第六节 调速

一、变极调速

在恒定的頻率下，改变电机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速，通 常利用改变绕组接法，使定子单绕组具备二种或三种极对数而得到二个璘三个同步旋转磁场 的转速，称为单绕组双速或多速电机.也可以在定子内安放两套或三套独立的绕组，达到同 样的变极调速目的。

变极电机的转子一般都是笼型，因为笼型转子的极对数能自动随着定子极对数的改变而 改变，使率、转子的极对数始终保持相等，以产生平均的电硪转矩如果是绕线型感应电机， 则当定子-组改变极对数时，转子绕组也必须相应地改变其极对数，这就很不方便，因此极 少采用•

(一）变极原理 

郎果把定子绕组的两组线豳A",和按^ 6-5串联则气隙中将形成四极磁场。若把绕组
中的一半线圈A2X2反接，使该组线圈中的电k反向，则气歎

中栴形成二极磁场，如图6-s所
杀*图6_6b为两钽线圈串联，c为两组线圈并联，无论是串联还是并联，第二组线圈A2x3中
的电流均为反向。                             <

*

由此可知，欲使极对数呈倍比改变，只要改变定子绕组的接线，使每相绕组的两组绒圈
中有一组电淹反向即可。

(二）变极转矩比和功率比

极数变换后，定子绕组的节距，相带和气隞磁逋密度都要发生变化•例如，线圈的节距
在四极时若为整距，在二极时就变为短距（Y=0.5>,若相带宽度在二极时为㈤。相带，在四
极时将变为120fl相带#气隙磁通密度亦要发生变化，

因为                       E, = 2- ZZfN^K^                           C6-4)

每极基波磁通  r=*5〆 = ^^ (6-5)

式中—绕组系数>                                     .

N,—每相串联导体数。故气陳破通密度及为

^{B$ =} 2* ZZfN^_dpA ^# D^l      ⁽⁶"⁶⁾

将少极数的童用下标J表示，多极数的董用下标I表示，则不同极数时气隙磁通密度之比应为

戸“ 一

B占 i    EupiN^ICdpi

在改变极对数时，执最好不要变动太大，以使磁路不致过于饱和或材料利用率过低。因此在 变极的同时，常把绕组从Y联结变为yv (A)联结或从YY <△)变成Y.

极数改变时，电机的额定转矩和额定功率也要变化。由于电磁转

矩T等于

^ p^Z_ll_zcos<p_l (6-7)

2/2

式中Z₂—转于槽数；

h——转子导条电流。 ^

忽略变极前、后cos%的差别，则电磁转矩之比应为

?J_   ^  PiUth' — _{  .

T, ~ p^_iZ_ZiI,_] ~ B_sJ_t,

进一步忽略两#转速时通风条件的4别，并认为导条允许的电流值近似相等，即,可 得

^- = |^ (6-9)

丨I 你1

电机的功率比则为

P t T¹1 ^31  t p i

㈣）

上式说明，变极时电机额定转矩之tt正比于变楫前，后气隙琺通密度之比f额定功率之比正 tt午气隙磁通密度之比，尽比于极对軟之比，

设计双速电机时，要充分注赛两种不同极对数时定子磁动势的波形，使其尽可能都接近 于正弦波形。对60。相带绕组，当绕组节fey, =5n /6时，磁动势波形较好，对120。相带绕组，

整距时波形较好。因此对于倍极比的双速电机，少极数时通常选，多极数时选力 ^1* 4r_:

