交流電機(jī)調(diào)速方法及原理_異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及原理

　　在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。

　　從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。

　　根據(jù)前述的知識，對于交流電動(dòng)機(jī)，有：

　　其中，——旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

　　——定子繞組交流電源頻率

　　——三相異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)

　　——三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

　　——轉(zhuǎn)差率

　　由以上兩式消去，可以得到：

　　……………………………………………………………………（式7-5-1）

　　根據(jù)上式，對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有三個(gè)途徑，即：①改變定子繞組極對數(shù)；②改變轉(zhuǎn)差率；③改變電源頻率。對于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)差率，它只具有兩種調(diào)速方式。實(shí)際應(yīng)用的交流調(diào)速方式有多種，以下對幾種常用的方法簡單介紹：

　　變極調(diào)速

　　這種調(diào)速方式只使用于專門生產(chǎn)的多級多速異步電動(dòng)機(jī)。通過繞組的不同組合連接方式，可以獲得二、三、四極3種速度，這種調(diào)速方式速度變化是有級的，只適用于一些特殊應(yīng)用的場合，只能達(dá)到大范圍粗調(diào)的目的。本課程第三章的學(xué)習(xí)單元八所介紹的正是雙速電動(dòng)機(jī)的變速控制，其它類似多級多速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制線路與之類似。

　　轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

　　這種調(diào)速方式只適用于繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，它是通過改變串聯(lián)于轉(zhuǎn)子電路中的電阻阻值的方式，來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。由于外部串聯(lián)電阻的阻值可以多級改變，故可實(shí)現(xiàn)多種速度的調(diào)速（原理上，也可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速）。但由于串聯(lián)電阻消耗功率，效率較低，同時(shí)這種調(diào)速方式機(jī)械特性較軟，只適用于調(diào)速性能要求不高的場合。

　　串級調(diào)速

　　這種調(diào)速方式只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，它是通過一定的電子設(shè)備將轉(zhuǎn)差功率反饋到電網(wǎng)中加以利用的方法。在風(fēng)機(jī)、泵類傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。

　　調(diào)壓調(diào)速

　　圖1 調(diào)壓調(diào)速示意圖

　　如圖1是將晶閘管反并聯(lián)連接，構(gòu)成交流調(diào)速電路，通過調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，改變異步電動(dòng)機(jī)的端電壓進(jìn)行調(diào)速。這種方式也改變轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子回路中，效率較低，較適用于特殊轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)（例如深槽電動(dòng)機(jī)等高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)）中。通常，這種調(diào)速方法應(yīng)構(gòu)成轉(zhuǎn)速或電壓閉環(huán)，才能實(shí)際應(yīng)用。

　　電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)

　　這種系統(tǒng)是在異步電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間通過電磁耦合傳遞機(jī)械功率，調(diào)節(jié)電磁耦合器的勵(lì)磁，可調(diào)整轉(zhuǎn)差率的大小，從而達(dá)到調(diào)速的目的。該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，適用于簡單的調(diào)整系統(tǒng)中。但它的轉(zhuǎn)差功率消耗在耦合器上，效率低。

　　變頻調(diào)速

　　改變供電頻率，可使異步電動(dòng)機(jī)獲得不同的同步轉(zhuǎn)速。采用變頻機(jī)對異步電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的靜止變頻器電源。目前這類調(diào)速方法已成為交流調(diào)速發(fā)展的主流。

　　調(diào)速方法

　　從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

　　n=n1（1-S）=60（f1/P）（1-S）

　　可見，要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可從下列三個(gè)方面著手：

　　1.改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對數(shù)P，以改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，即所謂變極調(diào)速（不能均勻調(diào)速）。

