三相异步电动机的变转差率调速

根据电机学原理，异步电动机从定子传入转子的电磁功率PM可以划分为两部分：一部分是拖动负载的有效机械功率Pm＝（1－s）PM，另一部分是传输给转子电路的转差功率pCu2＝Ps＝sPM。变极对数调速和变频调速都是设法改变同步转速以实现调速，无论转速高低，其转差功率仅仅由转子绕组铜耗构成，基本上不变。故从能量转换角度看，此类交流调速方法又称为转差功率不变型，其效率最高。而变转差率调速则不同，其转差功率与转差率成正比，根据转差功率是全部消耗掉，还是能够回馈给电网，又将变转差率调速分分成转差功率消耗型和转差功率回馈型。转差功率消耗型由于全部转差功率都转换为热能白白消耗掉，其效率最低。常见的实现方法有：绕线转子串电阻调速、定子调压调速和电磁转差离合器调速等。而转差功率回馈型由于转差功率大部分能回馈到电网，其效率界于消耗型和不变型之间。常见的实现方法有：绕线转子串级调速等。

1.绕线转子异步电动机转子串电阻调速

（1）调速原理和机械特性

根据10.1.2节可知：绕线转子异步电动机转子回路串入电阻时，同步转速n1和最大电磁转矩Tmax不变，而临界转差率sm随外接电阻Rs的增大而增大，其机械特性如图10.3.5所示。对于恒转矩负载TL时，转子回路串入电阻Rs（Rs1＜Rs2＜Rs3）越大，临界转差率越大（sm＜sm1＜sm2＜sm3），则转速越低（nA＞nB＞nC＞nD），从而实现了转速的调节。与此同时，转子回路损耗掉的转差功率Ps（即转子铜耗PCu2）越大，效率则越低。

图10.3.5　绕线转子串电阻调速的机械特性

（2）特点和适用场合

绕线转子异步电动机转子串电阻调速的优点是方法简单，易于实现。缺点是低速运行时损耗大。这是因为电动机运行时转子铜耗PCu2＝Ps＝sPM，随s的增大而增加，所以运行效率低。同时在低速时，由于机械特性较软，当负载转矩波动时引起的转速波动比较大，即运行稳定性较差。

绕线转子异步电动机转子串电阻调速主要适用在对调速性能要求不高的生产机械，如桥式起重机、通风机、轧钢辅助机械等。

2.定子调压调速

（1）调速原理及机械特性

根据10.1.2节可知：当异步电动机定子与转子回路的参数恒定时，在一定转差率s下，电动机的电磁转矩T与加在定子绕组上电压U1的平方成正比，即T∝U21，而临界转差率sm和同步转速n1与U1无关而保持不变，其机械特性如图10.3.6所示。普通笼型电动机带恒转矩负载，由于稳定运行区转差率s限制在0～sm范围内，可以调速的范围很小，如图10.3.6中的A、B、C点，往往不能满足生产机械对调速的要求。如果带风机及泵类负载，稳定运行区可不受sm限制，相应的调速范围可以大一些，如图10.3.6中的A′、B′、C′点。

为了扩大恒转矩负载时的调速范围，需要采用转子电阻较大的高转差率笼型异步电动机，该电动机在不同定子电压时的机械特性如图10.3.7所示。显然，带恒转矩负载时调速范围增大了，但机械特性变得很软，运行稳定性又不能满足生产工艺的要求。可见，单纯地改变定子电压调速很不理想，为了克服这一缺点，调压调速系统通常采用转速负反馈调压调速闭环控制系统。

图10.3.6　异步电动机在不同电压下的机械特性

图10.3.7　高转差率鼠笼转子异步电动机在不同电压下的机械特性

（2）调压调速闭环控制系统原理及其机械特性

图10.3.8（a）为转速负反馈调压调速闭环控制系统的原理图。电动机转速n由测速发电机TG检测后反馈一个正比于n的电压UN，与转速给定信号进行比较，得到偏差，再经过转速调节器ASR产生控制电压送至触发电路GT，使之输出有一定相移的脉冲α，从而改变晶闸管调压装置TVC的输出电压。

