1.2 三相笼型异步电动机的变频调速

在变频调速传动系统中，使用的电动机大多是三相笼型异步电动机。为了说明变频器的功能和应用，有必要先了解一下三相异步电动机调速的相关知识。

1.2.1 三相笼型异步电动机的工作原理

三相笼型异步电动机是一种将电能转变成机械能并拖动生产机械工作的动力设备，其结构主要由两个基本部分组成：固定不动的部分叫定子，转动的部分叫转子。图1-4所示为三相笼型异步电动机的外形及结构示意图。

定子主要由定子铁芯、定子绕组和机座组成，其作用是通入三相交流电源时产生旋转磁场。转子由转轴和装在转轴上的圆柱形转子铁芯和绕组组成，其作用是在定子磁场感应下产生电磁转矩，输出动力并带动生产机械旋转。

电动机有三相对称定子绕组，接通三相对称交流电源后，绕组中流通三相对称电流，在气隙中产生一个旋转磁场，转速为n1，其大小取决于电动机的电源频率f1 和电动机的极对数p，即n1 =60f1/p。此旋转磁场切割转子导体，在其中感应电动势和感应电流，其方向可用右手定则确定。此感应电流与磁场产生转矩，转矩方向可用左手定则确定，于是电动机顺着旋转磁场的方向旋转，但转子速度n必须小于旋转磁场的速度n1，否则转子中无感应电流，也就无转矩，转子转速应略低于旋转磁场（也称为同步转速），这就是异步电动机“异步”的由来。

提示

因为这种电动机的转子电流是由电磁感应产生的，所以三相异步电动机又称为三相感应电动机。

1.2.2 三相笼型异步电动机的调速方式

为了适应实际的生产需要，异步电动机需要进行调速。所谓调速，就是人为地改变三相笼型异步电动机的转速。由异步电动机的转速关系式，可得：

由上式可知，若要改变电动机转速n，有如下三种方法。

（1）变极调速：改变定子绕组的磁极对数p。

（2）改变转差率调速：改变电动机的转差率s。

（3）变频调速：改变供电电源的频率f1。

1. 变极调速

在电源频率f1 不变的条件下，改变电动机的磁极对数，电动机的同步转速n1 就会发生变化。电动机的磁极对数增加一倍，同步转速就降低一半，电动机的转速也下降一半，从而得到转速的调节，如图1-5所示。

改变电动机的磁极对数，可以在定子铁芯槽内嵌放两套不同极数的三相绕组，这种方法从制造的角度看，很不经济。也可以利用改变定子绕组的接法来改变磁极对数，这种电动机称为多速电动机。多速电动机均采用笼型转子，有双速、三速、四速等多种。

提示

变极调速因为速度几乎是成倍地变化，所以调速的平滑性差，对于不需要无级调速的生产机械（如金属切割机床、通风机、升降机等），多速电动机应用得比较广泛。

2. 改变转差率调速

适合三相笼型异步电动机改变转差率的方法主要有如下几种。

1）改变定子电压调速

所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性，从而达到改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。

定子调压调速的方法有定子串电抗、串电容和晶闸管（SCR）调压法（如图1-6所示）等。其中，以晶闸管（SCR）调压法最好。目前，改变定子电压调速多应用于三相电风扇、抽风机等通风机负载中。

提示

异步电动机在低压时的机械特性很软，工作不易稳定，负载稍有波动就会引起转速较大变化。

2）电磁调速法

电磁调速法是用电磁调速电动机进行调速。电磁调速异步电动机又称滑差电动机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机，如图1-7所示。其结构主要由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，通过电磁离合器励磁电流的控制来实现对转速的调节。

提示

电磁调速系统控制简单、价格低廉，具有调速范围广、速度调节开滑、启动转矩大等特点，广泛应用于一般工业设备中。

3. 变频调速

根据异步电动机的转速表达式可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率f1，就可以平滑调节电动机转速，从而实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本工作原理。

1.2.3 三相笼型异步电动机的变频调速

表面看来，只要改变定子电压的频率就可以调节转速大小了，但事实上只改变频率并不能正常调速。因为如果电源的电压不变，只改变电源的频率，会使电动机气隙磁通增大，超过额定值而饱和，使电动机铁芯损耗急剧增加，引起电动机过热，甚至烧坏电动机绕组。所以，在真正应用变频调速时，一般需要同时成比例地改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。

三相异步电动机定子绕组每相电动势的有效值公式如下：

式中，E1 为定子绕组的感应电动势有效值；K1 为定子绕组的绕组系数，K1 ＜1；N1 为定子每相绕组的匝数；f1 为定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率；Φm为主磁通。

由此可知，只要控制好E1 和f1，便可达到控制气隙磁通Φm的目的，对此，需要考虑基频以下与基频以上两种情况。

1）基频以下调速

由式（1-1）可知，若要保持气隙磁通Φm 不变，则当频率从基频（50Hz）向下调节（f ＜50Hz）时，必须同时降低 E1，使E1/f1 =常数，即采用恒定的电动势、频率比的控制方式。然而，定子绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽略定子绕组的阻抗压降，认为定子的电压 U1≈E1，则得U1/f1 =常数，这是恒压频比的控制方式。

低频时，U1 和E1 较小，定子阻抗压降不能忽略。这时，可人为地把电压U1 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。无补偿的恒压频比控制特性如图1-8中的曲线a所示，带定子电压补偿的恒压频比控制特性如图1-8中的曲线b所示。

2）基频以上调速

基频以上调速时，频率f1 可以由基频向上增加，但电压U1却不能增大得比额定值U1N还高。由式（1-1）可知，保持U1N≈E1，只能使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。

把上述两种情况结合起来，可得图1-9所示的异步电动机变频调速控制特性。在基频以下，属于恒转矩调速的性质；在基频以上，属于恒功率调速的性质。

提示

成比例改变异步电动机电源的频率、电压，能实现交流无级调速，调速平滑性好、调速范围广、精度高，对电网无冲击。因此，变频调速技术将会得到更加广泛、普遍的应用。

由上面的讨论可知，三相笼型异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓VVVF（变压变频）调速控制。