3.3.2 三相異步電動機的調速

1.調速原理

三相異步電動機的轉速表達式為

根據式（3-35），異步電動機的基本調速方法一般分為改變同步轉速、不改變同步轉速（即改變轉差率調速）兩類。其中，改變同步轉速調速包括變頻調速（改變f₁ ）、變極調速（改變磁極對數p），不改變同步轉速（變轉差率調速，改變電動機轉差率s），如繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻（轉子串電阻調速）、繞線轉子異步電動機轉子回路串電動勢（串級調速）、定子回路串電抗、改變電動機定子電源電壓（電壓調速）。圖3-19所示為異步電動機各種調速方法及其人為機械特性。其中，T_L是負載轉矩；電壓調速、變頻調速是無級調速，轉子回路串電阻調速、變極調速是有級調速。

電磁調速電動機不屬于上述基本調速方法。

2.調速方法

（1）變頻調速

現代工業企業使用的耗電設備中，風機、水泵、空壓機、液壓油泵、循環泵等電動機類負載占絕大多數。由于受到技術條件限制，這類負載的流量、壓力或風量控制系統幾乎全部是閥控系統，即電動機由額定轉速驅動運轉，系統提供的流量、壓力或風量恒定。當設備工況發生變化時，一般由設在出口端的溢流閥、溢壓閥或比例調節閥等來調節負載流量、壓力或風量，從而滿足設備工況變化的需要。而經溢流閥、溢壓閥或比例調節閥溢流、溢壓后，會釋放大量的能量，這部分耗散的能量實際上是電動機從電網吸收能量中的一部分，造成了電能的極大浪費。從這類負載的工作特性可知，其電動機功率與轉速的三次方成正比，而轉速又與頻率成正比。如果改變電動機的工作方式，使其不總是在額定工作頻率下運轉，而是改由變頻調整控制系統進行起停控制和運行調整，則其轉速就可以在0～2900 r/min的范圍內連續可調，即輸出的流量、壓力或風量也隨之可在0～100%范圍內連續可調，使之與負載精確匹配，從而達到節能降耗的目的。

我國實際應用中的電動機同國外相比差距很大，國產機組效率為75%，比國外低10%；系統運行效率為30%～40%，比國際先進水平低20%～30%。因此，我國中小型電動機具有極大的節能潛力，推行電動機節能勢在必行。由于異步電動機具有結構簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、運行可靠，可用于惡劣的環境等優點，在工農業生產中得到了廣泛的應用。特別是對各行各業的泵類和風機的拖動上非彼莫屬，因此，拖動泵類和風機的電動機節能工作備受重視。

相對于其他調速方式（如減壓調速、變極調速、滑差調速、交流串級調速等），變頻調速性能穩定、調速范圍廣、效率高，隨著現代控制理論和電力電子技術的發展，交流變頻調速技術日臻完善，已成為交流電動機調速的最新潮流。變頻調速裝置（變頻器）已在工業領域得到廣泛應用。使用變頻器調速信號傳遞快、控制系統時滯小、反應靈敏、調節系統控制精度高、使用方便，有利于提高產量、保證質量、降低生產成本，因而使用變頻器現已成為工業企業實施節能降耗的首選產品。

變頻電動機節電器是一種新一代電動機專用控制產品，基于微處理器數字控制技術，通過其內置的專用節電優化控制軟件，動態調整電動機運行過程中的電壓和電流，在不改變電動機轉速的條件下，保證電動機的輸出轉矩與負荷需求精確匹配，從而有效避免電動機因輸出轉矩過大造成的電能浪費。

（2）變頻調速節電原理

電動機的額定頻率稱為基頻，變頻調速分為從基頻向上調、從基頻向下調兩類。下面主要分析兩類典型負載應用的節電原理。

1）基頻向下調速，適合恒轉矩負載類應用。恒轉矩負載即不管轉速如何變化，負載轉矩是恒定的，即

式中 k——系數。

可見，軸功率與電動機的轉速成正比，當由于工藝的需要而調整電動機轉速時，自然可以獲得相應比例的節電效果。

三相異步電動機運行時，降低電源頻率f₁ ，保持U₁不變，勢必增加Ф₁ ，引起電動機磁路過于飽和，勵磁電流急劇增加，電動機無法運行。因此，降低電源頻率f₁ ，需要同時降低電源電壓U₁ ，實施恒壓頻比控制。

