三相异步电动机调速技术分析

异步电动机有许多突出的优点，但在调速和控制性能上，还不如直流电动机。虽然异步电动机的调速方法很多，但还没有找到一种调速范围广、精度高，而又价廉、可靠，能够完全取代直流电动机的交流调速系统。如果能够很好地解决此问题，将给电力拖动系统带来很大的变革。

根据异步电动机的转速公式：

可将异步电动机的调速方法分为两大类：

（1）在定子方面改变同步转速n′。可以用：①改变电动机的磁极对数；②改变电源频率来实现。

（2）在转子方面改变转差率。可以用：①在绕线式转子电路中串接电阻；②在绕线式转子电路中引入附加电动势来实现。

此外，不属于上述两大类的还有电磁转差离合器调速等。

异步电动机的运行特点是在接近同步转速工作时（即S较小时）机械特性较硬，效率和功率因数都较高；如果远低于同步转速（即S较大），各方面的性能都要变差。因此，调节S不是理想的调速方法，而改变，又不像直流电动机改变电枢电压那么方便，这就是异步电动机调速的困难所在。下面分别介绍异步电动机的调速方法。

1.改变磁极对数调速

由公式可知，在电源频率不变的条件下，若改变定子的磁极对数，可使异步电动机的同步速度ns改变，从而调节转速。

1）变极原理

改变定子的磁极对数，通常用改变定子绕组的接法来实现。为了说明改变绕组的连接而变更磁极对数的原理，现研究如图7.5.12所示的一相绕组改接方法。在图中只画出U相绕组，它包含两个线圈（或线圈组）。在图7.5.12（a）中，将两个线圈的头尾相串联（设U1为头，U2为尾）时，按照电流方向就能形成4极磁场，同步转速为1500r/min。若采用相反的连接，无论是串联反接（见图7.5.12（b））或并联反接（见图7.5.12（c））均为2极磁场，同步转速为3000r/min。故欲使磁极数减少一半，可将其相邻的线圈组反接，改变其电流方向即可。由此可见，改变定子绕组的接法，得到的极对数成倍地变化，转速也是成倍地变化，所以这种调速属于有级调速。能够变极调速的电动机称为多速电动机。

图7.5.12　一相绕组改接方法

变换极数的多速电动机都是笼型转子，因为笼型绕组本身没有确定的极数，其磁极数完全决定于定子绕组的极数，所以变极时只要换接定子绕组即可。如果采用绕线式转子，则定、转子绕组必须同时换接才行。

最后应该说明一下，一套绕组极数成倍变换时，必须同时倒换电源的相序。因为极数不同时，空间电角度的大小也不一样。例如，2极电动机，极对数p=1，这时有：

电角度=空间的机械角度

若U相的空间位置为0°，则V、W 两相分别在U相后面120°（电角度）和240°（电角度）。换接成4极时，极对数p=2，则有：

电角度=2×空间机械角度

由于是同一套绕组，只是换接了每一相内部的半相绕组，U、V、W 三相的空间机械位置并没有改变。仍假设U相为0°，则V相距U相的电角度变为2×120°=240°，W 相距U相的电角度变成2×240°=480°（相当于120°）。如果电源仍按原来的相序接线的话，所产生的旋转磁场必然反向。为了使调速前后电动机的转向一致，必须在变极的同时倒换电源的相序。

上面所举的例子只是一种最简单、最常用的变极方法，还有复杂的变极方法，可使极数不成倍地改变，或者在定子上装上两套独立的绕组，各接成不同的极对数，就能得到3极或4极电动机，但采用一组独立绕组的变极调速比较经济。

2）典型的变极方法及其机械特性

上面介绍了变极的原理，具体的变极方法很多，这里只讨论Y-双Y、△-双Y两种典型的方法，它们的两组机械特性不同，适应于不同的调速方式。

（1）Y-双Y接法。Y-双Y接法的接线图如图7.5.13（a）所示。Y接法时，每相的两个半相绕组串联，相当于上面所说的4极接法，或者一般地说，极对数等于2p，同步转速为nS。双Y接法时，每相的两个半相绕组反向并联（同时倒换相序），相当于上面的2极接法，或者说，极对数减半，等于p同步转速为2nS，比Y接法时提高1倍。

