交流电机调速方法及原理_异步电动机调速方法及原理

　　在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

　　从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

　　根据前述的知识，对于交流电动机，有：

　　其中，——旋转磁场转速

　　——定子绕组交流电源频率

　　——三相异步电动机的极数

　　——三相异步电动机转子转速

　　——转差率

　　由以上两式消去，可以得到：

　　……………………………………………………………………（式7-5-1）

　　根据上式，对异步电动机的调速有三个途径，即：①改变定子绕组极对数；②改变转差率；③改变电源频率。对于同步电动机，其转差率，它只具有两种调速方式。实际应用的交流调速方式有多种，以下对几种常用的方法简单介绍：

　　变极调速

　　这种调速方式只使用于专门生产的多级多速异步电动机。通过绕组的不同组合连接方式，可以获得二、三、四极3种速度，这种调速方式速度变化是有级的，只适用于一些特殊应用的场合，只能达到大范围粗调的目的。本课程第三章的学习单元八所介绍的正是双速电动机的变速控制，其它类似多级多速电动机的调速控制线路与之类似。

　　转子串电阻调速

　　这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机，它是通过改变串联于转子电路中的电阻阻值的方式，来改变电动机的转差率，进而达到调速的目的。由于外部串联电阻的阻值可以多级改变，故可实现多种速度的调速（原理上，也可实现无级调速）。但由于串联电阻消耗功率，效率较低，同时这种调速方式机械特性较软，只适用于调速性能要求不高的场合。

　　串级调速

　　这种调速方式只适用于绕线式异步电动机，它是通过一定的电子设备将转差功率反馈到电网中加以利用的方法。在风机、泵类传动系统中应用较广。

　　调压调速

　　图1 调压调速示意图

　　如图1是将晶闸管反并联连接，构成交流调速电路，通过调整晶闸管的触发角，改变异步电动机的端电压进行调速。这种方式也改变转差率，转差功率消耗在转子回路中，效率较低，较适用于特殊转子电动机（例如深槽电动机等高转差率电动机）中。通常，这种调速方法应构成转速或电压闭环，才能实际应用。

　　电磁调速异步电动机

　　这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合传递机械功率，调节电磁耦合器的励磁，可调整转差率的大小，从而达到调速的目的。该调速系统结构简单，价格便宜，适用于简单的调整系统中。但它的转差功率消耗在耦合器上，效率低。

　　变频调速

　　改变供电频率，可使异步电动机获得不同的同步转速。采用变频机对异步电动机供电的调速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半导体器件构成的静止变频器电源。目前这类调速方法已成为交流调速发展的主流。

　　调速方法

　　从异步电动机的转速关系式：

　　n=n1（1-S）=60（f1/P）（1-S）

　　可见，要改变异步电动机的转速，可从下列三个方面着手：

　　1.改变异步电动机定子绕组的极对数P，以改变定子旋转磁场的转速n1，即所谓变极调速（不能均匀调速）。

　　2.改变电动机所接电源的频率以改变n1，即所谓变频调速；

　　3.改变电动机的转差率S。

　　其中，改变转差率S有很多种方法。当负载的总制动转矩不变时，与它平衡的电磁转矩也跟着不变，于是，从电磁转矩参数表达式（略）可见，当频率f1和极对数P不变时，转差率S是定子端电压、定子电阻、漏抗等物理量的函数，因此，改变转差率S的方法有下列几种：

　　（1）改变加与定子的端电压，为此需用调压器调压；

　　（2）改变定子电阻或漏抗，为此须在定子串联外加电阻或电抗器；

　　（3）改变转子电阻，为此采用绕线式电动机，在转子回路串入外加电阻；

　　（4）改变转子电抗，为此须在转子回路串入电抗或电容器。

　　（5）在转子回路中引入一个转差率f2=Sf1的外加电势，为此须利用另一台电机来供给所需的外加电势，该电机可与原来电动机共轴，或不共轴，这样将几台电机在电方面串联在一起以达到调速目的，称为串级调速。串级调速可用一种可控硅调速来代替。其基本原理为：先将异步电动机转子回路中的转差频率交流电流用半导体整流器整流为直流，再经过可控硅逆变器把直流变为交流，送回到交流电网中去。这时逆变器的电压便相当于加到转子回路中的电势，控制逆变器的逆变角，可改变逆变器的电压，也即改变加于转子回路中的电势，从而实现调速的目的。

