三相交流异步电动机的调速研究

三相交流异步电动机的调速研究

张世生

（淄博职业学院，山东淄博 255300）

摘要: 三相异步电动机的调速一直是电气传达的研究重点，从其速度公式可得三种调速方法，即变极、变转差率、变频。变极调速用于各种机床，其缺点明显；变转差率调速适用范围在变小；变频调速因其诸多优点，使用范围越来越大。

关键词: MODBUS，电动机、调速、变频。

一、调速公式

直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。但直流电动机由于受换向器限制，使其维修工作量大，事故率高，使用环境受限，很难向高电压、高转速、大容量发展。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点，但交流电动机的控制却比直流电动机复杂得多。早期的交流传动均用于不可调速传动，而可调速传动则用直流传动。随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流调速技术日益成熟，在许多方面已经可以取代直流调速系统，成为电气传动的主流。

根据异步电动机的转速公式可知，交流异步电动机有下列3种基本调速方法。

1.改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速。

2.改变转差率s，有改变电压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和串级调速。

3.改变电源频率f1，称为变频调速。

二、变极调速

在电源频率f1不变的条件下，改变电动机的极对数p，电动机的同步转速n1就会变化，从而改变电动机的转速n。若极对数减少一半，同步转速就升高一倍，电动机的转速也几乎升高一倍。这种调速方法通常用改变电动机定子绕组的接法来改变极对数。这种电动机称为多速电动机。其转子均采用笼型转子，转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便使用时调换。

目前，我国多极电动机定子绕组连接方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写为Y/YY，；另一种是从三角形改成双星形，写为△/YY，这两种接法可使电动机极对数减少一半。在改接绕组时，为了使电动机转向不变，应把绕组的相序改接一下。

变极调速主要用于各种机床及其他设备上。其优点是设备简单，操作方便，具有较硬的机械特性，稳定性好；其缺点是电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速，电动机体积大，制造成本高。

三、变转差率调速

改变定子电压调速、转子串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济；而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。

1.改变定子电压调速：由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，在一定转速下，异步电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此改变定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。同步转速n0不变，最大转差或临界转差率Sm不变。当负载为恒转矩负载TL时，随着电压从UN减小到0.7UN，转速相应地从n1减小到n2，转差率增大，显然可以认为调压调速属于改变转差率的调速方法。

该调速方法的调速范围较小，低压时机械特性太软，转速变化大。为改善调速特性，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。目前广泛采用晶闸管交流调压电路来实现定子调压调速。

2.转子串电阻调速：绕线式异步电动机转子串电阻调速。转子串电阻时最大转矩Tm不变，临界转差率增大。所串电阻越大，运行段机械特性斜率越大。

转子串电阻调速的优点是设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机，如桥式起重机等。缺点是转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。

3.串级调速：串级调速方式是指绕线式异步电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，从而达到调速的目的。其优点是可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。缺点是只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。

四、变频调速

交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的（即VVVF技术）。

交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成。它与直流调速系统相比具有以下显著优点。

1.变频调速装置的大容量化。直流电动机由于受换向器限制，单机容量、最高转速及使用环境都受到限制。其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电动机可做到6～10kV。直流电动机的转速一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电动机的速度可以达到每分钟数千转，以满足高速机械的运行要求。

2.变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。

3.变频调速系统可以直接在线启动，启动转矩大，启动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软启动装置。

4.变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。

5.变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60%。由于风机、水泵等负载的功率消耗与电动机转速的3次方成正比，因此当负载的转速小于电动机额定转速时，其节能潜力比较大。

参考文献：

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