3.3.2 三相异步电动机的调速

1.调速原理

三相异步电动机的转速表达式为

根据式（3-35），异步电动机的基本调速方法一般分为改变同步转速、不改变同步转速（即改变转差率调速）两类。其中，改变同步转速调速包括变频调速（改变f₁ ）、变极调速（改变磁极对数p），不改变同步转速（变转差率调速，改变电动机转差率s），如绕线转子异步电动机转子回路串电阻（转子串电阻调速）、绕线转子异步电动机转子回路串电动势（串级调速）、定子回路串电抗、改变电动机定子电源电压（电压调速）。图3-19所示为异步电动机各种调速方法及其人为机械特性。其中，T_L是负载转矩；电压调速、变频调速是无级调速，转子回路串电阻调速、变极调速是有级调速。

电磁调速电动机不属于上述基本调速方法。

2.调速方法

（1）变频调速

现代工业企业使用的耗电设备中，风机、水泵、空压机、液压油泵、循环泵等电动机类负载占绝大多数。由于受到技术条件限制，这类负载的流量、压力或风量控制系统几乎全部是阀控系统，即电动机由额定转速驱动运转，系统提供的流量、压力或风量恒定。当设备工况发生变化时，一般由设在出口端的溢流阀、溢压阀或比例调节阀等来调节负载流量、压力或风量，从而满足设备工况变化的需要。而经溢流阀、溢压阀或比例调节阀溢流、溢压后，会释放大量的能量，这部分耗散的能量实际上是电动机从电网吸收能量中的一部分，造成了电能的极大浪费。从这类负载的工作特性可知，其电动机功率与转速的三次方成正比，而转速又与频率成正比。如果改变电动机的工作方式，使其不总是在额定工作频率下运转，而是改由变频调整控制系统进行起停控制和运行调整，则其转速就可以在0～2900 r/min的范围内连续可调，即输出的流量、压力或风量也随之可在0～100%范围内连续可调，使之与负载精确匹配，从而达到节能降耗的目的。

我国实际应用中的电动机同国外相比差距很大，国产机组效率为75%，比国外低10%；系统运行效率为30%～40%，比国际先进水平低20%～30%。因此，我国中小型电动机具有极大的节能潜力，推行电动机节能势在必行。由于异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠，可用于恶劣的环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。特别是对各行各业的泵类和风机的拖动上非彼莫属，因此，拖动泵类和风机的电动机节能工作备受重视。

相对于其他调速方式（如减压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等），变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日臻完善，已成为交流电动机调速的最新潮流。变频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便，有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变频器现已成为工业企业实施节能降耗的首选产品。

变频电动机节电器是一种新一代电动机专用控制产品，基于微处理器数字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电动机运行过程中的电压和电流，在不改变电动机转速的条件下，保证电动机的输出转矩与负荷需求精确匹配，从而有效避免电动机因输出转矩过大造成的电能浪费。

（2）变频调速节电原理

电动机的额定频率称为基频，变频调速分为从基频向上调、从基频向下调两类。下面主要分析两类典型负载应用的节电原理。

1）基频向下调速，适合恒转矩负载类应用。恒转矩负载即不管转速如何变化，负载转矩是恒定的，即

式中 k——系数。

可见，轴功率与电动机的转速成正比，当由于工艺的需要而调整电动机转速时，自然可以获得相应比例的节电效果。

三相异步电动机运行时，降低电源频率f₁ ，保持U₁不变，势必增加Ф₁ ，引起电动机磁路过于饱和，励磁电流急剧增加，电动机无法运行。因此，降低电源频率f₁ ，需要同时降低电源电压U₁ ，实施恒压频比控制。

① E₁/f₁ =常数，Ф₁保持不变，为恒磁通控制方式。电动机电磁转矩为

式中——常数。

由式（3-37）可见，T不变，则，且

式（3-38）表明，针对恒转矩负载，不管f₁如何变化，Δn都相等，即机械特性是相互平行的，最大转矩T_m不变，对应的s_m满足。

② U₁/f₁ =常数，近似恒磁通控制方式。最大转矩T_m变化，低频时，T_m下降多，可能出现带不动负载的现象。

2）基频向上调速，适合变转矩负载（恒功率）类应用。离心风机、泵类是典型的变转矩负载，其工作特点为大多数长期连续运行，由于负载转矩与转速的二次方成正比，所以一旦转速超过额定转速，就会造成电动机的严重过载。因此，风机、泵类一般不能超过额定功率运行。

