三相异步电动机调速方法

【学习任务】（1）正确说出三相异步电动机的调速方法。

（2）正确说出三相异步电动机不同调速方法的实现方式及适用范围。

微课7.3：三相异步电动机的机调速

1.三相异步电动机的调速方法

下面着重介绍异步电动机调速的基本原理、调速方法和调速性能。

根据异步电动机的转速公式可以看出，要改变电动机的转速，可以通过以下方法来实现：

（1）改变定子绕组的极对数p，即通过改变定子绕组的接线方式来改变定子磁极对数p，以改变同步转速n1进行调速，即变极调速。

（2）改变电源的频率f1，即通过改变电源频率f1来改变同步转速n1，以进行调速，即变频调速。

（3）改变电动机的转差率s。保持同步转速n1不变，改变转差率s进行调速。

改变转差率的具体方法主要有：

①改变定子端电压U1，即变压调速；

②改变转子回路中串入的附加电阻，即串变阻器调速；

③改变转子回路中串入的附加电势，即串极调速。

2.变压调速

当改变施加于定子绕组上的端电压进行调速时，如负载转矩不变，则电动机的转速将发生变化，如图7－22所示，A点为固有机械特性上的运行点，B点为降低电压后的运行点，分别对应的转速为nA与nB，可见，nB＜nA。降压调速方法比较简单，但是，对于一般的笼型异步电动机，降压调速范围很窄，没有多大的实用价值。

图7－22　三相异步电动机降压调速机械特性

若电动机拖动泵类负载，如通风机，降压调速有较好的调速效果，如图7－22（a）所示，C、D、E三个运行点的转速相差很大。但是应注意电动机在低速运行时存在的过电流及功率因数低的问题。

若要求电动机拖动恒转矩负载并且有较宽的调速范围，则应选用转子电阻较大的高转差率笼型异步电动机，其降低定子电压时的人为机械特性如图7－22（b）所示，但此时电动机的机械特性很软，其转差率常不能满足生产机械的要求，而且低压时的过载能力较低，一旦负载转矩或电源电压稍有波动，就会引起电动机转速的较大变化甚至停转，如图7－22（b）中的C点所示。

3.绕线型异步电动机转子回路中串变阻器调速

在绕线型异步电动机转子回路中串入电阻后，例如转子绕组本身电阻为r2，分别串入电阻Rs1、Rs2、Rs3时，会使电动机的机械特性发生变化，最大转矩不变，但最大转矩对应的临界转差率发生了改变，如图7－23所示。

图7－23　绕线型异步电动机转子回路中串变阻器调速机械特性

当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即TL＝TN时，电动机的转差率由sN分别变为s1、s2、s3。显然，所串入电阻越大，转速越低。

这种方法的优点是简单、易于实现；缺点是调速电阻中要消耗一定的能量，调速是有级的，不平滑。由于转子回路的铜耗pCu2＝sPM，故转速调得越低，转差率越大，铜耗就越多，效率就越低。同时转子加入电阻后，电动机的机械特性变“软”，于是负载变化时电动机的转速将发生显著变化。这种方法主要用在中、小容量的异步电动机中，例如交流供电的桥式起重机目前大部分采用此法调速。

4.笼型三相异步电动机变极调速

1）变极调速的原理及接线图

变极调速是通过改变定子绕组的接线方式来改变定子磁极对数p，从而改变同步转速n1，以达到调速的目的。图7－24所示为三相异步电动机定子绕组接线及产生的磁极数，图中只画出了A相绕组的情况。

图7－24　四极三相异步电动机定子A相绕组连接原理图

（a）定子绕组接线；（b）磁极数

改变定子绕组磁极对数的方法是将一相绕组中一半线圈的电流方向反过来。例如AX绕组为a1x1与a2x2头尾串联，如图7－24（a）所示，由AX绕组产生的磁极数便是四极，如图7－24（b）所示。如果把图中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成两个线圈尾尾串联，即A相绕组AX为a1x1与a2x2反向串联，如图7－25（a）所示；或者将每相绕组两个线圈变成头尾串联后再并联，即AX为a1x1与a2x2反向并联，如图7－25（b）所示。改变后的两种接线方式，三相绕组产生的磁极数都是二极的，如图7－25（c）所示，即为二极异步电动机。

图7－25　二极三相异步电动机定子A相绕组连接原理图

（a）反向串联；（b）反向并联；（c）磁极数

从上面分析可以看出：三相笼型异步电动机的定子绕组，若把每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化。因此，同步转速n1也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电动机来讲，运行的转速也接近成倍改变。

