三相异步电动机的串级调速系统设计

三相异步电动机的串级调速系统设计

调速系统装置工作时自身的功耗很小，与变频调速装置相比较要低2到6个百分点，节能省时而且效率还很高[10]。工作时的变流容量比较小,通常变流会发生在电动机转子那一侧,运行时的谐波分量通常比较小一些,在工作运行时的变流电压低,并且装置的安全系数高可靠性好。调速装置的结构简单，整体尺寸结构小，所以需要的设备安装范围小占用电路板面积小，使得系统更为简单。三项绕线式电动机对于控制电动机的启动电流有着很有效的控制力这样就使得内反馈式的高频斩波的串级调速系统，同时也是省去了逆变的变压器以及相关的一些电气设备。

1.1 课题研究的目的及意义

在电力系统传动技术的发展历史中，传动技术被分为两大类，其中一类是直流传动技术，另一类是交流传动技术。以前电力电子技术还没有发展起来的时候，直流电动机几乎垄断了行业[1]。通过改变电压或者励磁电流就可以使直流电动机实现无级调速的目的，通过这种调速方法电动机的转矩也会变得很容易控制，就在十几年前，串级调速凭借着高效率的交流无级调速性能在当时备受推崇，由于科技的迅速发展使得近代新型的变频调速系统得到了快速的发展，串级调速则是变得无人问津日薄西山，甚至一度被认为是一种被淘汰的技术不被使用。串级调速在工作效率及机械特性等方面就能达到和变频调速几乎是完全一致的，而且在高压串级调速的经济性还是明显优于变频调速的。尤其是在高压大容量风机,泵机类节能方面，串级调速的某些优势表现更是淋漓尽致的更为明显。

那么如何评价串级调速技术的优劣，不同电机的需求有不同的标准。但是普遍的共识是：调速效率很高；实现无极调速；调速的范围宽；调速所能够产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；成本非常的低廉。

鼠笼式三相交流异步电动机比直流电动机具备的长足之处：成本低廉；质量轻；工作惯性小；可靠性比较高而且运行效率也高；维修方便工作量小；工作范围适应性广且在一些危险的环境中也能安全的工作。他的这些调速特性与系统在工作时所要求的可靠性、实用性、易检修性符合。由于交流电动机具备这种唱出所以使得它比直流电动机在电力拖动系统工作范围更加广泛，在整个电力拖动系统中约占据80%左右；交流电动机的串级调速系统是一种强耦合非

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三相异步电动机的串级调速系统设计

线性且多变量的系统，工作状态下的可控性能非常差。由于近代电力电子技术以及自动控制技术的快速发展，在这种大的环境下成为交流调速系统可以快速发展的有利背景。由于出现在70年代的矢量变换控制技术、磁通反馈式矢量控制技术、转差式矢量控制技术、直接型转矩控制技术等实用调速控制技术的发展，加快了交流传动技术的发展速度。新兴的传动技术与更多的高性能的变频器相结合，这就使得利用交流电动机组成的交流伺服系统在性能上会比一些直流伺服系统更加匹配。在一些特殊的外部环境中，例如：大容量高转速的地方，交流电动机的串级调速系统具备更加优越的性能,交流化的电气传动时代即将到来。

1.2 课题研究的主要内容

此次设计主要的内容就是通过应用已掌握的知识来设计、制作三相异步电动机的串级调速系统，完成晶闸管串级调速系统所涉及的设计、参数的定额计算和系统的仿真，并且在此基础上，通过制作实现理论与实践的结合完成串级调速系统的主电路以及触发控制电路的有关设计。设计系统的组成以及各个部分的电路结构，设计出串级调速的主电路以及晶闸管的触发电路，并对反馈网络和系统的动、静态特性进行了一些简单分析和计算。通过本次设计让我更加深刻的理解了串级调速的工作原理及知识，而且还锻炼了动手能力和设计能力，在加强对知识的掌握基础上，也为本人以后的工作与学习打下了更加坚实的基础[7]。预计本设计能够完成串级调速的系统的设计以及各个环节的参数计算并在此基础上进行仿真，最终得到理想状态下系统工作时的曲线特性。

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三相异步电动机的串级调速系统设计

2 总体方案设计与论证

2.1 设计要求

（1）完成串级调速系统的设计，实现三相异步电动机的调速要求，能够在电动机正常工作状态下进行无极调速，实现对电动机转速的控制。 （2）使用旋钮控制，进行对电动机转速的控制，实现转速的调整。