下面用2/4极三相单绕组双速电机来说明变极的具体方法和应用。

设定子共12檟，定子绕组为双层，以二极作为基本极，采用正规60。相带绕组，节距_y =0/S。由于每极每相檐数q=2,故以两个线囫为一组，每相由商组线圈组成₄

欲将二极变为四极，迨将每相绕组中的半相（即二组线圈）反向。此时绕组变成120,相 带绕组*节距变成整距₆整个绕组的排列和换接方法如表6-19所示₄

二、变转羡调速

I改变电机的端电压调速电机的电磁转
矩与端电压的平方成正比，因此改变电机的端电
压躭可以改变电机r一 s曲线，从而在负载转矩不

变的情况下，改变电机的转速。如图6-10所示。_      三相120。相带谐波比澹磁导的系数S5

若电机的纗电压从tAw降到则电机

的转差率增大而转速将下降这种方法的调速范围很小，主要用于拖动风扇负载的小型笼型电

机上。使用此法调速时，必须注意转速下降时转子的发热情况#

转f加电阻调速这种方法只适用于_埋电机。从图心11可知，当转子中加入调速
电咀时，电权的Ti曲线将从曲线1变成曲线2,若负载转矩7%+八不变，转子的转差率将
从而增大到^ 1即转速将下降.

这种方法的优点是，方法简单，调速范围稍广，鋏点是调速电咀中要消耗一定的能量，由
'于转子回路的镉耗尸，故转速，得越低，转差率越大，铜

耗就越多，效率就越俾•例
如把转差率谲到〇.5,则电撤功率中的50%将变为转子回路镉耗*另一缺点是，转子加入电
阻后，电机的机械特性变软，于是负栽变化时电机的转速将发生显著变化，这种方法主要用
在中，小容董的电机中7例如交流供电的桥式起重机，目前大部分采用此法调速8

3•串级调速转子:ftn入电阻来调速的主要缺点是损耗较大.为利用这部分电能，可在转
子回路中接入一个转差频率的功率变换装置，使这部分电能糙换为机械能加以利用 > 或者送
回给电网，既达到调速目的，又获得较高效率。

图6-12表示一种异步电机和直流电机经半导体整流器串级连接的调速系统。绕线转子异
步电机的定子接到三相电派，转子中感应讷三相转差頻率的交流电流，经半导体整流器整流

后变为直流，再将此直流供给一台他励直流电机的电枢。此直流电机的转袖与异步电机连在
一起，共同拖动机械负载。这神系统通常称为克拉默系统6

现若增加他励直流电机的励磁，直流电机的反电动势将增加，于是直流电机的电枢电流
和异步电机的转子电流同时减小（交、直流电流之间具有一定的比例关系），使两机的电磁转
矩下降*机组减速，减速后，异步电机转子电流和直流电机的电枢电流将重新回升，直到一
个新的较低的转速，以产生与负载转矩相平衡的电磁转矩6这样就把绕线转子中的部分电能
转换成机械能加以利用。

也可以利用逆变器来代替直流电机，如图6-13所示。异步电机转子回路的转差频率交流
电流仍通过半导体整流器变换为直流，再经逆变器把直流变为工頻交流，把能量送回到交流
电网中去。此时整流器和逆变器两者组成了一个从转差頻率转换为工频交诳的变频装置，逆
变器的电压可看作是加在转子回路中的反电动势，控制逆变器的导通角，就可以改变逆变器
的输出电压，相当于改变了反电动势的大小，从而达到如速的目的#

三、变频调速

(一）概述异步电机的转速公式为

nm=gof(1，P式中/——定子供电频率I

P——极对数；

s——转差率。

从上式可知，若均匀地改变定子供电频率*则可以平滑地改变气瞅磁场的同步转速，在许多场合，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这时就要求定子供电电压也要作相应调节。因此对电机供电的变頻器一般都要求兼有调压和调频这两种功能(常简称为VWF型变

頻器）长期以来变频调速虽然以其优良的性能受到晒目*但都因为缺乏理想的变頻器而未获得广泛应用（在少数场合曾采用旋转变頻发电机组作为变频电溉)。直到晶体管以及大功率晶体管等半导体电力开关问世以后，由于它们具有接近理想开关元件的性能〈通态压降小，断态阻抗很大，开关时间极短等)，使椿各种静止变频器获得了迅速的发展，从而研制出各种类型图6-12表示一种异步电机和直流电机经半导体整流器串级连接的调速系统。绕线转子异步电机的定子接到三相电派，转子中感应讷三相转差頻率的交流电流，经半导体整流器整流后变为直流，再将此直流供给一台他励直流电机的电枢。此直流电机的转袖与异步电机连在一起，共同拖动机械负载。这神系统通常称为克拉默系统6现若增加他励直流电机的励磁，直流电机的反电动势将增加，于是直流电机的电枢电流和异步电机的转子电流同时减小（交、直流电流之间具有一定的比例关系），使两机的电磁转矩下降*机组减速，减速后，异步电机转子电流和直流电机的电枢电流将重新回升，直到一个新的较低的转速，以产生与负载转矩相平衡的电磁转矩6这样就把绕线转子中的部分电能

