1.1 交流调速基础

交流电动机是将交流电的电能转变为机械能的一种机器。交流电动机的工作效率较高，没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以广泛应用于工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面。

1.1.1 三相交流电动机的结构和原理

交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成，此外要电动机正常运行，电动机还有机座、风扇、端盖、罩壳、轴承和接线盒等部件，其结构如图1-1所示。

1．定子

三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成。机座是用铸铁或铸钢制成的，铁心是由互相绝缘的硅钢片叠成的。铁心的内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组A、B、C，定子的示意图如图1-2所示。定子的绕组连接方式有两种：一是星形连接，即三相绕组有一个公共点相连，如图1-3所示；二是三角形连接，即三相绕组首尾相连，如图1-4所示。

2．转子

三相异步电动机的转子根据构造上的不同分为两种形式：鼠笼式和绕线式。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽，铁心装在转轴上，轴上加机械负载。

鼠笼式的转子绕组做成鼠笼状，就是在转子铁心的槽中放铜条，其两端用端环连接。或者在槽中浇铸铝液，铸成一鼠笼，这样便可以用比较便宜的铝来代替铜，同时制造也方便。因此，目前中小型鼠笼式电动机的转子很多都是铸铝的。鼠笼式异步电动机的“鼠笼”是它的构造特点，易于识别。笼形转子如图1-5所示。

绕线式异步电动机的转子绕组同定子绕组一样，也是三相的；它联成星形。每相的始端连接在三个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上。环与环、环与转轴都互相绝缘。在环上弹簧压着碳质电刷。以后就会知道，起动电阻和调速电阻是借助于电刷同滑环和转子绕组连接的。通常就是根据绕线式异步电动机具有三个滑环的构造特点来辨认它的。

3．电动机的旋转原理

交流电动机的原理：交流电动机由定子和转子组成，定子就是电磁铁，转子就是线圈。而定子和转子是采用同一电源的，所以，定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变。旋转过程的具体描述如下。

1）三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组，产生旋转磁场，旋转磁场的转速称为同步转速。

2）旋转磁场切割转子导体，产生感应电势。

3）转子绕组中感生电流。

4）转子电流在旋转磁场中产生力，形成电磁转矩，电动机就转动起来了。

电动机的转速达不到旋转磁场的转速，否则，就不能切割磁力线，就没有感应电势，电动机就停下来了。转子转速与同步转速不一样，差那么一些，称之为异步。

设同步转速为n_o，电动机的转速为n，则转速差为n_o-n。

电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率s，s是分析异步电动机运行情况的主要参数，用如下公式表示。

4．旋转磁场的产生

（1）旋转磁场的产生

假设电动机为2极电动机，每相绕组只有一个线圈，定子采用星形连接。三相交流电的波形图如图1-6所示，定子的通电示意图如图1-7所示。以下详细介绍其在0～T/2（T表示一个周期）这个区间旋转磁场的产生过程。

1）t=0（起始阶段）时。此时，i_A=0；i_B为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；i_C为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图1-8a中箭头所示。

2）t=T/6时。此时，ωt=ωT/6=π/3（相位角），i_A为正（电流从A端流到X端）；i_B为负（电流从Y端流到B端）；i_C=0。此时的合成磁场如图1-8b所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了π/3。

3）t=T/3时。此时，ωt=ωT/3=2π/3（相位角），i_A为正；i_B=0；i_C为负。此时的合成磁场如图1-8c所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2π/3。

4）t=T/2时。此时，ωt=ωT/2=π（相位角），i_A=0；i_B为正；i_C为负。此时的合成磁场如图1-8d所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了π。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就产生了旋转磁场。

（2）旋转磁场的旋转方向

旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致。改变三相交流电的相序，即A-B-C变为C-B-A，旋转磁场反向。要改变电动机的转向，只要任意对调三相电源的两根接线即可。