① E₁/f₁ =常數，Ф₁保持不變，為恒磁通控制方式。電動機電磁轉矩為

式中——常數。

由式（3-37）可見，T不變，則，且

式（3-38）表明，針對恒轉矩負載，不管f₁如何變化，Δn都相等，即機械特性是相互平行的，最大轉矩T_m不變，對應的s_m滿足。

② U₁/f₁ =常數，近似恒磁通控制方式。最大轉矩T_m變化，低頻時，T_m下降多，可能出現帶不動負載的現象。

2）基頻向上調速，適合變轉矩負載（恒功率）類應用。離心風機、泵類是典型的變轉矩負載，其工作特點為大多數長期連續運行，由于負載轉矩與轉速的二次方成正比，所以一旦轉速超過額定轉速，就會造成電動機的嚴重過載。因此，風機、泵類一般不能超過額定功率運行。

基頻向上提高頻率，保持電源電壓U₁ =U_N不變，f₁越高，磁通Ф₁越小，類似他勵直流電動機弱磁調速方法。頻率越高，T_m越小、s_m越小。保持工作電流不變，異步電動機電磁功率基本不變。

（3）變極調速

通過改變三相異步電動機定子繞組的接線方式來改變電動機的磁極對數p，可以改變同步轉速n₁ ，從而調節電動機轉速。三相籠型異步電動機的定子繞組，如果僅改變每相繞組中半相繞組的電流方向，則電動機的磁極對數成倍變化，同步轉速也成倍改變，因此，電動機運行的轉速也接近成倍變化。由于繞線轉子異步電動機轉子磁極對數不能自動隨定子磁極對數變化，而同時改變定子和轉子繞組磁極對數比較麻煩，因此，繞線轉子異步電動機一般不采用變極調速方式。

此外，為了保證變極調速前后電動機的轉向不變，當改變定子繞組的接線時，必須同時改變電源的相序。實現變極的接線方式有多種，包括、△-等。

1）變極聯結。聯結時，每相的兩個半相繞組正向串聯，磁極對數為2p、同步轉速為n₁；聯結時，每相的兩個半相繞組反向并聯，磁極對數為p、同步轉速為2 n₁。同時，改變任意兩相電源的相序。假定異步電動機變極調速運行時，電動機的功率因數、效率保持不變，各半相繞組允許流過的額定電流為I₁ ，聯結、聯結時電動機的輸出功率與轉矩分別為

式（3-42）表明，變極調速屬于恒轉矩調速方式。

2）△-變極聯結。△聯結時，每相的兩個半相繞組正向串聯，磁極對數為2p、同步轉速為n₁；聯結時，每相的兩個半相繞組反向并聯，磁極對數為p、同步轉速2n₁。同時，改變任意兩相電源的相序。假定異步電動機變極調速運行時，電動機的功率因數、效率保持不變，各半相繞組允許流過的額定電流為I₁ ，△聯結、聯結時電動機的輸出功率與轉矩分別為

式（3-46）表明，△-變極調速不屬于恒轉矩調速方式，而近似為恒功率調速方式。

上述、△-變極聯結的電動機都是雙速電動機，其磁極對數成倍變化，電動機的轉速也是成倍變化的。還有更加復雜的變極聯結，使得一套繞組獲得非整數倍比的以及三種、三種以上的磁極對數。

（4）轉子串電阻調速

轉子串電阻調速屬于恒轉矩調速方式。在保持T=T_L調速過程，從定子傳送到轉子的電磁功率 P_M =TΩ₁不變，但傳送到轉子后，P_m、P_Cu2兩部分功率的分配關系發生變化，即

式（3-47）表明，轉速越低時，s 越大，則機械功率 P_m部分變小，而轉子銅損耗P_Cu2增大，損耗大、效率低。基速向下調速時，主要依靠轉子回路串接的電阻多消耗轉差功率P_s =sP_M，少輸出機械功率P_m，使電動機轉速降低。如圖3-17所示，轉子串電阻調速的特點如下。

1）轉子串電阻，同步轉速n₁不變，最大轉矩T_m也不變。

2）轉子串電阻越大，機械特性越軟。

3）轉子串電阻，臨界轉差率s_m變化，當s_m ＜1時，串接電阻越大，堵轉轉矩越大；當s_m ＞1時，串接電阻越大，堵轉轉矩越小。

4）優點是調速設備簡單、投資不高、易于實現。缺點是有級調速、調速平滑性差，空載或輕載時轉速變化不大；低速時轉子銅損耗大、效率低，機械特性較軟。

（5）串級調速

如圖3-20所示，串級調速類似轉子串電阻調速方式，在轉子回路串接一個頻率與轉子頻率f₂相同、相位與轉子電動勢相反的附加電動勢來吸收轉差功率，減少輸出的機械功率，達到降低轉速的目的。此時，轉差功率由提供附加電動勢的裝置回收利用，達到節能的目的。串接的附加電動勢的相位與轉子電動勢也可以相同，但頻率必須與轉子頻率f₂相同。