转换成机械能加以利用。

也可以利用逆变器来代替直流电机，如图6-13所示。异步电机转子回路的转差频率交流电流仍通过半导体整流器变换为直流，再经逆变器把直流变为工頻交流，把能量送回到交流电网中去。此时整流器和逆变器两者组成了一个从转差頻率转换为工频交诳的变频装置，逆变器的电压可看作是加在转子回路中的反电动势，控制逆变器的导通角，就可以改变逆变器的输出电压，相当于改变了反电动势的大小，从而达到如速的目的#

三、变頻调速

(一）概述异步电机的转速公式为

r=字(1，P

式中/——定子供电频率I
P——极对数；
s——转差率。

从上式可知，若均匀地改变定子供电频率*则可以平滑地改变气瞅磁场的同步转速，在许多场合，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这时就要求定子供电电压也要作相应调节。因此对电机供电的变頻器一般都要求兼有调压和调频这两种功能
(常简称为VWF型变頻器）长期以来变频调速虽然以其优良的性能受到晒目*但都因为缺乏理想的变頻器而未获得广泛应用（在少数场合曾采用

旋转变頻发电机组作为变频电溉)。直到晶体管以及大功率晶体管等半导体电力开关问世以后，由于它们具有接近理想开关元件的性能〈通态压降小，断态阻抗很大，开关时间极短等)，使椿各种静止变频器获得了迅速的发展，从而研制出各种类型的变频调速装置，并在工业上得到了应用目前国外生产的变頻装置容童巳达1万kw以上，并在价格和性能上使交流变频调速拖动可与直流拖动相比拟了国内目前也有少量的相应产

品问世，但由于国产元件可鬈性差，价格较昂贵，故尚难与进口产品竞争但可以预期，随着生产与技术水平的提高，我国变頻调速拖动等将在某些领域逐步取代一些传统的直流拖动系统。目前主要在以下场合优先考虑采用变频调速方案：

(一)多台电机同步拖动，如辊道、化纤工业中纺丝机的拖动等.

(1) 由于环境所限，必须采用封闭式筇型电机且要求有较宽调速范围者，如原子能及化工企业中的某些设备；

(2) 进行无齿轮传动的某些低速大容量的设备，如球磨机、轧钢机等f髙速传动机械，如某些磨床，可以采用高频变频电葱供电；改造笼型异步电机拖动的风机、泵类机械，以节约能源t

(二）异步电机在变頻调速时的机械特性.

随着/的改变，电机的机械特性将如何变化，能否满足生产机械的要求等问题都应加以研究。对于异步电机，如果咯去定子阻抗压曄则有；

(J♦私  = 2* 22风• K々少 (6-18)上式说明*若端电压K不变，则随着/的升高，气隙磁通将减小，又从转矩公式T = C^/fiC〇s^ C6-19)可以得知，少的减小势必导致电机输出转矩T下降，使电机的利用率恶化，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机停转。若维持墙电ffiR不变*而减小A，则根据上式，少将增加。这就会使磁路饱和，励磁电流L上升，且导致铁损耗急剧增加，这也是不允许的，因此在许多场合，要求在调频的同时改变定子电压C7,,以维持少接近不变，根据C7,和乂的不同比例关系，将有不同的变频调速方式#1•保持(7*/^=常数的比例控制方式根据上式，在略去定子阻抗压降后近似可得出式中，G为常数从上式可以看出t在变頻时要维持恒磁通，只要(7)和/I成比例地改变即可。现假定电机工作于任意的/,及W下，则其转矩为。