1.2 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，使用的電動(dòng)機(jī)大多是三相籠型異步電動(dòng)機(jī)。為了說明變頻器的功能和應(yīng)用，有必要先了解一下三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)。

1.2.1 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

三相籠型異步電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能并拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作的動(dòng)力設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)基本部分組成：固定不動(dòng)的部分叫定子，轉(zhuǎn)動(dòng)的部分叫轉(zhuǎn)子。圖1-4所示為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的外形及結(jié)構(gòu)示意圖。

定子主要由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，其作用是通入三相交流電源時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸和裝在轉(zhuǎn)軸上的圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯和繞組組成，其作用是在定子磁場感應(yīng)下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，輸出動(dòng)力并帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)。

電動(dòng)機(jī)有三相對(duì)稱定子繞組，接通三相對(duì)稱交流電源后，繞組中流通三相對(duì)稱電流，在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速為n1，其大小取決于電動(dòng)機(jī)的電源頻率f1 和電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p，即n1 =60f1/p。此旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在其中感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，其方向可用右手定則確定。此感應(yīng)電流與磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩方向可用左手定則確定，于是電動(dòng)機(jī)順著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子速度n必須小于旋轉(zhuǎn)磁場的速度n1，否則轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，也就無轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)略低于旋轉(zhuǎn)磁場（也稱為同步轉(zhuǎn)速），這就是異步電動(dòng)機(jī)“異步”的由來。

提示

因?yàn)檫@種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，所以三相異步電動(dòng)機(jī)又稱為三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

1.2.2 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式

為了適應(yīng)實(shí)際的生產(chǎn)需要，異步電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行調(diào)速。所謂調(diào)速，就是人為地改變?nèi)嗷\型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式，可得：

由上式可知，若要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，有如下三種方法。

（1）變極調(diào)速：改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p。

（2）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s。

（3）變頻調(diào)速：改變供電電源的頻率f1。

1. 變極調(diào)速

在電源頻率f1 不變的條件下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1 就會(huì)發(fā)生變化。電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速就降低一半，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也下降一半，從而得到轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，如圖1-5所示。

改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，可以在定子鐵芯槽內(nèi)嵌放兩套不同極數(shù)的三相繞組，這種方法從制造的角度看，很不經(jīng)濟(jì)。也可以利用改變定子繞組的接法來改變磁極對(duì)數(shù)，這種電動(dòng)機(jī)稱為多速電動(dòng)機(jī)。多速電動(dòng)機(jī)均采用籠型轉(zhuǎn)子，有雙速、三速、四速等多種。

提示

變極調(diào)速因?yàn)樗俣葞缀跏浅杀兜刈兓哉{(diào)速的平滑性差，對(duì)于不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械（如金屬切割機(jī)床、通風(fēng)機(jī)、升降機(jī)等），多速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用得比較廣泛。

2. 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

適合三相籠型異步電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有如下幾種。

1）改變定子電壓調(diào)速

所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過改變定子外加電壓來改變其機(jī)械特性，從而達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)在一定輸出轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速的目的。

定子調(diào)壓調(diào)速的方法有定子串電抗、串電容和晶閘管（SCR）調(diào)壓法（如圖1-6所示）等。其中，以晶閘管（SCR）調(diào)壓法最好。目前，改變定子電壓調(diào)速多應(yīng)用于三相電風(fēng)扇、抽風(fēng)機(jī)等通風(fēng)機(jī)負(fù)載中。

提示

異步電動(dòng)機(jī)在低壓時(shí)的機(jī)械特性很軟，工作不易穩(wěn)定，負(fù)載稍有波動(dòng)就會(huì)引起轉(zhuǎn)速較大變化。

2）電磁調(diào)速法

電磁調(diào)速法是用電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)又稱滑差電動(dòng)機(jī)，它是一種恒轉(zhuǎn)矩交流無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，如圖1-7所示。其結(jié)構(gòu)主要由普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)使用，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，通過電磁離合器勵(lì)磁電流的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

提示

電磁調(diào)速系統(tǒng)控制簡單、價(jià)格低廉，具有調(diào)速范圍廣、速度調(diào)節(jié)開滑、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)設(shè)備中。

3. 變頻調(diào)速

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率f1，就可以平滑調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本工作原理。

1.2.3 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

表面看來，只要改變定子電壓的頻率就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小了，但事實(shí)上只改變頻率并不能正常調(diào)速。因?yàn)槿绻娫吹碾妷翰蛔儯桓淖冸娫吹念l率，會(huì)使電動(dòng)機(jī)氣隙磁通增大，超過額定值而飽和，使電動(dòng)機(jī)鐵芯損耗急劇增加，引起電動(dòng)機(jī)過熱，甚至燒壞電動(dòng)機(jī)繞組。所以，在真正應(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)，一般需要同時(shí)成比例地改變電壓和頻率，以保持磁通基本恒定。

三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組每相電動(dòng)勢的有效值公式如下：

式中，E1 為定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢有效值；K1 為定子繞組的繞組系數(shù)，K1 ＜1；N1 為定子每相繞組的匝數(shù)；f1 為定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率，即電源的頻率；Φm為主磁通。

由此可知，只要控制好E1 和f1，便可達(dá)到控制氣隙磁通Φm的目的，對(duì)此，需要考慮基頻以下與基頻以上兩種情況。

1）基頻以下調(diào)速

由式（1-1）可知，若要保持氣隙磁通Φm 不變，則當(dāng)頻率從基頻（50Hz）向下調(diào)節(jié)（f ＜50Hz）時(shí)，必須同時(shí)降低 E1，使E1/f1 =常數(shù)，即采用恒定的電動(dòng)勢、頻率比的控制方式。然而，定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢較高時(shí)，可以忽略定子繞組的阻抗壓降，認(rèn)為定子的電壓 U1≈E1，則得U1/f1 =常數(shù)，這是恒壓頻比的控制方式。

低頻時(shí)，U1 和E1 較小，定子阻抗壓降不能忽略。這時(shí)，可人為地把電壓U1 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。無補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性如圖1-8中的曲線a所示，帶定子電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性如圖1-8中的曲線b所示。

2）基頻以上調(diào)速

基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率f1 可以由基頻向上增加，但電壓U1卻不能增大得比額定值U1N還高。由式（1-1）可知，保持U1N≈E1，只能使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況。

把上述兩種情況結(jié)合起來，可得圖1-9所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。在基頻以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性質(zhì)；在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速的性質(zhì)。

提示

成比例改變異步電動(dòng)機(jī)電源的頻率、電壓，能實(shí)現(xiàn)交流無級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性好、調(diào)速范圍廣、精度高，對(duì)電網(wǎng)無沖擊。因此，變頻調(diào)速技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛、普遍的應(yīng)用。

由上面的討論可知，三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源，實(shí)現(xiàn)所謂VVVF（變壓變頻）調(diào)速控制。