串級調速的特點為效率高、機械特性硬，可實現無級調速、調速平滑性好；缺點是調速設備成本高，低速時過載能力弱、系統的功率因數較低。因此，串級調速適合應用于調速范圍不大的場合，如水泵、風機以及礦井提升機械調速。

圖3-21所示為交流勵磁雙饋風力發電系統原理圖。采用的交流勵磁雙饋發電機，定子繞組與電網直接相連，轉子繞組通過變換器供以頻率、幅值、相位和相序都可以改變的三相低頻勵磁電流。由于風速變化引起發電機轉速改變時，通過變換器調節發電機轉子的勵磁電流頻率來改變轉子磁勢的旋轉速度，使轉子磁動勢相對于定子的轉速始終是同步的，保持定子感應電動勢頻率為定值，發電系統變速恒頻運行。通過控制雙饋發電機轉差頻率實現了雙饋調速。雙饋發電機在穩定運行時，定子旋轉磁動勢與轉子旋轉磁動勢都是相對靜止、同步旋轉的，因此當雙饋發電機穩定運行時，其定、轉子旋轉磁場相對靜止，即

n ₁ =60f₁/p，n₂ =60f₂/p，式（3-48）可寫為

式中 n——發電機轉速。

當發電機轉速變化時，可以通過調節轉子勵磁電流頻率f₂來維持定子輸出頻率恒定，實現變速恒頻運行，無須像恒速恒頻異步發電機那樣，轉子轉速必須等于同步轉速。

1）當發電機處于亞同步運行時，f₂ ＞0，即取“+”號，電網通過轉子側變流器向雙饋發電機轉子提供正序低頻交流勵磁和滑差功率。

2）發電機處于超同步運行時，f₂ ＜0，即取“-”號，電網通過轉子側變流器向雙饋發電機轉子提供負序低頻交流勵磁，同時，雙饋發電機轉子經定子側變流器向電網饋入滑差功率。

3）當發電機同步運行時，f₂ =0，雙饋發電機與變流器間無功率交換，轉子進行直流勵磁。

（6）電壓調速

如圖3-19 a所示為異步電動機電壓調速機械特性，其中，。針對通風機負載，在不同的電壓下穩定工作點分別為A、B、C。可見，當定子電壓降低時，電動機轉速相應下降，達到調速的目的。電壓調速的特點如下。

1）對于通風機類負載，調速范圍大，但在低轉速時，Ф₁較小、cosφ₂降低，轉子電流I₂較大，轉子銅損耗增大，電動機發熱嚴重，因此，電動機不能在低速下長期運行。

2）對于恒轉矩負載，調速范圍很小，因此，實用價值不大。

（7）電磁調速電動機

電磁調速電動機又稱為滑差電動機，由三相籠型異步電動機、電磁轉差離合器、測速發電機和控制裝置等組成，其中，三相籠型異步電動機為電磁調速電動機的驅動電動機；電磁轉差離合器主要由電樞和磁極兩部分組成，電樞和磁極之間為氣隙，電樞與磁極能夠各自獨立旋轉。電磁轉差離合器的工作原理如圖3-22所示，勵磁繞組通入直流電流后，沿磁極圓周交替產生N、S極，磁力線通過磁極N→氣隙→電樞→氣隙→磁極S→輔助氣隙→導磁體→輔助氣隙→磁極N形成回路。

圖3-22中，電樞與磁極無機械連接，而是通過電磁作用聯系。因電樞由籠型異步電動機帶動，可以假定以恒速n_D旋轉，這時，電樞切割磁力線產生感應電動勢并形成渦流，該渦流與磁場作用產生電磁轉矩，作用于磁極上的電磁轉矩的實際方向與電樞旋轉方向相同，結果是使得磁極跟著電樞同方向旋轉。

磁極的轉速n₂就是電磁轉差離合器的轉速，也就是電磁調速電動機的輸出轉速，n₂的大小取決于磁極電磁轉矩的大小，即取決于勵磁電流的大小。當負載轉矩恒定時，勵磁電流越大，n₂越大，但n₂始終低于電樞轉速n_D ，因為沒有轉差（ n₂-n_D ），電樞就不會有感應電動勢，就不會有渦流，也就沒有電磁轉矩了。

電磁調速電動機的原動機為籠型異步電動機，在額定轉矩范圍內，其轉速變化不大，所以，電磁調速電動機的機械特性取決于電磁轉差離合器的機械特性，如圖3-23所示。其中，理想空載轉速就是異步電動機的轉速n_D ，隨著負載轉矩的增大，輸出轉速n₂下降較多，即特性較軟；勵磁電流I_L越小，機械特性越軟，且存在一個小的失控區。