绕线型异步电动机转子磁极对数不能自动随定子磁极对数变化，如果同时改变定、转子绕组磁极对数，则又比较麻烦，因此不宜采用变极调速。

需要说明的是，如果外部电源相序不变，则变极后，不仅电动机的运行转速发生了变化，而且因三相绕组空间相序的改变也会引起旋转磁场转向的改变，从而引起转子转向的改变。所以为了保证变极调速前后电动机的转向不变，在改变定子绕组接线的同时，必须把V、W两相出线端对调，使接入电动机的电源相序改变，这是在工程实践中必须注意的问题。

2）变极调速的常用接线方法

能够实现上述变极原理的线路很多。但是，不管三相绕组的接法如何，其极对数仅能改变一次。下面介绍变极调速的两种典型方案：一种是Y－YY方式，Y接是低速，YY接是高速，如图7－26（a）所示；另一种是△－YY方式，△接是低速，YY接是高速，如图7－26（b）所示。由图可见，这两种接线方式都是使每相一半绕组内的电流改变了方向，因而定子磁场的磁极对数减少一半。

图7－26　双速电动机变极接线方式

（a）Y/YY方式；（b）△/YY方式

3）变极调速时的功率和转矩

（1）Y－YY变极调速时的机械特性。

由于Y形连接时的磁极对数是Y形连接时的两倍，因此nYY＝2nY。又因为Y形连接和YY形连接时每相绕组的电压相等，所以根据前面所学的知识可得出以下结论：

为了使电动机得到充分利用，假定改接前、后使电动机绕组内流过额定电流，效率和功率因数近似不变，则输出功率和转矩为

可见，采用Y－YY变极调速时，电动机的转速增大一倍，允许输出功率增大一倍，而允许输出的转矩保持不变，所以采用这种变极调速方案属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载。

（2）△－YY变极调速时的机械特性

当△接法改接成YY连接后，磁极数减少一半，转速增大一倍，即nYY＝2n△。又由于YY接法时相电压，所以根据前面所学的知识可得出以下结论：

为了使电动机得到充分利用，假定改接前后使电动机绕组内流过额定电流，效率和功率因数近似不变，则输出功率和转矩为

可见，从△形连接变成YY形连接后，极对数减少一半，转速增加一倍，输出转矩近似减小一半，而输出功率近似保持不变，所以这种变极调速属于恒功率调速方式，适用于车床切削等恒功率负载，如粗加工时，进给量大、转速低；精加工时，进给量小、转速高，但两者的功率近似不变。

综上所述，变极调速的优点是设备简单、运行可靠，机械特性硬、效率高、损耗小，为了满足不同生产机械的需要，定子绕组采用不同的接线方式，可获得恒转矩调速或恒功率调速；缺点是电动机绕组引出头较多，转速只能成倍变化，调速的平滑性差，只能分级调节转速，且调速级数少，必要时需与齿轮箱配合，才能得到多极调速。除了利用上述倍极比变极方法获得多速电动机外，还可利用改变定子绕组接法达到非倍极比变极的目的，如4/6极等。另外，多速电动机的体积比同容量的普通笼型电动机大，运行特性也稍差一些，电动机的价格也较贵，故多速电动机多用于一些不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等。

5.串极调速

由于绕线型异步电动机转子串电阻调速时，低速时效率低损耗大，故经济性能不高，有必要设法将消耗在外串电阻上的大部分转差功率利用起来，不让它白白浪费掉，而是送回到电网中去。串级调速就是根据这一指导思想而设计出来的。

1）串级调速的原理

串级调速是指在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个与转子同频率的附加电动势以实现调速，该附加电动势Ead可与转子电动势E2的相位同相，也可反相。

假设调速前后电源电压的大小与频率不变，则主磁通也基本不变。

当Ead引入之前，电动机在固有特性上稳定运行时，转子电流的有效值为

当Ead引入之后，电动机转子电流的有效值为

若与E20反相，式（7－28）中Ead前取“－”号，则串入Ead的瞬间，由于机械惯性使电动机的转速来不及变化，sE20不变，使，对应的TM＜TL（因为定子电压、主磁通Φm和功率因数cosφ1不变），因此n下降，s上升，sE20上升，转子电流开始上升，电磁转矩TM也开始上升，直至TM＝TL时，电动机在较以前低的转速下稳定运行。串入的电势Ead值越大，电动机稳定运行的转速越低。(www.xing528.com)

若Ead与E20同相，式（7－28）中Ead前取“＋”号，则串入Ead的瞬间，由于机械惯性使电动机的转速来不及变化，sE20不变，使对应的TM＞TL，因此n上升，s下降，sE20下降，转子电流开始下降，电磁转矩TM也开始下降，直至TM＝TL时，电动机在较以前高的转速下稳定运行。如果Ead足够大，则转速可以达到甚至超过同步转速。串级调速的机械特性如图7－27所示。

