淺析異步電動機與同步電動機的調速方法

王駿鵬

摘要：異步電動機與同步電動機的調速方法有著較強的應用意義。本文分析、對比異步電動機和同步電動機，包括永磁同步電動機的調速思路及實現方法，最終總結各種調速方法的優勢以及不足，并適當地給出調速方法的選擇建議。

關鍵詞：異步電動機;同步電動機;調速方法;變頻器

引言

本文從異步電動機與同步電動機的基本原理和結構作為切入點，從電磁的宏觀角度闡釋二者特點，輔以定子及轉子等具體結構的描述，再結合電動機調速控制這一目的及其實現方法，最終經過分析，總結出各種調速方法的優勢以及不足。

1.交流電動機基本原理

1.1異步電動機

所謂異步電動機是指其運轉時，轉子轉速與旋轉磁場轉速不同。如圖1所示，由于定子通入電樞電流，故產生旋轉磁場，其轉速為n1;該旋轉磁場在轉子繞組中產生感應電動勢使得轉子繞組中有電流流過，作為載流導體的轉子在旋轉磁場中受力運動，最終與旋轉磁場同方向旋轉，其轉速為n。

圖1??異步電動機基本結構示意圖???????????圖2??同步電動機基本結構示意圖

式（1）

式（2）

稱為“轉速差”，稱為“轉差率”。異步電動機的額定轉差率一般在0.02～0.05之間。

1.2同步電動機

如圖2所示，定子部分與異步電動機相同，通入電樞電流產生旋轉磁場。轉子部分與異步電動機不同，具有固定磁極，由通過電刷和滑環送入的直流勵磁電流進行勵磁，從而產生極性固定的磁極。（圖2所示為隱極式轉子）轉子磁極表面還裝有與籠型異步電動機轉子類似的繞組，其作用是作為同步電動機異步啟動時的啟動繞組。同步電動機工作時，定子通入電樞電流產生旋轉磁場，這時轉子通入直流勵磁電流，轉子磁極呈現固定極性，則轉子在旋轉磁場的磁極對轉子異性磁極的吸引力（或對同性磁極的排斥力）作用下與旋轉磁場同步旋轉。

2.異步電動機調速方法

式（3）

由式（3）可見，異步電動機的調速思路有兩個，一是改變轉差率，二是改變同步轉速。以下對幾種常用的調速方法加以分析。

2.1定子調壓調速

屬于改變轉差率調速。定子調壓調速在頻率不變的情況下，通過改變定子電壓幅值來實現異步電動機的轉速調節。異步電動機轉矩表達式見式（4）。對應不同的定子電壓，可得到不同的機械特性曲線，如圖3所示。

式（4）

圖3??異步電動機機對應不同定子電壓的械特性曲線????圖4??繞線轉子異步電動機機轉子串電阻機械特性曲線

2.2轉子串電阻調速

僅適用于繞線轉子異步電動機，屬于改變轉差率調速。方法是在轉子回路中串入電阻以改變異步電動機機械特性，曲線如圖4所示。這種調速方法在低速時機械特性很軟，穩定性差。其優點在于設備簡單、一次投資較低，適合于對調速性能要求較低的生產機械。

2.3轉子串級調速

僅適用于繞線轉子異步電動機，其方法是在轉子回路中串入一個與轉子電動勢頻率相同、相位相同或相反的附加電動勢，通過調節附加電動勢來調節轉速。

串級調速屬于改變轉差率調速，但由于其為轉差回收型調速方法，故效率相對于以上兩種調速方法要高。其優點除效率較高外，還有機械特性較硬，以及可實現無極調速等。缺點包括調速系統功率因數較低、電動機過載能力下降（約17%）等。

2.4變極調速

屬于改變同步轉速調速，同步轉速n1與極對數p成反比，通過改變極對數的方法改變同步轉速，從而實現轉速調節。

變極調速僅適用于籠型轉子異步電動機，其優點包括：設備簡單、運行可靠性較高、機械特性較硬、損耗小等;其缺點主要在于只能分級調節而無法實現無極調節，而且多速電動機的體積相比相同容量的普通電動機要大，運行性能稍差，價格也較貴。

2.5變頻調速

屬于改變同步轉速調速。在極對數不變的前提下，同步轉速與定子電源的頻率成正比，因此改變定子電源頻率即可改變同步轉速，從而實現調速目的。

變頻調速的優點包括：機械特性硬、范圍寬、穩定性好、效率高、可實現無極調速等。近年來，隨著國內功率器件制造技術的發展，變頻調速裝置的價格呈現“平民化”的趨勢，應用已非常廣泛。

3.同步電動機調速方法

式（5）

由式（5）可見，同步電動機的調速思路只有改變同步轉速。而對于同步電動機，改變同步轉速的方法只有改變定子電源頻率，即變頻調速。

同步電動機變頻調速，還可以比較完美地解決同步電動機的啟動問題——若不采用變頻啟動，則只能配備輔助電動機啟動或異步啟動。同步電動機變頻啟動完全可利用其變頻調速裝置，這種啟動方式啟動電流小，對電網沖擊小，同時可大幅減小機械沖擊，延長機械裝置壽命，是一種很好的啟動方法。

4.永磁同步電動機調速

永磁同步電動機（包括永磁無刷直流電動機）是近年來發展較快的新型電動機。它采用永磁材料來制造轉子，永磁同步電動機轉子磁鋼形狀不同，轉子磁場在空間的分布分為正弦波和梯形波兩種，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波;另一種為梯形波。正弦波永磁同步電動機稱為永磁同步電動機;而梯形波（方波）永磁同步電動機稱為無刷直流電動機。

永磁同步電動機和永磁無刷直流電動機調速均方法均為變頻調速，通常裝設位置傳感器用來檢測轉子位子，通過定子電壓、電流計算定子電動勢也可求得轉子位置，但這種方法計算不準。

相對于直流勵磁同步電動機，永磁同步電動機和永磁無刷直流電動機的優勢在于轉子無繞組，結構簡單堅固，僅定子發熱，散熱容易;而其劣勢主要在于“退磁”現象，此外磁無刷直流電動機還存在轉矩脈動問題。

5.綜述

本文分析了電動機的調速原理、調速方法及其優缺點。針對不同的使用環境和要求，各種電動機類型、各種方法有著其各自適用范圍。隨著功率器件制造水平的提高，變頻器價格逐步下降，這一形勢下擁有優秀調速性能的“變頻調速”方法更加值得推薦;而永磁同步電動機（包括永磁無刷直流電動機）作為較新技術的發展，也為交流調速的發展注入了新的活力。當然，根據具體實際情況，選擇技術、經濟綜合最優的調速方案是我們的最終目的，這也正是本文的寫作初衷。

參考文獻：

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