1.1 交流調(diào)速基礎(chǔ)

交流電動(dòng)機(jī)是將交流電的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。交流電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面。

1.1.1 三相交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

交流電動(dòng)機(jī)主要由一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成，此外要電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)還有機(jī)座、風(fēng)扇、端蓋、罩殼、軸承和接線盒等部件，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

1．定子

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子由機(jī)座和裝在機(jī)座內(nèi)的圓筒形鐵心以及其中的三相定子繞組組成。機(jī)座是用鑄鐵或鑄鋼制成的，鐵心是由互相絕緣的硅鋼片疊成的。鐵心的內(nèi)圓周表面沖有槽，用以放置對(duì)稱三相繞組A、B、C，定子的示意圖如圖1-2所示。定子的繞組連接方式有兩種：一是星形連接，即三相繞組有一個(gè)公共點(diǎn)相連，如圖1-3所示；二是三角形連接，即三相繞組首尾相連，如圖1-4所示。

2．轉(zhuǎn)子

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子根據(jù)構(gòu)造上的不同分為兩種形式：鼠籠式和繞線式。轉(zhuǎn)子鐵心是圓柱狀，也用硅鋼片疊成，表面沖有槽，鐵心裝在轉(zhuǎn)軸上，軸上加機(jī)械負(fù)載。

鼠籠式的轉(zhuǎn)子繞組做成鼠籠狀，就是在轉(zhuǎn)子鐵心的槽中放銅條，其兩端用端環(huán)連接。或者在槽中澆鑄鋁液，鑄成一鼠籠，這樣便可以用比較便宜的鋁來代替銅，同時(shí)制造也方便。因此，目前中小型鼠籠式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子很多都是鑄鋁的。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的“鼠籠”是它的構(gòu)造特點(diǎn)，易于識(shí)別。籠形轉(zhuǎn)子如圖1-5所示。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組同定子繞組一樣，也是三相的；它聯(lián)成星形。每相的始端連接在三個(gè)銅制的滑環(huán)上，滑環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上。環(huán)與環(huán)、環(huán)與轉(zhuǎn)軸都互相絕緣。在環(huán)上彈簧壓著碳質(zhì)電刷。以后就會(huì)知道，起動(dòng)電阻和調(diào)速電阻是借助于電刷同滑環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組連接的。通常就是根據(jù)繞線式異步電動(dòng)機(jī)具有三個(gè)滑環(huán)的構(gòu)造特點(diǎn)來辨認(rèn)它的。

3．電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

交流電動(dòng)機(jī)的原理：交流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子就是電磁鐵，轉(zhuǎn)子就是線圈。而定子和轉(zhuǎn)子是采用同一電源的，所以，定子和轉(zhuǎn)子中電流的方向變化總是同步的，即線圈中的電流方向變了，同時(shí)電磁鐵中的電流方向也變。旋轉(zhuǎn)過程的具體描述如下。

1）三相正弦交流電通入電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。

2）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

3）轉(zhuǎn)子繞組中感生電流。

4）轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來了。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)不到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，否則，就不能切割磁力線，就沒有感應(yīng)電勢(shì)，電動(dòng)機(jī)就停下來了。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速不一樣，差那么一些，稱之為異步。

設(shè)同步轉(zhuǎn)速為n_o，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)速差為n_o-n。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速之比定義為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，s是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況的主要參數(shù)，用如下公式表示。

4．旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生

（1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生

假設(shè)電動(dòng)機(jī)為2極電動(dòng)機(jī)，每相繞組只有一個(gè)線圈，定子采用星形連接。三相交流電的波形圖如圖1-6所示，定子的通電示意圖如圖1-7所示。以下詳細(xì)介紹其在0～T/2（T表示一個(gè)周期）這個(gè)區(qū)間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生過程。

1）t=0（起始階段）時(shí)。此時(shí)，i_A=0；i_B為負(fù)，電流實(shí)際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；i_C為正，電流實(shí)際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。按右手螺旋法則確定三相電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)，如圖1-8a中箭頭所示。