基频向上提高频率，保持电源电压U₁ =U_N不变，f₁越高，磁通Ф₁越小，类似他励直流电动机弱磁调速方法。频率越高，T_m越小、s_m越小。保持工作电流不变，异步电动机电磁功率基本不变。

（3）变极调速

通过改变三相异步电动机定子绕组的接线方式来改变电动机的磁极对数p，可以改变同步转速n₁ ，从而调节电动机转速。三相笼型异步电动机的定子绕组，如果仅改变每相绕组中半相绕组的电流方向，则电动机的磁极对数成倍变化，同步转速也成倍改变，因此，电动机运行的转速也接近成倍变化。由于绕线转子异步电动机转子磁极对数不能自动随定子磁极对数变化，而同时改变定子和转子绕组磁极对数比较麻烦，因此，绕线转子异步电动机一般不采用变极调速方式。

此外，为了保证变极调速前后电动机的转向不变，当改变定子绕组的接线时，必须同时改变电源的相序。实现变极的接线方式有多种，包括、△-等。

1）变极联结。联结时，每相的两个半相绕组正向串联，磁极对数为2p、同步转速为n₁；联结时，每相的两个半相绕组反向并联，磁极对数为p、同步转速为2 n₁。同时，改变任意两相电源的相序。假定异步电动机变极调速运行时，电动机的功率因数、效率保持不变，各半相绕组允许流过的额定电流为I₁ ，联结、联结时电动机的输出功率与转矩分别为

式（3-42）表明，变极调速属于恒转矩调速方式。

2）△-变极联结。△联结时，每相的两个半相绕组正向串联，磁极对数为2p、同步转速为n₁；联结时，每相的两个半相绕组反向并联，磁极对数为p、同步转速2n₁。同时，改变任意两相电源的相序。假定异步电动机变极调速运行时，电动机的功率因数、效率保持不变，各半相绕组允许流过的额定电流为I₁ ，△联结、联结时电动机的输出功率与转矩分别为

式（3-46）表明，△-变极调速不属于恒转矩调速方式，而近似为恒功率调速方式。

上述、△-变极联结的电动机都是双速电动机，其磁极对数成倍变化，电动机的转速也是成倍变化的。还有更加复杂的变极联结，使得一套绕组获得非整数倍比的以及三种、三种以上的磁极对数。

（4）转子串电阻调速

转子串电阻调速属于恒转矩调速方式。在保持T=T_L调速过程，从定子传送到转子的电磁功率 P_M =TΩ₁不变，但传送到转子后，P_m、P_Cu2两部分功率的分配关系发生变化，即

式（3-47）表明，转速越低时，s 越大，则机械功率 P_m部分变小，而转子铜损耗P_Cu2增大，损耗大、效率低。基速向下调速时，主要依靠转子回路串接的电阻多消耗转差功率P_s =sP_M，少输出机械功率P_m，使电动机转速降低。如图3-17所示，转子串电阻调速的特点如下。

1）转子串电阻，同步转速n₁不变，最大转矩T_m也不变。

2）转子串电阻越大，机械特性越软。

3）转子串电阻，临界转差率s_m变化，当s_m ＜1时，串接电阻越大，堵转转矩越大；当s_m ＞1时，串接电阻越大，堵转转矩越小。

4）优点是调速设备简单、投资不高、易于实现。缺点是有级调速、调速平滑性差，空载或轻载时转速变化不大；低速时转子铜损耗大、效率低，机械特性较软。

（5）串级调速

如图3-20所示，串级调速类似转子串电阻调速方式，在转子回路串接一个频率与转子频率f₂相同、相位与转子电动势相反的附加电动势来吸收转差功率，减少输出的机械功率，达到降低转速的目的。此时，转差功率由提供附加电动势的装置回收利用，达到节能的目的。串接的附加电动势的相位与转子电动势也可以相同，但频率必须与转子频率f₂相同。

