淺析交流異步電動機的調速原理與方法

摘要：交流異步電動機調速實質的討論，是關系到近代交流調速發展的重要理論問題。電機調速節能一直被廣泛關注。風機和泵類采用電動機調速裝置來代替閥門和擋板調節流量，有明顯節電效果。這是因為由交流電動機驅動的風機和泵類都是平方轉矩負載。它們的流量與轉速成正比、壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。即電機轉速降低1/2時，所需功率降至原來的1/8，由此可見調速節能的重要意義。為此，本文結合工作實際，對比分析了交流異步電動機調速方式，對近期出現的高效調速方式及發展進行了重點闡述。

關鍵詞：異步電動機 調速 節能

近年來，電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的飛速發展，為交流調速技術的發展創造了有利條件，使交流電動機調速和控制提高到了一個新的水平。近代交流異步電動機調速是集電力電子、微電子及電機等學科于一體的高科技領域，其社會、經濟效益十分巨大，有專家預言，如果說計算機技術帶來的是一場智力革命，那么以交流調速為代表的動力自動化將引發一場動力革命。

1 異步電動機調速基本原理

電動機的轉速n與同步轉速no之間的關系為：

n=（1－s）no=(1－s)60f/p（1）

式中：s為電動機轉差率；f為電網頻率；p為極對數。

2 改變轉差率s的調速方法

2.1 調定子電壓調速 異步電動機的轉矩（在一定轉差率下）與定子電壓的平方成正比。即M∝U2（M—電磁轉矩，U—定子電壓）。改變定子電壓就可以改變轉矩及機械性能，從而實現調速。該方法采用晶閘管“交流開關”調節定子電壓。其調速范圍較寬，簡單可靠，價格便宜，但低速時功率因數低、損耗大、效率低、發熱嚴重。輸出特性軟，不能承受重載。

2.2 轉子串接電阻調速 轉子回路串接電阻可以改變轉子電流，從而改變其機械特性曲線，達到調速的目的。但其調速性能不好，機械特性軟，而且轉差功率以熱能的形式消耗在外接電阻上，效率太低。因此，漸漸被節能調速所取代。

2.3 電磁轉差離合器調速 這種方法電機本身并不調速，而是通過改變與它相連的電磁離合器的勵磁電流來實現調速的。電磁轉差離合器控制筒單，運行可靠，調速精確、價格便宜，而且能平滑調速。但其機械特性中存在失控區，特性軟。低速時損耗大、效率低。

2.4 串級調速 通過在轉子回路引入附加電勢的方法。調節附加電勢的大小，就可以調節電動機的轉矩和轉速。如圖1所示，通常轉子回路接有不可控的整流器，將轉子感應電勢經整流器變換成直流電勢，從轉子吸收轉差功率PS。轉子側直流附加電勢由晶閘管逆變器產生（也有用直流電機等其它形式的）。逆變器所吸收的（扣除損耗的）轉差功率PB經變壓器T反饋回電網。這種方法調速范圍寬、結構簡單、效率高、可靠性高。缺點是過載能力差（過載能力比原電動機降低17％），功率因數較低，諧波電流較大，還需專門的啟動設備。

2.5 斬波式內反饋調速 這是我國獨有的，近十幾年才興起的新方法。它也是通過引入附加電勢改變轉差率的方法。它在串級調速的基礎上又有所突破，把著眼點放在調速主體——電動機上，在電動機定子槽中通過多層嵌套方式安裝了反饋調節繞組（這等于把逆變變壓器和電動機巧妙地結合在一起）。內反饋調速的實質在于將部分轉子功率PS（轉差功率，見圖2），通過調速裝置反饋給電動機內部的調節繞組，反饋的功率越多，則軸輸出功率的就越少，電機轉速越低，即通過改變反饋的轉差功率的多少使電動機轉速得以連續調節。而調節繞組接受反饋功率則意味P1的減少，電能的節省。

圖中：1KM、2KM、3KM—開關，L1、L2、L3—電抗器，R—整流橋，

I—逆變橋，S—關斷橋，Sc—斬波晶閘管，Rf—啟動頻敏電阻，C—電容，D—逆阻二極管，F—保險，Load—電動機負載。

該方法是在常規串級調速的直流回路中，加入并聯型直流斬波器。利用它對轉子整流后的直流電流進行脈寬調制。控制斬波器的占空比就能調節直流側的短路電流，從而間接地控制了反饋給調節繞組的轉差功率，達到調速的目的。關斷橋S的作用是關斷斬波晶閘管Sc。逆阻二極管D、電感L2和電容C起隔離緩沖作用。加入斬波器使逆變器的觸發角（β）不用調節，且固定在很小的角度，這樣既大大提高了功率因數，減少了諧波電流對電網的污染，提高了系統的可靠性，又使逆變器的容量小很多（逆變器的容量=0.148P1）。因此，它具有結構簡單、效率高、成本低、諧波幅值低的優點。但它只能在同步轉速以下運行，而且不能利用原有的電動機，需購置專用的內反饋電動機（但卻省掉了昂貴的逆變變壓器）。在高電壓、大容量的水泵、風機用繞線電動機調速中，顯示出突出的優勢。

3 改變極對數p的調速方法

通過改變定子繞組的接線來改變極對數，就改變了同步轉速。它可以獲得恒轉矩調速特性和恒功率調速特性。這種方法效率高，操作筒單、成本低廉，機械特性硬。為得到好的調速精度與穩定性，常用速度反饋的控制方式。缺點是有級調速。它和調壓調速結合起來形成“變極調壓調速”，可以大大改善低速運行性能，擴大調速范圍。

4 改變頻率f的調速方法

變頻調速是用變頻電源改變電動機定子繞組的頻率，從而改變同步轉速來實現調速。這種方法具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能。規格系列齊全，可以滿足各種不同需求，因而被廣泛采用，是最具發展前途的理想調速方法。它可分為兩大類：

4.1 交－直－交變頻調速電網中的交流電先被整流成直流電，再通過逆變器逆變為頻率可調的交流電。根據直流濾波方式不同，又分為電壓型（電容器濾波）和電流型（電感濾波）兩種。

4.2 交－交變頻調速由于它只有一級功率變換，省去了直流環節，減少了損耗，進一步提高了效率。也因此結構復雜、額定工作頻率較低，造價較高。但它能夠提供比較逼近正弦的交流電流，可以四象限運行，常用于大容量的交流調速設備中（國外單臺變頻裝置容量已超過10MW）。變頻調速的不足之處是造價較高、結構復雜、低速時功率因數低、諧波較大。

隨著新的控制理論(如矢量變換控制)和計算機技術的發展，更高性能的新型電動機調速系統必將不斷涌現出來。新世紀的電動機調速技術將向著高效率、高性能、高精度、智能化、綠色化的方向發展。