繞線電機調速原理

郭東俊 2019-09-02

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三相繞線式異步電機，它具有啟動電流小，且啟動扭矩大，并能在一定范圍內調節(jié)速度，它適合啟動時間較長和啟動較頻繁的場合，被廣泛應用于礦山、化工等各領域的球磨機、破碎機、風機、空壓機等電機傳動設備中。
根據電機轉速公式（式一）可以得出要想改變電機的轉速可以從以下幾點入手：（1）改變電機的極對數；（2）電機工作電源頻率；（3）電機的轉差率；但是不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉速兩種。
N0=(1–s)60f/p （式1）（此公式適合所有的交流電機調速。）
P—電機極對數；s—電機轉差率；f—電機工作電源頻率；N0—電機同步轉速；
然而對于繞線電機調速，一般都是給轉子中接串電阻達到調速的目的，接下來介紹幾種繞線電機的簡單調速方法：
一、串電阻啟動調速。
原理：對于繞線式異步電動機，當電網電壓及頻率不變時，在轉子回路中串入電阻后，可以改善電動機的起動轉矩，在繞線電機轉子中串接啟動電阻，減小啟動電流，電阻一般接為星形接法，根據公式：
I0=U0/R0（式2）
當轉子串接電阻時R0↑,在U0不變的情況下，I0↓,此分析忽略電機感抗的損耗。

主回路接線圖如圖一(a)
圖一
啟動前將電阻全部接入轉子回路，隨著啟動過程的結束，啟動電阻被逐級短接，KM1,KM2,KM3逐級吸合，保證始終有較大的起動轉矩，短接方式可以遵循時間和電流調節(jié)原則，KA1,KA2,KA3中間繼電器可以根據實際工作情況而定。

串電阻優(yōu)點：1、系統(tǒng)穩(wěn)定，手動控制簡單。
2、對檢修維護要求低，對維護人員技術要求不高。
缺點：1、手動操作、起動性能不穩(wěn)定、起動電流大（約為3～5le），轉子能耗高。
2、技術落后，目前已逐漸被淘汰。
3、屬有級調速，機械特性較軟。
二、串頻敏變阻器調速啟動。
由于串電阻有以上缺點，經過不斷的總結和改造，出現了串頻敏變阻器調速啟動，其原理：利用電感器的交流阻抗隨著通過的電流頻率的增大而增大的原理設計的，繞線電機在起動過程中，轉子電流頻率（式3），隨著轉速逐漸上升，而s下降，當很小時，f0也逐漸下降直到無窮小。
F0=s*f1（式3）
F0—轉子電流頻率；s—電機轉差率；f1—定子電流頻率；
頻敏變阻器是一種無觸點的電磁原件，可視為帶鐵心的三相電抗器，在電機起動過程中，它的阻抗會隨著轉子電流的頻率變化而逐漸減少，故無需用人為去控制其阻抗數值，當轉速達到額定轉數時，可用接觸器KM1，將其短接。如圖一b
優(yōu)點：1、實現無級平滑啟動。
2、能實現自動與手動控制。
3、運行穩(wěn)定，維護簡單，目前在低壓、小功率繞線電機中多采用此啟動器。
缺點：1、對電壓穩(wěn)定性要求高，稍低即難起動。
2、不能連續(xù)起動，連續(xù)啟動時間間隔為3分鐘左右。
3、頻敏包易燒毀，對絕緣要求高。
三、串極調速啟動
串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。
原理：假定異步電機的外加電源電壓U0，及負載轉矩ML都不變，則電機在調速前后轉子電流近似保持不變。若在轉子回路中引入一個頻率與轉子電勢相同，而相位相同或相反的附加電勢E1則轉子電流I0為： I0=(E0±E1)/(R2+X0)1/2（式4）
E0-轉子開路相電勢；R2-轉子回路電阻；X0-轉子旋轉時每相漏抗；
當電機在正常運行時，轉差率s很小，故R2≥X0，忽略X0，上式中，E0取電動機的一個常數，所以改變附加電勢E1就可以改變轉差率s ，從而實現調速。實際E0±E1≈常數（式四）
設當E1=0時電動機運行于額定轉速，即n=n0,s=s0,當附件電勢與轉子相電勢相位相反時，E1為負，改變E1的大小，可在額定轉數以下調速，這稱為低同步串級調速（即s>0），當附件電勢與轉子相電勢相位相同時，E1為正，改變E1的大小，可在額定轉數以上調速，這稱為超同步串級調速(即s<0)。
根據轉差功率吸收利用方式，串級調速，多采用晶閘管串級調速，晶閘管低同步串級調速系統(tǒng)是在繞線異步電動機轉子側用大功率的晶閘管或整流二極管，將轉子的轉差頻率交流變?yōu)橹绷?，再用晶閘管逆變器將轉子電流返回電源以改變電機轉速的一種方式。晶閘管低同步串級調速系統(tǒng)主回路見圖二。
BT-整流變壓器 R-頻敏變阻器
圖二