图7－27　串极调速时的机械特性

2）串级调速的实现

实现串级调速的关键是在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个大小、相位可以自由调节，其频率能自动随转速变化而变化，始终等于转子频率的附加电动势。要获得这样一个变频电源不是一件容易的事。因此，在工程上往往是先将转子电动势通过整流装置变成直流电动势，然后串入一个可控的附加直流电动势去和它作用，从而避免了随时变频的麻烦。根据附加直流电动势作用而吸收转子转差功率后回馈方式的不同，可将串级调速方法分为电动机回馈式串级调速和晶闸管串级调速两种类型。下面只简单介绍最常用的晶闸管串级调速。

图7－28所示为晶闸管串级调速系统的原理示意图，系统工作时将异步电动机M的转子电动势E2S经整流装置整流后变为直流电压Ud，再由晶闸管逆变器将直流电压UB逆变为工频交流电压，然后经变压器T变压与电网电压相匹配，从而使转差功率sPM反馈回交流电网。这里的逆变电压UB可视为加在异步电动机转子电路中的附加电动势Ead，改变逆变角β就可以改变UB的数值，从而实现异步电动机的串级调速。

图7－28　晶闸管串级调速系统的组成

晶闸管串级调速具有机械特性“硬”、调速范围大、平滑性好、效率高、便于向大容量发展等优点。对于绕线型异步电动机，它是很有发展前途的一种调速方法。其缺点是功率因数较低，但采用电容补偿等措施可使功率因数有所提高。

晶闸管串级调速的应用范围很广，既可适用于风机型负载，也可适用于恒转矩负载。

自测题

一、填空题

1.一台三相二极异步电动机，电源频率f1＝50 Hz，则定子旋转磁场转速为______r/min。

2.三相异步电动机旋转磁场的转速称为___________转速，它与电源频率和磁极对数有关。

3.三相异步电动机的转速取决于磁场极对数p、________和__________。

4.三相异步电动机的调速方法有__________、__________和____________。

5.在额定工作情况下的三相异步电动机，已知其转速为960 r/min，电动机的同步转速为__________r/min，磁极对数为________对，转差率为________。

6.三相异步电动机旋转磁场的转速称为________转速，它与电源频率和________有关。

7.三相异步电动机旋转磁场的转向是由____________决定的。

8.三相异步电动机负载不变而电源电压降低时，其转子转速将____________。

二、选择题

答案7.4

1.在交流电动机调速控制中，一般不采用的方法是（　　）。

A.变极调速、变频调速、转差调速

B.变频调速、转差调速、串极调速

C.转差调速、变极调速、串极调速

D.串极调速、变频调速、变相调速

2.三相异步电动机在运行中，把定子两相反接，则转子的转速会（　　）。

A.升高　B.下降一直到停转

C.下降至零后再反向旋转　D.下降到某一稳定转速

3.三相异步电动机拖动恒转矩负载，当进行变极调速时应采用的连接方式为（　　）。

A.Y－YY　B.△－YY

C.正串Y－反串Y　D.YY－△

4.三相异步电动机在一定的负载转矩下运行，若电源电压降低，则电动机的转速将（　　）。

A.增大　B.降低　C.不变　D.不能确定

5.工频条件下，三相异步电动机的额定转速为1 420 r/min，则电动机的磁极对数为（　　）。

A.1　B.2　C.3　D.4

6.一台三相异步电动机，磁极对数为3，转差率为3%，此时的转速为（　　）r/min。

A.2 910　B.1 455　C.970　D.1 250

7.三相异步电动机改变定子磁极对数p的调速方法适用于（　　）调速。

A.绕线电动机　B.直流电动机

C.三相笼式异步电动机　D.步进电动机

8.三相异步电动机带恒转矩负载运行，如电源电压下降，则电动机的转速（　　），定子电流上升。

A.下降　B.不变　C.上升　D.以上都不对

三、判断题

1.三相异步电动机的变极调速只能用在笼型转子电动机上。（　　）

2.绕线型异步电动机可以改变极对数进行调速。（　　）

3.若三相异步电动机的端电压按不同规律变化，则变频调速的方法具有优异的性能，适应于不同的负载。（　　）

4.单相异步电动机一般采用降压和变极进行调速。（　　）

5.绕线型异步电动机串电阻调速时，电阻不能太大。（　　）

6.交流电动机变频调速只能是向下改变电动机的速度。（　　）

四、简答题

1.三相异步电动机的调速方法一般有哪些？各有什么特点？

2.什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？

3.试述三相异步电动机的串极调速原理。

4.异步电动机变极调速的可能性和原理是什么？其接线图是怎样的？