现在再分析一下两种不同接法时电动机带负载的能力。设电网电压为UN （线电压），绕组每相额定电流为IN时，则绕组接成星形（Y），电动机的输出功率为

式中，ηN为电动机的额定效率。

若将单星形（Y）改接成双星形（双Y），并保持改接前后绕组支路的电流不变，则电

图7.5.13　Y-双Y接法和△-双Y接法

（a）Y-双Y接法；（b）△-双Y接法

动机输出功率为（假设改接前后cosφN、η不变）

两种接法电动机输出功率比为

即电动机输出功率增加一倍。由于额定转矩为

所以，改接后当功率增加一倍，电动机转速也增加一倍时，其功率与转速的比值不变，则转矩不变。因此，这种变极调速适用于拖动恒转矩负载，其机械特性如图7.5.14所示。

图7.5.14　Y-双Y变极调速机械特性

（2）△-双Y接法。△-双Y接法接线图如图7.5.13（b）所示。△接法时，半相绕组串联，极对数等于2p，同步转速为M；双Y接法时，半相绕组反向并联，极对数等于p，同步转速为2M，比△接法时提高一倍。

改接前，电动机接成△形，其输出功率为

电动机接成双Y形，其输出功率为

则改接前后电动机的输出功率之比为

由此可知，改接前后电动机的输出功率变化很小，只有15%，而额定转矩为

几乎减小一半。因此，这种接法适用于拖动恒功率性质的负载，其机械待性曲线如图7.5.15所示。

图7.5.15　△-双Y变极调速机械特性曲线

变极调速方法的优点是设备简单，运行可靠，机械特性硬，而且根据需要可以获得恒转矩或恒功率的调速方式，以适应不同生产机械的要求。缺点是只能有极调速，而且极数有限，必要时须与其他调速方法或齿轮箱机械调速配合使用，才能得到更多极的调速。因此，变极多速电动机主要用于驱动那些不需要平滑调速的金属切削机床、通风机、水泵和升降机等。(www.xing528.com)

2.变频调速

由异步电动机转速可知，如果改变加在定子绕组的三相电源频率f1，电动机转速跟着变化，这种利用改变电源频率来改变电动机转速的方式称为变频调速。这种调速方法可以得到很大的调速范围、很好的调速平滑性和有足够硬度的机械特性，类似于直流电动机的降压（降低f2时）调速和弱磁（升高f1时）调速，是最有发展前途的一种交流调速方法，问题是如何得到平滑可调的变频电源。

怎样获得经济、可靠的变频电源，是解决异步电动机变频调速的关键问题，也是目前电力拖动系统的一个重要发展方向。现有的变频电源的种类如下：

（1）变频机组。变频机组由直流电动机和交流发电机组成，通过调节直流电动机的转速就能改变交流发电机的频率。这种装置设备费用很高，效率低，用途不广，只适用于一些特定的情况。随着半导体变流技术的发展，这种变频机组已被晶闸管变频装置所取代。

（2）交-直-交变频装置。机组虽然能够调频，但是，作为一般异步电动机调速的变频电源，则更倾向于采用静止的变频装置。静止装置与旋转机组相比有许多优越之处。目前，静止变频装置多用晶闸管组成，有交-直-交变频和交-交变频两大类。图7.5.16是交-直-交变频装置的示意图，它的输入接普通的交流50Hz电源，先用晶闸管整流装置将交流变成直流，再用逆变装置转变成频率可调的交流电源。所谓“逆变器”，就是把直流转变成交流的装置，与整流器的作用恰好相反。对于交-直-交变频器来说，整流器可完成变压作用，逆变器完成变频作用，其输出为二者作用的结果。

图7.5.16　交-直-交变频装置示意图

（3）交-交变频装置。交-直-交变频须经过两次电量变换，不仅多一道工序，而且损耗也要增大。能不能直接从50Hz交流电源得到所需频率的交流电呢？这就是交-交变频装置所要解决的问题，因此交-交变频又称为直接变频。目前的交-交变频电路是在交流电源每相都接上正、反两组的可控整流电路，像控制直流电动机的可逆线路那样，如图7.5.17所示。只要交替地以低于电源的频率切换每相正、反两组整流电路的工作状态，就可以在负载端得到相应频率的交变电压，而交变电压的幅值又可通过改变每组晶闸管的控制角来控制，使它接近正弦波，但输出电压会含有一定的高次谐波成分。

