交流异步电动机的调速方法优化

由转速n1=60f1（1-s）/p 可知，异步电动机调速有以下几种方法。

1.改变磁极对数p （变极调速）

定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构，要改变p，就必须将定子绕组方式设计为可以换接成两种磁极对数的特殊形式，普通电机是不能实施变极调速的。双速电机的绕组经过特殊设计，一套绕组可换接成两种磁极对数。

变极调速的主要优点是控制设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高，既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速。其缺点是有级调速且级差很大，级数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合，如生产机械高、低速的粗调等。

图1.2　交流异步电动机- 或△- 接线

（a）接法； （b）△接法； （c）接法

改变定子绕组接线方式使半相绕组的电流反向，从而实现变极调速的方法很多，常用的方法有两种：-和△-。接法或△接法，每相中的两个半相绕组正向串联，极对数为2p，同步转速为n1，其接线如图1.2 （a）、1.2 （b）所示； 当定子绕组从接法变成接法或从△接法变成接法时，每相中的两个半相绕组反向并联，极对数为p，同步转速为2n1，为了保持转子的转向不变，应将其中两相电源对换，接线如图1.2 （c）所示。

2.改变转差率s （变转差率调速）

改变转差率调速的方法主要有： 定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。

1）定子调压调速

当负载转矩一定时，随着电动机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减小，转子电流减小，转子受到的电磁力减小，转差率s 增大，转速减小，从而达到调度的目的。同理，定子电压升高，转速增加，但电压一般不能超过额定值，所以其又称为降压调速。

调压调速的优点： 调速平滑，采用闭环系统调速时，机械特性较硬，调速范围较宽。

调压调速的缺点： 在低速时，由于电磁转矩与电压的平方成正比，所以转矩很小，一般不能拖动恒转矩负载； 同时转差功率损耗较大，功率因数低，电流大，效率低。

调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机、泵类特性的负载，鼓风机就是利用定子调压调速的方法进行调速的，如图1.3 所示。

图1.3　定子调压调速机械特性

若要求低速时机械特性较硬，即在一定静差率下有较宽的调速范围，又要保证电动机具有一定的过载能力，则可采用转速负反馈降压调速闭环控制系统，如图1.4 所示。

图1.4　转速负反馈降压调速闭环控制系统

2）转子变电阻调速

当定子电压一定时，电机主磁通不变，改变转子电阻可改变机械特性，在转矩一定时即可改变电机的转速，如图1.5 所示。

图1.5　转子变电阻调速机械特性

转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资成本低，但其机械特性较软，转速随负载的波动较大，调速范围受到限制且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合被采用，如塔式起重机的吊钩控制调速等。

3）电磁转差离合器调速（滑差调速）

电磁转差离合器是鼠笼式异步电动机与负载之间互相连接的一个电气设备。电磁转差离合器调速系统的工作原理： 以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流来改变耦合力矩，从而进行速度调节。电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者没有机械联系，均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。如果磁极内励磁电流为零，则电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”； 如果磁极内通入直流励磁电流，则磁极产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，与磁极产生相对运动，电枢绕组产生电流并产生力矩，磁极将沿着电枢旋转方向而旋转，此时负载相当于被“合上”。调节磁极内的直流励磁电流就可调节转速，如图1.6 所示。

图1.6　电磁转差离合器调速(www.xing528.com)

电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，适用于通风类或恒转矩类负载。其缺点是低速时损耗大，效率低。

4）串极调速

定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速等方法，均存在转差功率损耗较大、效率低的问题。如何能够把消耗于转子电阻上的功率利用起来，且能提高调速性能？ 于是，串极调速被提出。串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。

串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入一个与转子绕组感应电动势频率相同且可控的附加电动势，其通过控制这个附加电动势的大小来改变转子电流的大小，从而改变转速，如图1.7 所示。串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在功率因数较低的缺点，同时串极调速的控制设备比较复杂，成本比较高。

图1.7　串极调速原理图

3.改变频率f （变频调速）

变频调速是利用交流电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续地改变供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速，在异步电动机诸多的调速方法中，变频调速的性能最好。变频调速系统的启动、制动过程平稳，调速范围广，效率高，转速稳定性好，其调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速媲美。

对异步电动机进行调速控制时，电动机的主磁通应保持额定值不变。若磁通太弱，则铁芯利用不充分，转子电流相同时，电磁转矩小，电动机的负载能力下降； 若磁通太强，则铁芯发热，波形变坏，所以变频调速过程中应始终保持磁通不变。

三相异步电动机定子每相电动势的有效值为

式中，E1为定子每相由气隙磁通感应的电动势有效值（V）； f1为定子频率（Hz）； N1为定子相绕组有效匝数； Φm为每极磁通量（Wb）； Ky为电动机的绕组系数。

如果不计定子阻抗压降，则U1≈E1=4.44f1N1ΦmKy。若端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通Φ 将减小，又从转矩公式T=CMΦI2cos φ2可以看出，磁通Φ 的减小势必导致电动机允许输出转矩T 的下降，降低电动机的输出，同时，电动机的最大转矩会降低，严重时会使电动机堵转； 若维持端电压U1不变而减小f1，则气隙磁通Φ 将增加，这就会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此许多场合，要求在调频的同时改变定子电压U1，以维持Φ 的恒定。下面分两种情况说明。

图1.8　基频以下的变频机械特性

（1）基频以下的恒磁通变频调速。

为了保持电动机的带负载能力，就应保持气隙主磁通Φ不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制，这种控制又被称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。由于难以直接检测和直接控制E1，我们可以近似地保持定子电压U1和频率f1的比值为常数，即认为E1≈U1，保持U1/f1=常数。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制，如图1.8 所示。

（2）基频以上的弱磁变频调速。

考虑由基频开始向上调速的情况，频率由额定值向上增大时，电压U1由于受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变，这样必然使主磁通随f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，即近似的恒功率调速方式，如图1.9 所示。

由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，基于这种原理构成的变频器即为所谓的VVVF （Variable Voltage Variable Frequency）调速控制，这也是通用变频器（VVVF）的基本原理。

图1.9　基频以上的变频机械特性

根据U1和f1的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。保持U1/f1为常数的比例控制方式适用于调速范围不太大或转矩随转速下降而减小的负载，例如风机、水泵等； 保持转矩T 为常数的恒磁通控制方式适用于调速范围较大的恒转矩性质的负载，例如升降机、搅拌机、传送带等； 保持功率P 为常数的恒功率控制方式适用于负载随转速的增高而变小的场合，例如主轴传动、卷绕机等。

在恒定U1/f1控制中，随频率f1的下降，定子绕组的电阻压降在U1中所占的比例逐渐增大，造成气隙磁通Φm和转矩下降。采取适当提高U1/f1的方法来补偿定子绕组的电阻压降的增大，而保持Φm为定值，最终使电动机的转矩得到补偿，这种方法被称为转矩补偿。因为它是通过提高U1/f1而得到的，故又被称为V/F 控制或电压补偿，许多书中则直译为转矩提升，实现低频补偿后的变频机械特性如图1.10 所示。若补偿过分，则说明电压U1提升过多，使电动势E 在U1中的比例减小，定子电流I1将增加，甚至会引起变频器因过电流而跳闸。典型变频器外观如图1.11 所示。

图1.10　实现低频补偿后的变频机械特性

图1.11　典型变频器外观