浅谈三相交流异步电机的调速方法

浅谈三相交流异步电机的调速方法

肖轲远

中车永济电机有限公司陕西省西安市710016

摘要：19世纪七十年代前后相继诞生了直流电机和交流电机，从此人类社会进入了以电机为动力设备的时代，以电机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、为工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在实际应用中，电机的调速性能将对产品质量、生产效率、节能减排起决定性作用。

关键词 交流电机 调速

0 引言

近年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件，使交流电机调速和控制提高到了一个新水平。交流异步电机调速是集电力电子、微电子及电机等学科于一体的高科技领域，其社会效益、经济效益十分巨大。

1 三相交流异步电机结构及工作原理

三相异步电机的结构主要包括以下两个部分：静止部分---定子；旋转部分---转子；定子铁心内圆与转子铁心外圆之间有一个很小的间隙称之为气隙。定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。

当定子的对称三相绕组连接到三相电源上时，绕组内将通入对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，磁场沿定子内圆周方向旋转，当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势E，由于电动势E的存在，转子绕组中将产生转子电流I。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力F（其方向由左手定则定），该力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩作用，便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。

2 三相交流异步电机的调速方法

三相异步电机具有结构简单、工作可靠、价格低廉、维修方便、效率高、体积小、重量轻等优点。不论电机的形式怎么变化，其工作的原理都是不变的，任何电机的工作原理都是基于电磁感应定律和电磁力定律。三相异步电机同样遵循这两大定律。三相异步电机的转速公式：

n表示异步电机的转速；

s表示异步电机的转差率；

p表示异步电机定子极对数；

f表示电源频率；

由三相异步电机的转速公式可知，改变异步电机的转速主要有以下三种：

1. 
   

2. 改变定子极对数

3. 改变电机转差率

4. 改变电源频率

2.1改变极对数的调速方法

改变极对数的调速方法只适用于鼠笼式异步电机。在电源频率一定的情况下，改变定子绕组的极对数，同步转速就会发生变化，进而电机的转速也会随之改变，变极对数调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变电机定子极对数从而达到调速的目的。变极调速的异步电机的转子都是鼠笼式，以便自动适应不同的极对数，使定子、转子磁场的极对数总是相等，保障电磁转矩的平衡。

改变定子绕组极对数的方法主要有：

1. 
   

2. 在定子中安放两套极对数不同的独立绕组；

3. 在定子绕组中改变连接发放，得到不同极对数；

变极调速的优点是设备简单、运行可靠，有适应恒转矩或恒功率调速能力。其局限性就在于调速只能一级一级的改变转速，而不能平滑、连续的调节。

2.2改变电机转差率的调速方法

当异步电机作为电动机运行时，为了克服负载的阻力转矩，电机的转速总是略低于同步转速，以便气隙旋转磁场能够切割转子导体并在其中产生感应电势和电流，使转子能产生足够的电磁转矩。异步电机的转差率就是转速与同步转速的差再除同步转速，即：

转差率是异步电机的一个基本变量，他可以表示电机运行的不同工况，改变转差率的方法有定子调压、转子调电阻、电磁转差离合器调速、串级调速、斩波式内反馈调速。

2.3改变电源频率的调速方法

变频调速以显著的节电效果、优良的调速特性及广泛的实用性，成为现代交流调速技术的主要发展方向。

异步电机的转速与频率成正比，当电源频率f发生变化时，电机转速也随之变化，因此改变电源的频率就可以实现异步电机的转速调节。变频调速是改变电机定子电源的频率从而改变其同步转速的调速方法，进而得以改变电机转速。频率下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和、励磁电流增加、功率因数下降、铁心和线圈温度的升高，为了避免上述情况的发生，在变频调速时还须降低电源电压，实现频率与电压协同控制。保障电机工作的安全、可靠。因此变频调速又称为可变频率、可变电压的调速方式（VVVF）。

如何能够实现电机电源频率、电压的高效可调，变频器的出现就解决了这个问题。变频器是通过整流、滤波、逆变等单元组成，同时结合PWM控制实现电能频率、电压等参数的变化，实现对负载进行变频变压供电，针对三相异步电机而言，通过变频器的输出，实现电机在不同转速工况下的转矩发挥及功率输出。

变频器的输出特性将直接影响三相交流异步电机转矩的发挥及功率输出的能力，在功率半导体器件和控制技术的蓬勃发展的今天，更高的开关频率、更低的损耗已经成为目前变频器产品的主要模式，普通si器件IGBT作为变频器的重要开关器件，在电压、频率变化过程中起着至关重要的作用，在牵引系统中对电机运行工况的控制尤为重要。随着sic器件IGBT的发展，会给变频器、控制技术的发展提供更大的空间，能够给负载提供更高品质、更高功率因数的电源，在牵引系统中能够实现电机的更高效率，减少损耗。

3 结束语

本文介绍了三相交流异步电机的几种调速方法，随着技术水平的不断发展，变频调速以其又优异的调节能力和特性，以及更高效率、更高功率因数、更节能环保的优势广泛应用在各种工业装备、产品中。随着控制理论和计算机技术的发展，越来越多的高性能、高稳定性的控制方式不断涌现。三相交流异步电机的调速技术将向着更高效率、更高性能、智能化、绿色的方向发展。

参考文献：

【1】阎治安 崔新艺 苏少平《电机学》，西安交通大学出版社

【2】王兆安《电力电子技术第五版》，机械工业出版社

【3】刘子林《电机与电气控制》，电子工业出版社

【4】潘月斗《现代交流调速系统》，电子工业出版社

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