2.4 三相交流异步电动机的调速

所谓调速主要是指通过改变电机的参数而不是通过负载变化来调节电机转速。三相异步电动机的调速依据是：n=n1(1-s)=60 f1(1-s)/p。调速方式主要有变极调速、变频调速、变转差率调速三大类。随着电力电子技术与器件的发展，目前交流调速系统的调速性能较以往已有很大提高，并逐渐获得广泛应用。

2.4.1 变极调速

变极调速就是通过改变三相异步电动机旋转磁场的磁极对数p来调节电动机的转速。

1.变极原理

采用变极调速的多速电机普遍通过绕组改接的方法实现变极，如图2.17所示。当构成U相绕组的两个线圈（组）由首尾相接的顺极性串联改接为反极性串联或反极性并联后，磁场的磁极对数 p 减少一半，电动机的同步转速增加一倍，这将使电动机的转速上升；反之，转速下降。

2.变极调速形式与特征

具体的变极方案有：星形—双星形变极（Y-YY）、三角形—双星形变极（△-YY），图2.18为这两种变极方式下绕组改接的演变过程，显然YY接法（线圈组反极性并联）对应的电动机转速较高。由于变极前后绕组的空间位置并无改变，假设在YY接法下（极对数为p）三相绕组首端对应的电角度分别为0°、120°、240°，与电源相序相同；在△接法下（极对数增加为2p）相同的绕组首端空间位置对应的电角度则变为0°、240°、480°（480°=360°+120°，相当于120°），恰与原电源相序相反。若要求变极前后电动机的转向不变，需要将电源任意两相对调，接入反相序电源。

（1）Y-YY变极调速

Y-YY变极调速绕组改接如图2.18（a）所示，若电动机在Y接法时，磁极对数为p，同步转速为n1；那么电动机在YY接法时，磁极对数变为p/2，同步转速为2n1。若变极前同步转速为1500r/min，则变极后同步转速可达到3000r/min。

Y-YY变极调速前后的机械特性如图2.19 所示，其最大转矩和启动转矩的变化情况值得注意。

变极过程中，绕组自身（除接法外）及电机结构并未改变。假设变极前后电机的功率因数和效率保持不变，线圈组均通过额定的绕组电流 IN，经过理论推导可得，变极前后电机的容许输出功率及转矩分别是PY、TY与PYY=2PY、TYY=TY。

（2）△-YY调速

△-YY变极调速绕组改接如图2.18（b）所示，其机械特性如图2.19（b）所示。经理论推导可得，变极前后电机的容许输出功率由P△变为PYY=1.15P△。

通过上述分析可知：Y-YY变极调速具有恒转矩调速的性质；△-YY变极调速则近似于恒功率调速。

变极调速设备简单、运行可靠、机械特性较硬，但调速前后电机转速变化大，对负载冲击大，属于有级调速，一般用于多速电机拖动机床部件或其他耐受转速冲击的设备上。

2.4.2 变频调速

改变异步电动机的定子电源频率 f1（即变频）也可以调节电动机转速。变频调速具有调速平滑、调速范围大、准确性及相对稳定性高（尤其是低速特性较硬，抗扰动能力强）、可根据负载要求实现恒功率或恒转矩调速等优点，但需要比较昂贵却又关键的半导体变频设备（有少数场合采用变频机组），技术及操作要求高，运行维护难度大。变频调速大大改善了廉价的笼型电动机的调速性能，发展前途广阔。

由于笼型电动机在设计工作状态下的综合性能较好，从电机本身来看，调速时一般希望主磁通Φm保持不变；从拖动负载的角度看，又希望电机的过载能力不变。如果主磁通变大，则可能会因为电机磁路过于饱和引起过大的励磁电流而损害电机；若调速过程中，主磁通过小则电磁转矩将下降，电机的设计容量得不到充分利用。如果因调速使电机过载能力减小，也会影响电机运行的稳定性及调速的准确性。

设调速前后电机的定子电压、电源频率分别为 U1、f1，U1′、f1′。由理论推导可知，变频时需按相同比例调整定子电压才能保持主磁通不变，即

如果还要保持过载能力不变，若忽略定子电阻r1的影响并假设铁芯未饱和，磁路仍处在线性磁化状态，则x1∝f1，x2′∝f1，可设x1+x2′=kf1。根据过载能力定义及最大转矩表达式有

可得调速前后电压、频率、转矩之间的关系为

① 对恒转矩负载，TN=TN′，调速时应按相同比例调节电压，即

此时在理论上能保证主磁通Φm和过载能力λ都不变。由于实际的电动机绝缘强度有限度，因此达到电机的额定电压UN后，U1不能再按变频比例增大。在U1=UN的情况下，如果从f1自额定频率fN继续上调则主磁通将减小，最大转矩也减小，过载能力下降；当f1自额定频率fN下调时，由于x1+x2′=kf1也随f1下降，r1逐渐变得不能忽略，主磁通虽可保持近似不变但最大转矩还会减小，过载能力也随之下降。

② 对恒功率负载，PN=PN′，根据

得

或

代入（2-8）可得到变频过程中的电压调整依据，即

此时，电压和主磁通的变化幅度小于频率变化幅度，主磁通有少量改变，电机的过载能力变化较小，低速时的特性硬度较大，抗扰动能力强。变频调速时的机械特性如图2.20所示（f1′′＞f1′＞fN＞f1＞f2＞f3）。

2.4.3 变转差率调速

常见的改变转差率调节电机转速的方法是在绕线式电机转子电路中外接调速电阻。

1.转子串电阻调速

转子串电阻后，机械特性上的最大转矩 Tm不变而临界转差率 sm会增大，临界点会下移并可在小范围内对电机进行调速，机械特性如图2.21所示。

转子串电阻的调速范围有限，外串较大电阻时的特性很软，抗负载波动能力差；外接电阻的电能消耗量大，调速效率较低。该方法的优点是：方法简单，投资少，可结合绕线式电机的启动、制动状态使用，因而它在很多起重及运输设备中仍有一定的应用。

2.转子电路引入附加电势调速

由于转子电流I2与转差率s、转子参数及转子感应电动势E2有关，因此如果在转子电路中引入外接的电动势，则会改变转子电流，进而通过电磁转矩的改变影响电机的转速，这就是转子电路引入附加电势调速。设附加电势与同频率，则

可见，在同频率的前提下，附加电势的大小及它与转子自身感应电势的相位关系对转子电流有关键性的影响。从能量角度而言，电机调速过程中如果需要补充一定的电能时可由附加电源提供；反之，则多余的能量可通过附加电源回送给电网。如能很好地控制这种能量交换，就能够使电机准确进入调速所要求的状态。这种调速方式的调速范围大而且平滑，准确性及稳定性高，能量利用率高；但要求附加电势的频率始终要与变化的转子感应电势保持相同，而且对两者之间的相位关系也有要求。因而，这种调速在技术上较为复杂，但它仍不失为异步电动机的一种比较理想的调速方法。

异步电动机除上述三大类调速方法外，还有其他调速方法。例如：人为地改变定子电压或采用电磁离合器调速，甚至于将某些电磁调速装置与电机构成整体而成为电磁调速电机。