异步电动机的变转差率调速原理

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1、定子调压调速

由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，异步电动机的转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变异步电动机的定子电压也就是改变电动机的转矩和机械特性，从而实现调速，这是一种比较简单的方法。尤其是晶闸管技术的发展，以及晶闸管“交流开关”元件的广泛运用。
（1）交流调压电路
图1（a）所示为单相交流反并联电路，图1（b）所示为采用双向晶闸管的交流调压电路，图1（c）所示为其带电阻性负载时的电压电流波形图。由图可知，当电源电压为正半周时，在控制角为α的时刻触发VS1使之导通，电压过零时，VS1自行关断。负半周时，在同一控制角α下触发VS2，如此不断重复，负载上便得到正负对称的交流电压。改变晶闸管控制角α的大小就可以改变交流电压的大小。对于电阻性负载其电流波形与电压波形同相的。
晶闸管交流调压的触发电路在原理上与晶闸管整流所用的触发电路是相同的，只是要使每周期输出的两个脉冲彼此没有公共点且要有良好的绝缘。
若晶闸管调压电路带电感性负载，其电流波形由于电感上的电流不能突变而有滞后现象，其波形如图1（d）所示。

图1 晶闸管交流调压电路

由于电感性负载中的电流的波形滞后于电压的波形，因此，当电压过零变为负的时候电流经过一个延迟角才能降到零，从而晶闸管也要经过一个延迟角才能关断。延迟角的大小与控制角α、负载功率因数角φ都有关系，这一点与单相整流电路带电感性负载十分相似。
将三对反并联的晶闸管分别接至三相负载即构成了一个典型的三相交流调压电路。负载可以是Y形连接，也可以是三角形连接，Y形连接的三相异步电机负载交流调压调速电路1（e）所示。
（2）异步电动机的调压特性
一般而言，异步电动机在轻载时，即使外加电压变化很大，转速变化也很小。而在重载时，若降低供电电压，则转速下降，同时最大转矩也迅速下降，可能会出现过载甚至停转现象，从而引起电动机过热甚至烧坏。因此，了解异步电动机调压时的机械特性，对于了解如何改变供电电压来实现均匀调速是十分有益的。
如图2所示，对于普通异步电动机，当改变定子电压时，得到一组不同的机械特性。在图9.5中，同时画出了恒转矩负载（直线1）和风机水泵类负载（曲线2）的特性。对于恒转矩负载，电动机只能在机械特性的直线段（到段）稳定运行，在不同电压下，稳定运行点为，改变电压时速度变化不大，而最大转矩却迅速减小，所以调速范围非常有限。对于笼型异步电动机，可以将电动机转子的鼠笼由铸铝材料改为电阻率较大的黄铜条，使之具有较倾斜的机械特性。即使这样，恒转矩调速范围仍然不大，而且低速运行稳定不好，不能满足生产机械的要求。而对于风机水泵类负载，电动机可以稳定运行在机械特性的任何一点，调压调速范围宽。

图2异步电机调压调速时的机械特性

根据异步电动机的运行原理，当电动机定子接入三相电源后，定子绕组中建立的旋转磁场在转子绕组中感应出电流，两者相互作用产生转矩T。这个转矩将使转子加速直到最后稳定运行于低于同步转速的某一速度为止。由于旋转磁场和转子具有不同的速度，因此，传到转子上的电磁功率与转子轴上产生的机械功率之间存在功率差，这个功率差称为转差功率，它将通过转子发热而消耗掉。在较低速时，转差功率将很大，所以，这种调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械，如要用于这种机械，电动机容量就要适当选择大一些。
如果负载具有转矩随转速降低而减小的特性，如图所示曲线2，则当向低速方向调速时转矩减小，电磁功率及输入功率也减小，从而使转差功率较恒转矩负载时小得多。因此，调压调速方法更适合于风机水泵类的负载，调速范围较宽。这类产品很多，例如：美国A-B公司的智能马达控制器SMC（smart motor controller），就是在交流电源与电动机之间接入六个晶闸管元件进行交流调压，每相串接两个反并联的晶闸管，使电流可以正、反向流动。智能马达控制器具有斜波起动、限流起动、全压起动、双斜波起动、泵控制、预制低速运行、智能制动、带制动的低速运行、软停止、准确停车、相平衡等控制和故障诊断功能，它还能与RS-232、RS-485、柔性I/O、Device Net通信，这样就可以方便地集成到现有的自动控制系统中去，特别是它的价格比变频器低得多，因此在调速精度要求不太高的场合使用较多，如通风机、切碎机、搅拌机、离心泵等。

2、绕线式异步电机转子串电阻调速

绕组式异步机转子串电阻时的机械特性如图3所示，其中为转子固有电阻，为串接电阻，且。

图3 绕组式异步电机转子串电阻时的机械特性

3、绕线式异步电机串级调速

前面介绍的改变转差率的调速方法（调压调速、串电阻调速等），都是以转差功率损耗为代价的，效率较低，浪费大。如何将消耗于转子电阻的功率利用起来，同时又能提高调速性能，这就是串级调速方法的指导思想。
对于绕线式异步电机，在其转子上不是串入电阻，而是串入与转子电势同频率的附加电势，这时转子电流I2变为

（9.2）
可见，在转子回路中，串入与E2同相频率的交流附加电势后，如果与E2同相位则转子电流增大，从而使＞，电机转速升高。同理，若与E2反相，则转子电流减小，使电机的转速下降。通过改变的幅值和相位来实现调速，同时通过产生的电路将转差功率返回到电源去。因此，即使电动机运行在低速，也只有少量功率消耗在转子电阻上，仍具有较高的效率。
串极调速要求有一个与转子电势同频率的附加电势，真正实现起来非常困难。因为，转子电势的频率是随转速调节和转差率的变化而变化的。但是，串级的目的是利用附加电势和转子电流的相互作用来吸收或提供转差功率，为此，我们可以通过变换的方法，将转子的交流电压变成直流电压，再串入直流的附加电势，直流附加电势由晶闸管逆变装置提供，这样就避免了需要随时改变附加电势频率的复杂问题。串级调速的原理如图4所示。