2）t=T/6時(shí)。此時(shí)，ωt=ωT/6=π/3（相位角），i_A為正（電流從A端流到X端）；i_B為負(fù)（電流從Y端流到B端）；i_C=0。此時(shí)的合成磁場(chǎng)如圖1-8b所示，合成磁場(chǎng)已從t=0瞬間所在位置順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了π/3。

3）t=T/3時(shí)。此時(shí)，ωt=ωT/3=2π/3（相位角），i_A為正；i_B=0；i_C為負(fù)。此時(shí)的合成磁場(chǎng)如圖1-8c所示，合成磁場(chǎng)已從t=0瞬間所在位置順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了2π/3。

4）t=T/2時(shí)。此時(shí)，ωt=ωT/2=π（相位角），i_A=0；i_B為正；i_C為負(fù)。此時(shí)的合成磁場(chǎng)如圖1-8d所示。合成磁場(chǎng)從t=0瞬間所在位置順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了π。按以上分析可以證明：當(dāng)三相電流隨時(shí)間不斷變化時(shí)，合成磁場(chǎng)的方向在空間也不斷旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

（2）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與三相交流電的相序一致。改變?nèi)嘟涣麟姷南嘈颍碅-B-C變?yōu)镃-B-A，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向。要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，只要任意對(duì)調(diào)三相電源的兩根接線即可。

1.1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速原理

1．三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

在異步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)速 n=（1-s）n₀，為了符合習(xí)慣畫法，可將曲線換成轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，即稱為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，理解異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是至關(guān)重要的，后續(xù)章節(jié)都會(huì)用到。異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式如下：

式（1-2）可簡(jiǎn)化為

式中 K——與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、電源頻率有關(guān)的一個(gè)常數(shù)；

m ₁——定子相數(shù)；

p——磁極對(duì)數(shù)；

U ₁——定子繞組電壓；

U——電源電壓；

R ₂——轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻；

X ₂₀——電動(dòng)機(jī)不動(dòng)（s=1）時(shí)轉(zhuǎn)子每相繞組的感抗；

?——主磁通；

I ₂——轉(zhuǎn)子電流折算值；

cosφ₂——功率因數(shù)（φ₂ 為轉(zhuǎn)子的電流時(shí)間滯后轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電角度）。

三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線如圖1-9所示。

從特性曲線上可以看出，其上有4個(gè)特殊點(diǎn)可以決定特性曲線的基本形狀和異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，這4個(gè)特殊點(diǎn)的情況如下。

（1）T=0，n=n₀，s=0

電動(dòng)機(jī)處于理想空載工作點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為理想空載轉(zhuǎn)速。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，即圖中的A點(diǎn)，坐標(biāo)為（0，n₀ ）。

（2）T=T_N，n=n_N，s=S_N

電動(dòng)機(jī)處于額定工作點(diǎn)，即圖中的Q_N點(diǎn)，坐標(biāo)為（T_N，n_N）。此時(shí)額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)差率為：

式中 P_N——電動(dòng)機(jī)的額定功率；

n _N——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，一般n_N=（0.94～0.985）n₀；

S _N——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率，一般S_N=0.06～0.015；

T _N——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

（3）T=T_st，n=0，S=1

電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)工作點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)剛接通電源，但轉(zhuǎn)速為0時(shí)，稱為起動(dòng)工作點(diǎn)，這時(shí)的轉(zhuǎn)矩T_st稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，也稱堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，即圖中的S點(diǎn)，坐標(biāo)為（T_st，0）。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足如下公式：

可見，異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_st與U、R₂ 及X₂₀有關(guān)。

1）當(dāng)施加在定子每相繞組上的電壓降低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)明顯減小。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻適當(dāng)增大時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大。

3）若增大轉(zhuǎn)子電抗則會(huì)使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大幅減小。

一般情況下：T_st≥1.5T_N ，這個(gè)數(shù)據(jù)是比較重要的。

（4）T=T_max，n=n_m，S=S_m

電動(dòng)機(jī)的臨界工作點(diǎn)，在這一點(diǎn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，稱為臨界轉(zhuǎn)矩T_max ，即圖中的M點(diǎn)，坐標(biāo)為（T_max，n_M）。臨界轉(zhuǎn)矩公式如下：