　　从上分析，可见异步电动机的调速方法很多，下面介绍主要的三种，即变极调速、变频调速和改变转子电阻调速。

　　变极调速

　　由于一般异步电动机正常运行时的转差率S都很小，电机的转速n= n1（1-S）决定于同步转速n1。从n1=60f1/P可见，在电源频率f1不变的情况下，改变定子绕组的极对数P，同步转速n1就发生变化，例如极对数增加一倍，同步转速就下降一半，随之电动机的转速也约下降一半。显然，这种调速方法只能做到一级一级地改变转速，而不是平滑调速。

　　变极电动机一般都用鼠笼式转子，因为鼠笼转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线式转子，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数，很不方便。

　　要使定子具有两种极对数，容易得到的办法是用两套极对数不同的定子绕组，每次用其中一套，即所谓双绕组变极，显然，这是一个很不经济的办法，只在特殊情况下才采用。理想的办法是：只装一套定子绕组而用改变绕组接法来获得两种或多种极对数，即所谓单绕组变极。对于倍极比情况（如2/4极、4/8极等），单绕组变极早已为人们所采用，随着科学技术的发展，非倍极比（如4/6极、6/8极等）以及三速（如4/6/8等）采用单绕组变极也得到广泛应用。

　　变频调速

　　当电源的频率f1改变时，同步转速n1=60f1/P与频率成正比变化，于是电动机的转速n也随之改变，所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。

　　变频调速按控制方式不同，可分为U/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。

　　（1） U/f控制。U/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。通用型变频器基本上都采用这种控制方式。U/f控制变频器结构非常简单，缺点是变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且在低频时必须进行转矩补偿，才能改善低频转矩特性。

　　（2） 转差频率控制。转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在U/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，以对频率和电流进行控制，因此是一种闭环控制方式。该方式可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

　　（3）矢量控制。矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、O坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序、时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的，例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前，在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于专差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。

　　基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制。使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此应用范围受到限制。

　　无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理，分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速，以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，起动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算。因此，该方式实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。

　　（4）直接转矩控制。直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于一台变频器向多台电动机供电的多拖动具有负荷平衡功能。

　　变频调速用于风机和泵类机械的节能效果明显。

　　以上各类控制适用于变频调速专用电机。变频电机由传统的鼠笼式电动机发展而来，把传统的电机风机改为独立出来的风机，并且提高了电机绕组的绝缘性能。

　　转子回路串电阻调速

　　在转子回路串一变阻器调速只适用于绕线式异步电动机。调速时的接线图和起动时的一样，所不同的是：一般起动变阻器都是短时工作的，而调速用的变阻器应为长期工作的。

　　调速时的物理过程和直流电动机在电枢回路中串电阻调速一样。在变阻器的电阻增加最初瞬间，电动机的的转速还来不及改变，因此转子电流减小，相应地电磁转矩也减小，电动机的转速开始下降，而转子的电势开始增加，随之转子电流又回头增加。这个过程一直进行到转子电流增加到与其对应的电磁转矩和总负载转矩互相平衡为止，这时电动机在一个较低转速下稳定运行。

　　当转子回路串入调速电阻时，若电动机总负载转矩保持不变，电动机从一个运行点到另一个运行点，相应地转差率从S1增加到S2，转速则从n1（1-S1）降到n1（1-S2）。增加调速电阻，转速便越下降。

　　从转子回路串电阻调速曲线图（略）可见在一定的调速电阻变化范围内，调速范围的大小随负载的轻重而变化；在空载下调速，则调速范围甚小，实际上达不到调速的目的。

　　此外，在恒转矩调速时，从电磁转矩参数表达式（略）可知，恒转矩调速时转差率s将随转子回路总电阻成正比例变化，总电阻增加一倍，则转差率也增加一倍，于是根据等效电路可见：恒转矩调速时，定、转子电流、输入功率、气隙磁场和电磁功率皆不变，而与转子回路串入电阻的大小无关。于是，如果把转速调得愈低，即转差率愈大，就需要在转子回路串入愈大的电阻，随之转子铜耗就愈大，电动机效率就愈低。可见这种调速方法很不经济，降低转速所减少的输出功率全部消耗于调速电阻的铜耗上。另一缺点是转子加电阻后电动机的机械特性变软，即负载变化时转速将发生显著变化。

　　由此可见在转子回路串电阻调速存在很多缺点，但由于比较简单，又可平滑调速，在中小容量的绕线式电动机还是用得不少，例如交流电源的桥式起重机几乎都用到这种方法调速。