直接变频与交-直-交变频相比，虽然效率会高一些，但必须使用大量的晶闸管，像如图7.5.17所示的交-交变频系统，如果每组整流电路都是三相桥式，一共需要36个晶闸管，同时，它的输出频率一般只能是电网频率的1/3以下，所以，这种方法只适用于低速大功率的交流拖动。

图7.5.17　交-交变频系统

变频调速具有优良的性能，调速范围较广，调速的相对稳定性与平滑性较好，变频时U按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求。低速时机械特性的硬度较高，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。这种调速方法的缺点是必须有专门的变频电源，设备庞大，投资多，不易维护，因而使变频调速的应用受到一定的限制。近几年来，由于变流技术的进一步发展，促进了变频调速的应用，从而可从根本上解决笼型电动机的调速问题。

3.绕线式电动机转子串电阻调速

在绕线式电动机转子电路中串电阻调速的接线图和起动时一样，所不同的是：一般起动电阻都是按短时工作设计的，而调速电阻则长期工作。

当在转子电路中串入电阻Rp时，机械特性上的同步转速nS不变，最大转矩Tm 也不变，但临界转差率Sm 却随着电阻的增大而增加。因此，转子电路串联不同的电阻，将得到斜率越来越大的机械特性曲线，如图7.5.18所示。在同一转矩下，转差率S与转子总电阻R2+Rp成正比，所以，随着调速电阻Rp的增加，运行点将从a、b、c、d向下移动，即转差率增大，电动机转速下降，从而达到调速的目的。

图7.5.18　转子串电阻调速机械特性曲线

调速的物理过程：现假定调速时U1、f1一定，负载转矩TL为常数，根据电压平衡关系可知电动势E1、E′2及主磁通Φm 基本不变。在接入调速电阻的瞬间，由于转子的惯性，电动机的转速还来不及改变，于是转子电流I′2因电阻的增加而减小，此时电磁转矩将随转子电流而减小，T＜TL，电动机的转速便开始下降，转差率S开始增加，转子感应电动势E2S和I2S开始增加。这一过程直到转子中的电流恢复到原来的数值，使电磁转矩T重新增至和TL相平衡的数值为止，这时电动机的转速即稳定在较低的转速，不再下降。

4.绕线式电动机转子引入附加电势调速

在不改变nS只调节S的调速方法中，转差功率的损耗是一个重要问题。串电阻时，转速调得越低，这个损耗就越大，也是这种方法的致命弱点。要解决这个问题，就得想办法把转差功率利用起来，而不让它白白地浪费掉。

先研究一下串联接入电阻Rp的转子电路，如图7.5.19（a）所示。根据电路的基本规律，并鉴于转矩T与I2有下述关系：

当负载转矩不变而Rp增大时，各量的变化过程如下：

转差率S上升后，转子感应电势SE2增大，又使I2增大，最终使转矩T回升到与负载转矩平衡为止。可见串电阻的主要作用是在过渡过程中抑制I2，迫使转速M降低。

如果不串入电阻，而串联接入一个与SE2 频率相同、相位相反的电动势Ef，如图7.5.19（b）所示，则变化过程为

图7.5.19　串联接入电阻RP及串联接入一个电动势Ef的电路

同样会使SE2增大，而使I2和T回升，因此与串入电阻RP一样可达到迫使转速降低的目的。但是，这时从Ef与I2的相位关系上看，提供电动势Ef的装置是吸收电功率的。如能回收这部分功率而加以利用，就能够解决转差功率的问题。

然而转子频率Sf1是随转速变化的，要找到一个频率总是随着转速变化的外加交流电势Ef并串入转子电路，并不是一件容易的事。过去采用换向器式交流电动机，终因结构复杂、维护不方便而未能得到进一步的发展。比较好的办法是把转子的交流电动势用整流器整成直流，再用一个可控的直流电动势去和它对接，就可以避免需要随时变频的麻烦。这种晶闸管整流设备与绕线式异步电动机串级连接以实现平滑调速，也称为串级调速，如图7.5.20所示。

