数随负载大小变化，轻载时低、重载时增大，两者虽然不小变化，轻载时低、重载时增大，两者虽然不是线性关系但还是能比较准确地反映负载率的是线性关系但还是能比较准确地反映负载率的情况。情况。 据此，美国宇航局的据此，美国宇航局的Nolla 提出了一种提出了一种 功功率因数控制器，它本质上就是一个由双向晶闸率因数控制器，它本质上就是一个由双向晶闸管构成的电压调理器，根据电机功率因数的不管构成的电压调理器，根据电机功率因数的不同，亦即负载大小的不同自动调理电机端电压，同，亦即负载大小的不同自动调理电机端电压，以减少轻载运转时损耗，提高电机运转效率，以减少轻载运转时损耗，提高电机运转效率，产生节能效果。产生节能效果。 从现有运转实践看，利用功率因数调理器从现有运转实践看，利用功率因数调理器大致可以减少大致可以减少60%左右的空载损耗，但当电机左右的空载损耗，但当电机负载率超越负载率超越40%后将失去节能效果。后将失去节能效果。2-3 电磁滑差离合器电磁调速电机电磁滑差离合器电磁调速电机电磁滑差离合器是一种调速原理和性能与异步电电磁滑差离合器是一种调速原理和性能与异步电机调压调速非常类似的系统，它是经过调理滑差机调压调速非常类似的系统，它是经过调理滑差离合器的励磁电流，改动其内部的磁场强度实现离合器的励磁电流，改动其内部的磁场强度实现调速的，也是属于滑差功率耗费型调速方式，只调速的，也是属于滑差功率耗费型调速方式，只是滑差功率不耗费在电机内部而是在与电机同轴是滑差功率不耗费在电机内部而是在与电机同轴的电磁滑差离合器之中。的电磁滑差离合器之中。 电枢和磁极分枢和磁极分别旋旋转；电枢与异步枢与异步电机同机同轴，以，以恒速恒速n旋旋转，是自，是自动部分；磁极与部分；磁极与负载同同轴 ，其，其转速速n受励磁受励磁电流的流的调理，是从理，是从动部分部分 磁极上装励磁绕组，通大小可调的直流磁极上装励磁绕组，通大小可调的直流If。电枢整块铸钢，当电枢由电动机拖动以恒速旋转电枢整块铸钢，当电枢由电动机拖动以恒速旋转时，电枢与磁极之间有相对运动，会在实心电枢时，电枢与磁极之间有相对运动，会在实心电枢中感应出涡流电流，此电流与磁场作用产生电磁中感应出涡流电流，此电流与磁场作用产生电磁转矩，其过程与作用和实心转子异步电机一样转矩，其过程与作用和实心转子异步电机一样 。 改动励磁电流的大小就可以调理电枢与机改动励磁电流的大小就可以调理电枢与机械旋转磁场之间的转差率，改动从动轴的输出械旋转磁场之间的转差率，改动从动轴的输出速度。速度。 假设不加励磁电流，磁极就会停转，相当假设不加励磁电流，磁极就会停转，相当于把从动轴与自动轴分别，起到了离合器的作于把从动轴与自动轴分别，起到了离合器的作用。用。电磁滑差离合器常与鼠笼式异步电机在构造上做成电磁滑差离合器常与鼠笼式异步电机在构造上做成一体，并配有同轴测速发电机和速度反响闭环控制一体，并配有同轴测速发电机和速度反响闭环控制安装，这种成套配置常称为电磁调速电机，简安装，这种成套配置常称为电磁调速电机，简VS电机或电机或HC电机。电机。开环机械特性很软，稍开环机械特性很软，稍加负载转速就会有较大加负载转速就会有较大下降下降闭环机械特性硬度大为提闭环机械特性硬度大为提高呈程度线，其两端分别高呈程度线，其两端分别受最大励磁电流受最大励磁电流Ifmax和最和最小励磁电流小励磁电流Ifmin的限制，的限制，电磁滑差离合器构造简单，价钱低廉，电磁滑差离合器构造简单，价钱低廉，控制方便，运转可靠。但它低速运转时控制方便，运转可靠。但它低速运转时损耗大，效率低，常用于调速范围不宽、损耗大，效率低，常用于调速范围不宽、经常处于高速运转的场所，特别适宜风经常处于高速运转的场所，特别适宜风机、水泵的调速节能运转。机、水泵的调速节能运转。