　　2.改變電動(dòng)機(jī)所接電源的頻率以改變n1，即所謂變頻調(diào)速；

　　3.改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S。

　　其中，改變轉(zhuǎn)差率S有很多種方法。當(dāng)負(fù)載的總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，與它平衡的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著不變，于是，從電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式（略）可見，當(dāng)頻率f1和極對數(shù)P不變時(shí)，轉(zhuǎn)差率S是定子端電壓、定子電阻、漏抗等物理量的函數(shù)，因此，改變轉(zhuǎn)差率S的方法有下列幾種：

　?。?）改變加與定子的端電壓，為此需用調(diào)壓器調(diào)壓；

　　（2）改變定子電阻或漏抗，為此須在定子串聯(lián)外加電阻或電抗器；

　?。?）改變轉(zhuǎn)子電阻，為此采用繞線式電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路串入外加電阻；

　?。?）改變轉(zhuǎn)子電抗，為此須在轉(zhuǎn)子回路串入電抗或電容器。

　　（5）在轉(zhuǎn)子回路中引入一個(gè)轉(zhuǎn)差率f2=Sf1的外加電勢，為此須利用另一臺電機(jī)來供給所需的外加電勢，該電機(jī)可與原來電動(dòng)機(jī)共軸，或不共軸，這樣將幾臺電機(jī)在電方面串聯(lián)在一起以達(dá)到調(diào)速目的，稱為串級調(diào)速。串級調(diào)速可用一種可控硅調(diào)速來代替。其基本原理為：先將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的轉(zhuǎn)差頻率交流電流用半導(dǎo)體整流器整流為直流，再經(jīng)過可控硅逆變器把直流變?yōu)榻涣?，送回到交流電網(wǎng)中去。這時(shí)逆變器的電壓便相當(dāng)于加到轉(zhuǎn)子回路中的電勢，控制逆變器的逆變角，可改變逆變器的電壓，也即改變加于轉(zhuǎn)子回路中的電勢，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

　　從上分析，可見異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，下面介紹主要的三種，即變極調(diào)速、變頻調(diào)速和改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速。

　　變極調(diào)速

　　由于一般異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率S都很小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n= n1（1-S）決定于同步轉(zhuǎn)速n1。從n1=60f1/P可見，在電源頻率f1不變的情況下，改變定子繞組的極對數(shù)P，同步轉(zhuǎn)速n1就發(fā)生變化，例如極對數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速就下降一半，隨之電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也約下降一半。顯然，這種調(diào)速方法只能做到一級一級地改變轉(zhuǎn)速，而不是平滑調(diào)速。

　　變極電動(dòng)機(jī)一般都用鼠籠式轉(zhuǎn)子，因?yàn)槭蠡\轉(zhuǎn)子的極對數(shù)能自動(dòng)地隨著定子極對數(shù)的改變而改變，使定、轉(zhuǎn)子磁場的極對數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。若為繞線式轉(zhuǎn)子，則定子極對數(shù)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組必須相應(yīng)地改變接法以得到與定子相同的極對數(shù)，很不方便。

　　要使定子具有兩種極對數(shù)，容易得到的辦法是用兩套極對數(shù)不同的定子繞組，每次用其中一套，即所謂雙繞組變極，顯然，這是一個(gè)很不經(jīng)濟(jì)的辦法，只在特殊情況下才采用。理想的辦法是：只裝一套定子繞組而用改變繞組接法來獲得兩種或多種極對數(shù)，即所謂單繞組變極。對于倍極比情況（如2/4極、4/8極等），單繞組變極早已為人們所采用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非倍極比（如4/6極、6/8極等）以及三速（如4/6/8等）采用單繞組變極也得到廣泛應(yīng)用。

　　變頻調(diào)速

　　當(dāng)電源的頻率f1改變時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1=60f1/P與頻率成正比變化，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之改變，所以改變電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　變頻調(diào)速按控制方式不同，可分為U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。

　?。?） U/f控制。U/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的。通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。U/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，缺點(diǎn)是變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且在低頻時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，才能改善低頻轉(zhuǎn)矩特性。

