变转差率调速的作用和原理

图3-31　绕线式异步电动机的转子串电阻调速

1.绕线式异步电动机的转子串电阻调速

绕线式异步电动机的转子回路串接对称电阻的机械特性曲线如图3-31所示。从机械特性曲线上看，转子串入附加电阻时，n1、Tm不变，但sm要增大，特性斜率增大。当负载转矩一定时，串不同的电阻，可以得到不同的转速，所串电阻越大，电机转速就越低。如图3-27所示，因为nB＞nC，所以RS1＜RS2。

设sm、s、Tem为转子串接电阻前的量，s′m、s'、T′em为转子串入电阻RS后的量，利用实用机械特性的简化方程可知

又因为临界转差率和转子电阻成正比，故

于是转子串接的附加电阻为

当负载转矩保持不变，即恒转矩调速时，Tem=T′em（如图3-31中的A、B两点），则

如果调速时负载转矩发生了变化（如图3-31中的A、D两点）。则必须用式（3-54）来计算串接的电阻值。

绕线式异步电动机可以在转子回路串电阻来改善电动机的起动性能和改变电动机转速，但起动电阻是按短时通电设计的，而调速电阻是按长期通电设计的。

转子回路串电阻调速只适用于绕线式异步电动机，其优点是设备简单、操作方便，可在一定范围内平滑调速，调速过程中最大转矩不变，电动机过载能力不变。缺点是调速是有级的，不平滑的；低速时转差率较大，转子铜耗增加，电机效率降低，机械特性变软。这种调速方法多用于起重机一类对调速性能要求不高的恒转矩负载上。

【例3-6】 一台三相四极异步电动机，nN=1480r/min，f=50Hz，转子每相电阻r2=0.02Ω，若负载转矩不变，要求把转速降到1100r/min，试求转子回路每相所串的电阻为多大？

解：

当nN=1480r/min时，

当n=1100r/min时，

由于负载转矩不变，转子所串电阻为

图3-32　转子串Ead的串级调速原理图(www.xing528.com)

2.绕线式异步电动机的串级调速

在负载转矩不变的条件下，异步电动机的电磁功率Pem=TemΩ1=常数，转子铜损耗PCu2=sPem与转差率成正比，所以转子铜损耗又称为转差功率。转子串接电阻调速时，转速调得越低，转差功率越大、输出功率越小、效率就越低，所以转子串接电阻调速很不经济。

如果在转子回路中不串接电阻，而是串接一个与转子电动势同频率的附加电动势（图3-32），通过改变的幅值和相位，同样也可实现调速。这样，电动机在低速运行时，转子中的转差功率就只有小部分被转子绕组本身电阻所消耗，而其余大部分被附加电动势所吸收，利用产生的装置可以把这部分转差功率回馈到电网，使电动机在低速运行时仍具有较高的效率。这种在绕线转子异步电动机转子回路串接电动势的调速方法称为串级调速。

未串时，转子电流为

当转子串入的与=s反相位时，电动机的转速将下降。因为反相位的串入后，立即引起转子电流I2的减小，即

而电动机产生的电磁转矩也随I2的减小而减小，于是电动机开始减速，转差率s增大。由式（3-56）可知，随着s增大，转子电流I2开始回升，Tem也相应回升，直到转速降至某个值，I2回升到使得Tem复原到与负载转矩平衡时，减速过程结束，电动机便在此低速下稳定运行，这就是向低于同步转速方向调速原理。

串入反相位 的幅值越大，电动机的稳定转速就越低。

当转子串入的 与同相位时，电动机的转速将向高调节。因为同相位的串入后，立即将使I2增大，即

于是电动机的电磁转矩Tem相应增加，转速将上升，转差率减小，随着转差率的减小，转子电流I2开始减小，电磁转矩Tem也相应减小，直到转速上升到某个值，I2减小使得电磁转矩Tem复原到和负载转矩相平衡，这样电机的升速过程结束，电动机便在高速下稳定运行。

图3-33　绕线式异步电动机的斩波调速原理

串入的同相位幅值越大，电动机的稳定转速就越高。因此串级调速完全克服了转子串电阻调速的缺点，它具有高效率、无级平滑调速、较硬的低速机械特性等优点。但串级调速获得附加电动势的装置比较复杂，成本较高，因此串级调速最适用于调速范围不太大的场合，如通风机和提升机等。

3.绕线式异步电动机的斩波调速

绕线式异步电动机的斩波调速原理如图3-33所示，在三相桥式整流电路的一端接进绕线式异步电动机的转子绕组，另一端接入外电阻RP，在电阻两端并联一个斩波器，均匀改变斩波器的导通和断开的比率，便可以均匀改变电路中的电阻值，达到无级改变电动机转子串接电阻进行平滑调速的目的。

4.调压调速

三相异步电动机降低电源电压后，n1和sm都不变，但电磁转矩Tem∝，因此电压降低，电磁转矩随之变小，转速也随之下降，电压越低，电动机的转速就越低。如图3-34（a）中所示，转速n为固有机械特性曲线上的运行点的转速，n'为降压后的运行点的转速，＜U1，n'＜n。降压调速方法比较简单，但是对于一般鼠笼式异步电动机，当带恒转矩负载时其降压调速范围比较窄，因此没有多大的实用价值。

若电动机拖动风机类负载，如通风机，其负载转矩随转速变化的关系如图3-34（b）中的虚线所示，从a、a'、a″三个工作点对应转速看，降压调速时有较好的调速范围。因此调压调速适合于风机类负载。

图3-34　鼠笼式异步电动机调压调速（U1＞U'1＞U″1）

（a）恒转矩负载调压调速；（b）通风机负载调压调速；（c）高转差率电动机的调压调速

异步电动机的调压调速通常应用在专门设计的具有较大转子电阻的高转差率的异步电动机上。它即使带恒转矩负载，也有较宽的调速范围，如图3-34（c）所示。由图可知，不同的电源电压U1、、，可获得不同的工作点a、a'、a″，调速范围较宽。

但是这种电动机在低速时的机械特性太软，其静差率和运行稳定性往往不能满足工艺要求。因此，现代的调压调速系统通常采用速度负反馈闭环控制系统，以提高低速时机械特性硬度，从而在满足一定静差率的条件下，获得较宽的调速范围，同时保证电动机具有一定的过载能力。

调压调速既非恒转矩调速也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的风机类负载（如通风机负载），也可用于恒转矩负载，最不适合恒功率负载。