图10.3.8（b）为转速负反馈调压调速闭环控制系统的机械特性。当电动机运行于A点时，电动机定子电压为U，对于负载转矩为TL，系统处于平衡状态。由于某种原因，如负载增大到TL2，若无转速负反馈，则转速会下降。采用转速负反馈调压调速系统后，系统会自动调高定子电压到Ub，使电动机运行于A″点。同理，若负载减小到TL1，系统会自动降低定子电压到Ua，使电动机运行于A′点，将三个工作点A′、A、A″连接起来便是调压调速闭环控制系统的机械特性。

图10.3.8　转速负反馈调压调速闭环系统

（3）调压调速时电动机的允许输出

异步电动机定子调压调速是一种转差功率消耗型调速方法。因为电动机的气隙磁通近似地与定子电压成正比，当电动机的负载转矩恒定而定子电压低于额定值时，由于气隙磁通降低而稳态下运行，T＝TL不变，因此转子电流必然增大，此时转差功率Ps＝sPM＝sTLΩ1＝3I′2r′2也随着转子电流增大。忽略空载电流I0时，定、转子电流，可见对于恒转矩负载，降压调速时转速越低，转差率越大，定转子电流越大，消耗的转差功率也越大。

定子调压调速时异步电动机的电磁转矩为：

当I′2＝2′2N时，T∝1／s。可见，定子调压调速方法既不属于恒转矩调速方式，又属于恒功率调速方式。

（4）特点和适用场合

定子调压调速的优点是调速装置简单，价格便宜，适合于高转差率笼型异步电动机和绕线转子异步电动机，最适合拖动风机及泵类负载。缺点是低速运行时损耗大、效率低且转速稳定性差。

定子调压调速主要适用于对调速精度和调速范要求不高的生产机械，如低速电梯、简单的起重机械设备、风机、泵类等生产机械。

3.电磁转差离合器（滑差电机）调速

（1）调速原理及机械特性

如图10.3.9（a）所示，电磁转差离合器是一个笼型异步电动机与负载之间互相连接的电器设备，主要由电枢和磁极两个旋转部分组成。电枢与电动机同轴相连，由电动机带动旋转，称为主动部分。通常电枢用整块铸钢加工而成，形状像一个杯子。磁极与负载相连，称为从动部分。磁极由铁心和励磁绕组组成，其励磁绕组通过滑环、电刷与整流装置连接，由整流装置提供励磁电流。

图10.3.9　电磁转差离合器

当笼型异步电动机带动电磁转差离合器电枢部分旋转时，设转速为n，转向为逆时针。若磁极的励磁绕组中励磁电流为零，无电磁转矩产生，磁极及关联的负载不会转动，这时负载相当于与电动机“离开”。若磁极的励磁绕组通入励磁电流，则产生磁场，磁极与电枢之间有磁的联系。由于电枢与磁极之间有相对运动，电枢就会因切割磁力线感应出涡流来，根据右手定则可判定涡流的方向如图10.3.9（b）所示。涡流受磁极磁场作用，产生作用于电枢上的电磁力f和电磁转矩T′，根据左手定则可以判定T′的方向与电枢旋转方向相反，为制动转矩，它与作用在电枢上的输入转矩T相平衡。而磁极则受到与T′大小相等，方向相反的电磁转矩T″。在T″的作用下，与磁极相连的负载跟随电枢转动，转速为n′，此时负载相当于被“合上”，而且负载转速n′始终小于电动机转速n，即电枢与磁极之间有转差Δn＝n－n′。这种基于电磁感应原理，并必须有转差才能产生电磁转矩带动负载工作的设备称为电磁转差离合器。