　?。?） 轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在U/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，以對頻率和電流進(jìn)行控制，因此是一種閉環(huán)控制方式。該方式可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。

　?。?）矢量控制。矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動(dòng)機(jī)在d、q、O坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序、時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的，例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前，在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于專差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。

　　基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制。使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動(dòng)。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)方式，需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，因此應(yīng)用范圍受到限制。

　　無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理，分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算。因此，該方式實(shí)時(shí)性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。

　　（4）直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于一臺變頻器向多臺電動(dòng)機(jī)供電的多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能。

　　變頻調(diào)速用于風(fēng)機(jī)和泵類機(jī)械的節(jié)能效果明顯。

　　以上各類控制適用于變頻調(diào)速專用電機(jī)。變頻電機(jī)由傳統(tǒng)的鼠籠式電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來，把傳統(tǒng)的電機(jī)風(fēng)機(jī)改為獨(dú)立出來的風(fēng)機(jī)，并且提高了電機(jī)繞組的絕緣性能。

　　轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

　　在轉(zhuǎn)子回路串一變阻器調(diào)速只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。調(diào)速時(shí)的接線圖和起動(dòng)時(shí)的一樣，所不同的是：一般起動(dòng)變阻器都是短時(shí)工作的，而調(diào)速用的變阻器應(yīng)為長期工作的。

　　調(diào)速時(shí)的物理過程和直流電動(dòng)機(jī)在電樞回路中串電阻調(diào)速一樣。在變阻器的電阻增加最初瞬間，電動(dòng)機(jī)的的轉(zhuǎn)速還來不及改變，因此轉(zhuǎn)子電流減小，相應(yīng)地電磁轉(zhuǎn)矩也減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速開始下降，而轉(zhuǎn)子的電勢開始增加，隨之轉(zhuǎn)子電流又回頭增加。這個(gè)過程一直進(jìn)行到轉(zhuǎn)子電流增加到與其對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩和總負(fù)載轉(zhuǎn)矩互相平衡為止，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)較低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子回路串入調(diào)速電阻時(shí)，若電動(dòng)機(jī)總負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，電動(dòng)機(jī)從一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)到另一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)差率從S1增加到S2，轉(zhuǎn)速則從n1（1-S1）降到n1（1-S2）。增加調(diào)速電阻，轉(zhuǎn)速便越下降。

　　從轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速曲線圖（略）可見在一定的調(diào)速電阻變化范圍內(nèi)，調(diào)速范圍的大小隨負(fù)載的輕重而變化；在空載下調(diào)速，則調(diào)速范圍甚小，實(shí)際上達(dá)不到調(diào)速的目的。

　　此外，在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，從電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式（略）可知，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差率s將隨轉(zhuǎn)子回路總電阻成正比例變化，總電阻增加一倍，則轉(zhuǎn)差率也增加一倍，于是根據(jù)等效電路可見：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，定、轉(zhuǎn)子電流、輸入功率、氣隙磁場和電磁功率皆不變，而與轉(zhuǎn)子回路串入電阻的大小無關(guān)。于是，如果把轉(zhuǎn)速調(diào)得愈低，即轉(zhuǎn)差率愈大，就需要在轉(zhuǎn)子回路串入愈大的電阻，隨之轉(zhuǎn)子銅耗就愈大，電動(dòng)機(jī)效率就愈低?？梢娺@種調(diào)速方法很不經(jīng)濟(jì)，降低轉(zhuǎn)速所減少的輸出功率全部消耗于調(diào)速電阻的銅耗上。另一缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子加電阻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，即負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速將發(fā)生顯著變化。

　　由此可見在轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速存在很多缺點(diǎn)，但由于比較簡單，又可平滑調(diào)速，在中小容量的繞線式電動(dòng)機(jī)還是用得不少，例如交流電源的橋式起重機(jī)幾乎都用到這種方法調(diào)速。