串级调速的特点为效率高、机械特性硬，可实现无级调速、调速平滑性好；缺点是调速设备成本高，低速时过载能力弱、系统的功率因数较低。因此，串级调速适合应用于调速范围不大的场合，如水泵、风机以及矿井提升机械调速。

图3-21所示为交流励磁双馈风力发电系统原理图。采用的交流励磁双馈发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过变换器供以频率、幅值、相位和相序都可以改变的三相低频励磁电流。由于风速变化引起发电机转速改变时，通过变换器调节发电机转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁动势相对于定子的转速始终是同步的，保持定子感应电动势频率为定值，发电系统变速恒频运行。通过控制双馈发电机转差频率实现了双馈调速。双馈发电机在稳定运行时，定子旋转磁动势与转子旋转磁动势都是相对静止、同步旋转的，因此当双馈发电机稳定运行时，其定、转子旋转磁场相对静止，即

n ₁ =60f₁/p，n₂ =60f₂/p，式（3-48）可写为

式中 n——发电机转速。

当发电机转速变化时，可以通过调节转子励磁电流频率f₂来维持定子输出频率恒定，实现变速恒频运行，无须像恒速恒频异步发电机那样，转子转速必须等于同步转速。

1）当发电机处于亚同步运行时，f₂ ＞0，即取“+”号，电网通过转子侧变流器向双馈发电机转子提供正序低频交流励磁和滑差功率。

2）发电机处于超同步运行时，f₂ ＜0，即取“-”号，电网通过转子侧变流器向双馈发电机转子提供负序低频交流励磁，同时，双馈发电机转子经定子侧变流器向电网馈入滑差功率。

3）当发电机同步运行时，f₂ =0，双馈发电机与变流器间无功率交换，转子进行直流励磁。

（6）电压调速

如图3-19 a所示为异步电动机电压调速机械特性，其中，。针对通风机负载，在不同的电压下稳定工作点分别为A、B、C。可见，当定子电压降低时，电动机转速相应下降，达到调速的目的。电压调速的特点如下。

1）对于通风机类负载，调速范围大，但在低转速时，Ф₁较小、cosφ₂降低，转子电流I₂较大，转子铜损耗增大，电动机发热严重，因此，电动机不能在低速下长期运行。

2）对于恒转矩负载，调速范围很小，因此，实用价值不大。

（7）电磁调速电动机

电磁调速电动机又称为滑差电动机，由三相笼型异步电动机、电磁转差离合器、测速发电机和控制装置等组成，其中，三相笼型异步电动机为电磁调速电动机的驱动电动机；电磁转差离合器主要由电枢和磁极两部分组成，电枢和磁极之间为气隙，电枢与磁极能够各自独立旋转。电磁转差离合器的工作原理如图3-22所示，励磁绕组通入直流电流后，沿磁极圆周交替产生N、S极，磁力线通过磁极N→气隙→电枢→气隙→磁极S→辅助气隙→导磁体→辅助气隙→磁极N形成回路。

图3-22中，电枢与磁极无机械连接，而是通过电磁作用联系。因电枢由笼型异步电动机带动，可以假定以恒速n_D旋转，这时，电枢切割磁力线产生感应电动势并形成涡流，该涡流与磁场作用产生电磁转矩，作用于磁极上的电磁转矩的实际方向与电枢旋转方向相同，结果是使得磁极跟着电枢同方向旋转。

磁极的转速n₂就是电磁转差离合器的转速，也就是电磁调速电动机的输出转速，n₂的大小取决于磁极电磁转矩的大小，即取决于励磁电流的大小。当负载转矩恒定时，励磁电流越大，n₂越大，但n₂始终低于电枢转速n_D ，因为没有转差（ n₂-n_D ），电枢就不会有感应电动势，就不会有涡流，也就没有电磁转矩了。

电磁调速电动机的原动机为笼型异步电动机，在额定转矩范围内，其转速变化不大，所以，电磁调速电动机的机械特性取决于电磁转差离合器的机械特性，如图3-23所示。其中，理想空载转速就是异步电动机的转速n_D ，随着负载转矩的增大，输出转速n₂下降较多，即特性较软；励磁电流I_L越小，机械特性越软，且存在一个小的失控区。