电磁转差离合器调速时，由于笼型异步电动机的转速变化不大，所以机械特性主要是电磁转差离合器本身的机械特性。在电磁转差离合器中磁极的转速n′取决于磁极绕组中励磁电流If的大小，只要改变If，就可以改变磁极和负载转速n′，从而达到调速的目的。电磁转差离合器改变励磁电流时的机械特性如图10.3.10所示。由图可见，励磁电流越小，机械特性越软，随着转矩的增大，转速下降较大，机械特性变软。工程上，为了提高机械特性的硬度，扩大调速范围，常采用转速负反馈电磁转差离合器调速闭环控制系统，其调速特性的分析类似与转速负反馈调压调速闭环控制系统，这里就不再赘述。

图10.3.10　电磁转差离合器改变励磁电流时的机械特性

（2）特点和适用场合

电磁转差离合器调速的优点是结构简单、运行可靠、价格便宜、维修方便、可以实现无级调速。缺点是低速运行时损耗大、效率低、离合器发热严重。

电磁转差离合器调速主要适用于风机、泵类的变速传动，也广泛应用于纺织、印染、造纸、船舶、冶金和电力等工业部门的许多生产机械中。电磁转差离合器与三相笼型异步电动机装成一体时，称为滑差电机或电磁调速异步电动机。

4.绕线转子串级调速

（1）调速原理及机械特性

对于绕线转子异步电动机，在其转子上不串入电阻，而是串入一个与转子电动势E2s＝sE2频率相同、相位相同或相反的交流附加电动势Eadd，如图10.3.11所示，通过改变Eadd的幅值和相位来实现调速。这样，即使电动机运行在低速，也只有少量的转差功率消耗在转子电阻上，而转差功率的大部分被Eadd所吸收。再利用产生Eadd的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈电网（或再送回电动机轴上输出），就能使电动机在低转速时仍具有较高的效率。这种在绕线转子异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就称为绕线转子串级调速。

在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势Eadd，等效电路如图10.3.12所示。此时转子电流I2为：

式中，正号表示E2s与Eadd同相，负号表示E2s与Eadd反相。

图10.3.11　绕线转子异步电动机附加电动势原理图

图10.3.12　转子回路附加电动势的等效电路

电机处于电动状态时，I2与负载大小有直接关系。当电动机的负载转矩TL恒定时，可近似地认为I2恒定。设在未串入Eadd前，电动机在转差率s1下稳定运行，电磁转矩T＝TL。引入同相的Eadd后，电动机转子回路的合成电动势增大，I2和T也相应增大。由于TL恒定，电动机必然加速，因而s降低，转子电动势E2s随之减少，I2和T也逐渐减少，直至转差率降低到s2，I2又恢复到原值，T又等于TL时，电动机进入新的更高转速的稳定状态。同理，若减少＋Eadd或串入反相的－Eadd，则可实现电动机的转速降低。

由式（8－41）可知：转子回路电流I2由转子电动势sE2产生的电流和附加电动势Eadd产生的电流两部分组成。因此，电动机的电磁转矩为：

式中，，为异步电动机的转子电流比。

可见，串级调速中，绕线转子异步电动机的电磁转矩T由两部分组成：T1为旋转磁场Φm与I2D作用产生的转矩分量。其机械特性与转子不串附加电动势Eadd时的异步电动机的机械特性一样，如图10.3.13（a）所示。T2为由旋转磁场Φm和I2f作用产生的转矩分量，Eadd取正值时，T2为正值；Eadd取负值时，T2为负值，其机械特性如图10.3.13（b）所示。绕线式异步电动机转子串电动势的机械特性由T1和T2合成得到，如图10.3.13（c）所示。当Eadd＝0时，机械特性同异步电机的固有机械特性；当Ead取正值时，机械特性基本上是平行上移；Eadd取负值时，机械特性基本上是平行下移。机械特性的线性段较硬，但低速时，最大转矩和起动转矩减小，且过载能力降低。

图10.3.13　绕线转子异步电动机串级调速机械特性

（2）特点和适用场合

绕线式异步电动机的绕线转子串级调速的优点是机械特性较硬、效率高、可以实现无级调速等。缺点是调速范围不能太宽、功率因数较低、过载能力下降等。

绕线式异步电动机的绕线转子串级调速广泛应用于风机、泵、空气压缩机、不可逆轧钢机等生产机械上。