图7.5.20　串级调速

这种调速方法具有调速范围宽，效率高（转差功率可反馈到电网），便于向大容量发展等优点。同时它的应用范围也很广，既适用于通风机负载，也可用于恒转矩负载。其缺点是功率因数较低，现采用电容补偿等措施，功率因数有所提高。总之，晶闸管串级调速向大功率发展是很有前途的。

5.利用电磁离合器调速（滑差电机）

电动机和负载（包括传动齿轮等）之间一般用联轴器硬性连接起来，只要调节电动机的转速，负载的转速也随着改变。既然异步电动机的调速比较麻烦，能不能不去调节电动机的转速，而在联轴器上面想办法呢？电磁离合器即是一种用电气方法来实现无级调速的联轴器。

这种装置由笼型异步电动机、电磁离合器和控制设备组成，如图7.5.21（a）所示。

图7.5.21　电磁离合器调速

1）结构特点

电磁离合器，根据它的结构形式、惯量大小和励磁线圈的供电方式可以分为多种，但不论是哪一种电磁离合器都是由电枢和磁极两个主要部分组成。电枢是用铸钢做成的圆筒形结构，用联轴器和电动机作硬性连接，并由电动机带着它转动，称为主动部分。被动部分是磁极，其铁心呈极状，绕有励磁绕组，从滑环引入直流电流If。磁极通过联轴器和生产机械作硬性连接，因而电枢与磁极在机械上是分开的，中间有气隙，如果不通励磁电流，则电枢与磁极互不相干。通励磁电流之后，才靠电磁作用互相联系起来，所以是一种电磁的离合器。

2）工作原理

在磁极励磁的条件下，当异步电动机带动离合器的电枢逆时针旋转时，由于电枢与磁极间作相对运动，因而使电枢感应产生涡流，其方向可按右手定则确定，如图7.5.21（b）所示。此电流又与磁场相互作用而产生转矩，按左手定则，转矩T作用在电枢上的方向是顺时针的，其反作用转矩加在磁极上则是逆时针的。后者使磁极随电枢旋转，并拖动负载，与负载力矩相平衡；前者则成为异步电动机的阻力矩，正如硬性连接的联轴器把负载阻力矩传递给电动机一样。所不同的是，硬性连接时，电动机和负载的转速完全相同，现在则不同，磁极转速n2一定慢于电枢转速，如果赶上，磁极与电枢之间便没有相对运动，就不会在电枢中感应出电动势，也就不能产生转矩。因此，磁极与电枢之间必须有一定的转速差（n-n2），这个原理和异步电动机的原理是很相似的，所以称为“电磁转差离合器”。它常与异步电动机装成一体，功率小的装在同一机壳内，总称“滑差电机”或“电磁调速异步电动机”。

由上述可知，当异步电动机带动圆筒形的电枢旋转时，因它切割磁极的磁力线而感应出涡流，涡流再与磁极相互作用产生转矩，拖动磁极跟随电枢而旋转，从而带动生产机械转动起来。显然，当励磁电流等于零时，磁极没有磁通，电枢不会产生涡流，不能产生转矩，磁极也就不会转动，这就相当于生产机械被“断开”；当通入励磁电流时，磁极立刻转动起来，这就相当于生产机械被“合上”。因此当负载一定时，如果减小励磁电流，将使磁极的磁通减少，转矩也随之减少，磁极与电枢的转速差增大，涡流增大，以便获得同样大的转矩，使负载稳定在比较低的转速下运行。所以，只要调节电磁离合器的励磁电流，就可以平滑地调节生产机械的转速。

3）使用注意事项

调速范围及调速精度是选用电磁调速异步电动机时必须考虑的因素。在多粉尘环境中使用时，应采取必要措施防止电枢表面积尘导致电枢与磁极间的气隙堵塞而影响调速。由于离合器存在摩擦转矩和剩磁，当负载小于10%的额定转矩，控制特性可能恶化，有时甚至会发生失控。离合器的效率近似地等于（1-S），因此该类电动机在低速运行时，效率是较低的。

电磁离合器设备简单，控制方便，可平滑调速，我国已生产出YZT系列的成套产品，适用于纺织、印染、印刷、建材等行业。