此控制調速系統(tǒng)效率利用率高，它能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬，但是在運行中也必須要注意以下兩點：
1、必須有嚴格的啟動和切換順序，由于硅原件的賴壓和額定電流的影響，必須保證電機轉速達到規(guī)定的最低轉速以上時才允許切換至串級調速運行狀態(tài)，啟動順序是：給控制回路送電，接通逆變器主電源轉子接入頻敏變阻器，接通定子電源，啟動電機，電機加速至規(guī)定轉速時切換至串調運行，此后立即切斷頻敏變阻器。
2、必須有正確的停車順序，由于繞線電機空載時勵磁電流較大，為電機額定電流的25%，因此在電機分閘時不允許轉子開路，否則將產生嚴重的過壓，甚至擊穿電機絕緣，停車時應保證逆變器比整流器遲脫離電網，停車順序為，使串調裝置脫離電機轉子，同時接入頻敏變阻器，切斷電機定子電源，切斷逆變器電源，切斷控制回路。
串調裝置優(yōu)點：電能有效利用率高，能實現無級平滑調速，機械特性硬，晶閘管被廣泛應用，技術難度不大，性能比較完善。
缺點：對操作人員要求比較高，一旦損壞，維護難度大。
四、繞線電動機轉子串水電阻和轉子變頻調速啟動。
目前在許多礦山設備中多采用高壓（0.6KV-10KV）和大功率(650-2000KW)繞線異步電動機，如果繼續(xù)采用以上的啟動方式，則對設備和技術要求更高，系統(tǒng)保護更繁瑣，面對此情況，開發(fā)出了轉子串水電阻和轉子變頻調速啟動。
1、轉子串水電阻啟動。
它是通過在電機轉子回路中串入液體電阻，自動無級調整該電阻使其由大變小最后為零，實現電機降壓無沖擊地平滑起動。
水電阻啟動的原理是：水電阻是利用一個水槽，將一定配比的堿性液體置于水槽中，水槽兩邊設銅質極板，一端為定極板，一端為動極板，通過外設動力驅動極板，改變兩極板間的距離達到改變電阻的目的（電阻的阻值大小與動定極板的距離大小近似正比關系），該電阻的改變是人為通過驅動機構設定的，電阻的切換時間利用驅動執(zhí)行機構及其執(zhí)行時間來設定。通過程序控制平穩(wěn)移動動極板，最終達到電機平穩(wěn)無級啟動的目的。
具體工作過程是：在主電機起動前，液體電阻自動投入；主電機起動時，動極板在一小功率伺服電機的帶動下緩慢移動，改變兩極板之間的距離，使串入轉子回路的液體電阻阻值變化滿足上述條件，電機轉速升高。當兩極板之間距離最小時，電機轉速達到額定轉速，將液體電阻短接，完成起動過程，轉入額定運行狀態(tài)。
主要性能特點：
（1）、軟起動，起動電流小Iq≤1.3I（A）；降低了電機起動升溫，有效地延長電機使用壽命；
（2）、起動過程平滑，對機械設備無沖擊；可連續(xù)起動5~10次，起動性能優(yōu)于頻敏起動器；
（3）、對電網要求不高，不會產生諧波而影響電網；結構可靠、簡單，安裝、維護方便；通用性好，可適用任何負載狀況下繞線式電機軟起動，特別適用于重載起動；
此系統(tǒng)雖然性能好，但工程造價高，普及率不高，有待推廣。
2、轉子變頻調速啟動。
高壓繞線電機轉子變頻技術，采用低壓變頻器，通過高壓繞線電機轉子供電，將電機定子短封，實現高壓繞線電機的變頻調速，使交流電機實現無級調速，達到理想的運行狀態(tài)。此設計新穎，利用成熟的低壓變頻技術。主回路接線圖如圖三：

圖三
由于高壓繞線電機轉子變頻調速控制系統(tǒng)采用上述結構，以利用目前比較成熟的低壓通用型矢量控制變頻器技術，對高壓繞線電機的定子短封后，可以實現高壓交流繞線電機的變頻調速，因為高壓繞線電機的轉子電壓較低，轉子變頻器的電壓等級只要與電機轉子電壓匹配即可，這就使用低壓變頻器解決高壓電機的變頻調速問題，與高壓定子變頻調速控制相比，設備簡單、通用性強、可靠性高。
優(yōu)點：低壓變頻技術成熟，應用廣泛，配套方便；高效節(jié)能，啟動電流小，調速范圍大，靜態(tài)性能好，啟動電流小I0≤1.3Ie（A）。
缺點：變頻器技術復雜，現場人員很難維護，設備成本高。
五、結束語。
綜上所述，在實際應用中，根據本人經驗，在低壓（660V以下）繞線電機調速啟動控制系統(tǒng)中建議采用，轉子串頻敏變阻器啟動，此調速啟動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性價比高；在高壓（660V以上）繞線電機調速啟動系統(tǒng)，建議采用轉子串水電阻啟動。實際應用情況可根據安全可靠、經濟的原則選擇最優(yōu)方案。