2.2 方案比较

方案一：改变电动机极对数（P）调速是通过改变电动机绕组的极对数（P）的方法，实现交流电动机转速发生改变的最终目的。电动机的一个特性是极对数（P）只能成倍数发生改变，所以转速也就只能发生成倍变化。变极调速广泛的应用在鼠笼式的三相电动机上面。

改变极对数（P）调速方案具备了以下的优点：结构简单、使用方便、机械特性硬、工作效率高且恒转矩恒功率条件下调速都适用。其不足之处在于：调速等级是有级的并且其可调整的级数并不多。在一些需要平滑调速的环境中就不适用了。

方案二：调节电动机电压调速是通过改变电动机定子上的电压的大小来对电动机在某一大小负载下的转速进行调节改变的调速方式。这种调速方法会在调速的过程中将会损耗电动机的转差功率。

调节电压调速好处在于：这种调速方法是电机的调速性能比较平滑，还是闭环调速系统，同时机械特性比较硬，这种调速方法其调速范围大[3]。有利就会有弊这种调速方法的缺点在于：这种调速方法是通过改变转差率来实现的一种调速方式，故其在电动机低速运转时的转差功率的损耗会非常的大，工作效率也会很低，调节电压的调速方案主要被用在具有较高电阻的转子的电动机上。

方案三：电磁转差离合器调速方案为通过电机与负载之间连接的电磁转差离合器来进行调速。这种调速方法被广泛的应用在鼠笼式的交流电机上，电磁转差离合器本身并不能直接进行电动机的调速，但是却可以通过改变与之相连的输出传动轴的转速实现对电动机转速的调节。

使用电磁转差离合器进行调速的好处有：使用简单，价格公道，系统稳定

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且运行安全可靠，检修方便，能实现无极调速，该调速方法还采取闭环调速系统扩大了调速范围。弊端在于：和前几种调速方法类似，在低速状态下功率损耗会非常剧烈，以及工作效率低等缺点[4]。通常这种调速方法都被用在纺纱、印染、造纸这类大型机械设备上以及具备通风性的大型机械的负载特性设备上。

方案四：电动机具备一种同步转速会随着频率变化而变化的特性，变频调速就是利用了这一特性，改变了电源的频率才使得电动机的转速发生改变的。

变频调速的方法的优势在于：调速范围大，平滑性高，调速时机械特性硬，静差率s小，调速时U1按照不同的变化规律进行改变进而来实现在恒转矩或者是在恒功率的条件下进行调速，所以该调速系统的性能比较高。不足之处在于：使用变频调速必须要有相匹配的可用电源[5]。目前市场上的变频调速装置电源结构复杂、价格高、容量小，而且在低速工作状态下其最大转矩也比较小，这会降低电动机的过载能力。

方案五：转子回路串电阻调速的其调速原理是在电动机的转子回路中串入一个可变的电阻，通过变换电阻的大小来改变机械特性斜率，使得电动机在负载工作状态下的转差率发生改变，进而达到调整转速的目的。因为传入电动机转子中的电阻不易，造成了使用串电阻调速这种调速方法的电机只能发生阶跃性的变化，所以串电阻调速是一种有级的调速方法。

串电阻调速的好处在于：结构简单、操作方便、前期投资也不是很大。串电阻调速的不足之处在于：电动机在低速状态工作时其机械特性将会变得较软，在生产机械受到对应的最低转速工作状态下静差率的影响时会造成串电阻调速在规定的调速范围内调速性能变差，只能够达到原来的2-3级；转子回路串电阻调速是通过分段调节的方法来调节电机转速的，这种调速方法属于有级调速，所有的有级调速都有的特点是平滑性较差；转子回路串电阻调速这种调速方法适用于电动机在拖动负载的情况下进行调速[6]。当电动机在空载时或者负载较轻时串电阻调速对于电动机的转速调节效果不明显；电动机低速状态下转差率s会偏大一些，在这种情况下转子铜损耗Pcu2=sPm通常会比正常运行状态下偏大。这样的最终结果就是效率低下且浪费大量能源。

基于上述串电阻调速的优缺点，这种调速方法仅适用于起重机一类的对于调速性能要求不大且是恒转矩的机械设备。

方案六：在转子回路当中串电阻调速是一种比较好的调速方式但是其调速

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