臨界轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比就是異步電動(dòng)機(jī)的過載能力，它表征了電動(dòng)機(jī)能夠承受沖擊負(fù)載的能力大小，是電動(dòng)機(jī)的又一個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)，一般過載能力λ_m ≥2，即

2．三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理

分析式1-5可知：異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有關(guān)，也與外加電源電壓U、電源頻率f有關(guān)，將關(guān)系式中的參數(shù)人為地加以改變而獲得的特性稱為異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。改變定子電壓U、定子電源頻率f、定子電路串入電阻或電抗、轉(zhuǎn)子電路串入電阻或電抗，改變磁極對(duì)數(shù)等，都可得到異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性，這就是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理。

（1）改變定子繞組電壓調(diào)速

這種調(diào)速方式實(shí)際就是改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。降壓調(diào)速，會(huì)降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)矩，并會(huì)使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，其調(diào)速范圍小，所以它并不是一種理想的調(diào)速方法。

（2）定子電路接入電阻R₂ 或電抗X₂₀時(shí)的人為特性

在電動(dòng)機(jī)定子電路中外串電阻或電抗后，電動(dòng)機(jī)端電壓為電源電壓減去定子外串電阻上或電抗上的壓降，致使定子繞組相電壓降低，這種情況下的人為特性與降低電源電壓時(shí)的相似，在此不再贅述。

（3）轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速

轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速，也是變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。在三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入電阻后如圖1-10a所示，轉(zhuǎn)子電路中的電阻為R₂+R_2r。

串電阻調(diào)速的特點(diǎn)：如圖1-10b所示，串電阻后，臨界轉(zhuǎn)矩不變，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加；機(jī)械特性變軟；低速時(shí)，調(diào)速范圍小；是一種有級(jí)調(diào)速；轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速的機(jī)械性能比定子串電阻要好，但這種調(diào)速方式僅用于繞線式電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，如起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)；低速時(shí)，能耗高。

（4）改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速

生產(chǎn)中，大量的生產(chǎn)機(jī)械并不需要連續(xù)平滑調(diào)速，只需要幾種特定的轉(zhuǎn)速，如只要求幾種轉(zhuǎn)速的有級(jí)變速的小功率機(jī)械，且對(duì)起動(dòng)性能要求不高，一般只在空載或輕載起動(dòng)可選用變級(jí)變速電動(dòng)機(jī)（雙速、三速、四速）。

特點(diǎn)：體積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍小，最大傳動(dòng)比是4；用于中小機(jī)床，替代齒輪箱，如早期的鏜床。這種調(diào)速方式的使用在減少。

（5）定子電源的變頻調(diào)速

1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。一般變頻調(diào)速采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即希望最大轉(zhuǎn)矩保持為恒值，為此在改變頻率的同時(shí)，電源電壓也要做相應(yīng)的變化，使 U/f為一個(gè)恒定值，這在實(shí)質(zhì)上是使電動(dòng)機(jī)氣隙磁通保持不變。如圖1-11所示，變頻器在頻率f₁ 和f₂ 工作時(shí)，就是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這種調(diào)速方式中，保持U/f不變，臨界轉(zhuǎn)矩不變，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變大，機(jī)械硬度不變。又由于P=9.55·T_N ·n，電動(dòng)機(jī)的輸出功率隨著其轉(zhuǎn)速的升高，成比例升高。

2）恒功率調(diào)速。當(dāng)工作頻率大于額定頻率（如 f₃＞f）時(shí)，變頻器是恒功率調(diào)速。保持定子繞組的電壓U不變，但磁通量φ_m要減小，所以也叫弱磁調(diào)速。由公式T=9.55可知，采用恒功率調(diào)速時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)降低，但機(jī)械硬度不變。可見，變頻調(diào)速是一種理想的調(diào)速方式。毫無疑問，這種調(diào)速方式將越來越多被采用，是當(dāng)前交流調(diào)速的主流。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果，交流電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式的一般性能和特點(diǎn)匯總于表1-1之中。