电动机调速：变极vs变频

2023-06-15 理论教育版权反馈

【摘要】：我们把这种改变三相异步电动机磁极对数的调速方法称为变极调速。因此，用改变交流电的频率来改变电动机转速的方法称为变频调速。原因是在调速过程中，三相异步电动机的主磁通Φ1的变化将直接影响其带负载和过负载的能力，达不到满意的调速特性和拖动效果。

在机床设备的发展中，电力拖动的发展起着非常重要的作用。由于各种机床设备都要求电动机具有稳速作用外，还要具有在一定范围内进行调速的作用。因此，实现电气调速的直流调速和交流调速就应运而生，其伴随着科学技术的发展，应用的范围越来越广。随着现代科技的发展，特别是电力电子技术及其元器件的迅速发展和交流电动机所具有的优点，使得三相异步电动机交流调速系统获得了突飞猛进的发展，已呈现出逐渐取代直流电动机调速系统的趋势。

交流调速系统是指以交流电动机作为电能-机械能的转换装置，并通过对电动机或电源的控制来产生所需的转矩与转速系统。根据前面所学的电工基础知识而得知：三相异步电动机的额定转速可表示为

n=n₀（1-s）=60f/p（1-s）（2-1）

式中 n₀——同步转速；

s——转差率；

f——供电电源频率；

p——极对数。

由式（2-1）可知，交流调速分为改变同步转速和不改变同步转速两大类；其具体的调速方法主要有：改变定子绕组的极对数（p）调速、改变转子电路中的电阻（即转差率s）调速、变频（f）调速三种。

1.三相异步电动机变极调速

由式（2-1）可知，当频率f不变时，同步转速n₀与磁极对数p成反比，改变三相异步电动机的极对数p，即改变了其同步转速n₀，从而实现了三相异步电动机在某一负载下调速的目的。我们把这种改变三相异步电动机磁极对数的调速方法称为变极调速。有些机床（如T68卧式镗床）常采用双速三相异步电动机来拖动，使其成为变极调速的典型实例。

（1）变极原理

变极实际上就是通过改变三相异步电动机定子绕组的接法来实现的，见图2-28。图中以U相为例，把U相绕组分为线圈U11、U21和U12、U22两半。

当两线圈头尾顺向串联时，由电磁感应原理可判断出其极对数p=2，见图2-28a；当两线圈头尾反向并联时，同理可判断出其极对数p=1，见图2-28b。

（2）双速三相异步电动机的接线

常用的双速三相异步电动机定子绕组的接线方法有两种，见图2-29。

图2-28 改变极对数的接线示意图

由图2-29可知，三相异步电动机的三相定子绕组有六个引出线的端点。改变这六个引出端与三相电源的连接方法就可得到两种不同的转速。图a为三角形接法，其磁极极数为4极（p=2），同步转速为1500r/min；图b为双星形接法，其磁极极数为2极（p=1），则同步转速为3000r/min。可见三相异步电动机同步转速的高速是低速的2倍。

（3）双速三相异步电动机的控制电路

双速三相异步电动机的控制电路见图2-30。

1）电路组成：由图2-30可知，该电路由转换开关QS，熔断器FU，接触器KM1～KM3，按钮SB1～SB3和双速三相异步电动机M组成。

2）工作过程：合上组合开关QS，接通三相电源

图2-29 双速三相异步电动机定子绕组接线图

低速运转时：

高速运转时：

3）特点

变极调速具有操作简单、成本低、效率高、机械特性硬等优点，若采用不同的接线方法，还可实现不同性质的调速即变极调速近似为恒功率调速，适用于拖动机床类设备；而变极调速属于恒转矩调速，适用于拖动起重机、电梯等设备。但其不能带负载起动且为有级调速，仅适用于具有多个绕组的特殊的三相笼型异步电动机。另外，在实施变极调速，即改变三相定子绕组接法的同时，必须改变三相电源的相序，保证在变速的前后三相异步电动机的旋转方向不变。

2.三相异步电动机变频调速

由式（2-1）还可知，三相交流电源的频率f与三相异步电动机的同步转速n₀成正比，若能连续地改变三相交流电源的频率f，即可实现三相异步电动机的连续调速。因此，用改变交流电的频率来改变电动机转速的方法称为变频调速。

（1）变频调速在工程上的实践

图2-30 双速三相异步电动机控制电路

变频调速从理论上讲改变三相交流电源的频率f即可改变三相异步电动机的转速，但在工程上应用时发现，仅仅改变频率的调速是不能满足设备需求的。原因是在调速过程中，三相异步电动机的主磁通Φ₁的变化将直接影响其带负载和过负载的能力，达不到满意的调速特性和拖动效果。因此，要求在变速时的主磁通Φ₁应保持基本不变，即

U₁/f₁=U₁′/f₁′=常数（2-2）

式中 U₁、f₁——三相电源的电压、频率；

U₁′、f₁′——变频后的电压、频率。

由上述分析可知，变频调速圆满实现的关键是要有一个可变频率的三相交流电源。

（2）变频电源

随着电力电子技术的发展及晶闸管的模块化和变流技术的广泛应用，经济可靠的变频电源——变频器诞生了，它为三相异步电动机特别是笼型异步电动机的变频调速及其发展，提供了可靠的保证和发展的广阔空间。有关变频器的知识和应用，请参阅相关的书籍。

（3）变频调速的特点

变频调速具有调速平滑性好且范围宽、机械特性硬、效率高等优点，其为无级调速。变频调速一般在基频向下调速时为恒转矩调速；在基频向上调速时相当于弱磁调速，近似于恒功率调速。

3.变转差率调速

变转差率调速是通过改变串联在三相异步电动机转子电路中的外加电阻值，进而改变其转差率，实现调速的方法。它仅适用于绕线转子三相异步电动机。在同一负载转矩下所串外加电阻值越大，其转差率s越大，由式（2-1）可知，其转速n越低；若外部所串电阻值为多级组合时，还可实现多种速度的调速。

变转差率调速具有设备简单、有一定的调速范围且可实现无级调速等优点，但其效率较低、外串电阻的能耗较大、机械特性较软。适用于起重设备及对于调速性能要求不高的场合。

4.交流调速的发展

由于三相异步电动机具有维护方便、易于使用和实现自动控制等特点，特别是交流变频技术也已日趋完善，使三相异步电动机在电力拖动系统中应用得越来越多。相对应的交流调速技术发展得也很快，如脉宽调制（PWM）控制、矢量变换控制、磁场控制、微机控制、直接转矩控制、多变量解耦控制等技术和方法，有的已得到广泛应用，有的正在深入地研究之中。其发展的分支也正向着串级调速、无换向器电动机、交流步进拖动系统、高频化技术等多个方向发展，使得交流调速在国防、钢铁、机械行业、机床制造、食品加工等各行各业得到更加广泛的应用。

电动机调速：变极vs变频

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