1.1.2 三相异步电动机的机械特性和调速原理

1．三相异步电动机的机械特性

在异步电动机中，转速 n=（1-s）n₀，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性，理解异步电动机的机械特性是至关重要的，后续章节都会用到。异步电动机的电磁转矩公式如下：

式（1-2）可简化为

式中 K——与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；

m ₁——定子相数；

p——磁极对数；

U ₁——定子绕组电压；

U——电源电压；

R ₂——转子每相绕组的电阻；

X ₂₀——电动机不动（s=1）时转子每相绕组的感抗；

ϕ——主磁通；

I ₂——转子电流折算值；

cosφ₂——功率因数（φ₂ 为转子的电流时间滞后转子感应电动势的电角度）。

三相异步电动机的固有机械特性曲线如图1-9所示。

从特性曲线上可以看出，其上有4个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这4个特殊点的情况如下。

（1）T=0，n=n₀，s=0

电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。此时电动机的转速可以达到同步转速，即图中的A点，坐标为（0，n₀ ）。

（2）T=T_N，n=n_N，s=S_N

电动机处于额定工作点，即图中的Q_N点，坐标为（T_N，n_N）。此时额定转矩和额定转差率为：

式中 P_N——电动机的额定功率；

n _N——电动机的额定转速，一般n_N=（0.94～0.985）n₀；

S _N——电动机的额定转差率，一般S_N=0.06～0.015；

T _N——电动机的额定转矩。

（3）T=T_st，n=0，S=1

电动机的起动工作点，电动机刚接通电源，但转速为0时，称为起动工作点，这时的转矩T_st称为起动转矩，也称堵转转矩，即图中的S点，坐标为（T_st，0）。起动转矩满足如下公式：

可见，异步电动机的起动转矩T_st与U、R₂ 及X₂₀有关。

1）当施加在定子每相绕组上的电压降低时，起动转矩会明显减小。

2）当转子电阻适当增大时，起动转矩会增大。

3）若增大转子电抗则会使起动转矩大幅减小。

一般情况下：T_st≥1.5T_N ，这个数据是比较重要的。

（4）T=T_max，n=n_m，S=S_m

电动机的临界工作点，在这一点电动机产生的转矩最大，称为临界转矩T_max ，即图中的M点，坐标为（T_max，n_M）。临界转矩公式如下：

临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的过载能力，它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数，一般过载能力λ_m ≥2，即

2．三相异步电动机的调速原理

分析式1-5可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压U、电源频率f有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗，改变磁极对数等，都可得到异步电动机的人为机械特性，这就是异步电动机调速的原理。

（1）改变定子绕组电压调速

这种调速方式实际就是改变转差率调速。降压调速，会降低起动转矩和临界转矩，并会使电动机的机械特性变软，其调速范围小，所以它并不是一种理想的调速方法。

（2）定子电路接入电阻R₂ 或电抗X₂₀时的人为特性

在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低，这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似，在此不再赘述。

（3）转子电路串电阻调速

转子电路串电阻调速，也是变转差率调速。在三相绕线式异步电动机的转子电路中串入电阻后如图1-10a所示，转子电路中的电阻为R₂+R_2r。

串电阻调速的特点：如图1-10b所示，串电阻后，临界转矩不变，但起动转矩增加；机械特性变软；低速时，调速范围小；是一种有级调速；转子电路串电阻调速的机械性能比定子串电阻要好，但这种调速方式仅用于绕线式电动机的调速，如起重机的电动机；低速时，能耗高。

（4）改变磁极对数调速

生产中，大量的生产机械并不需要连续平滑调速，只需要几种特定的转速，如只要求几种转速的有级变速的小功率机械，且对起动性能要求不高，一般只在空载或轻载起动可选用变级变速电动机（双速、三速、四速）。

特点：体积大、结构简单；有级调速，调速范围小，最大传动比是4；用于中小机床，替代齿轮箱，如早期的镗床。这种调速方式的使用在减少。

（5）定子电源的变频调速

1）恒转矩调速。一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要做相应的变化，使 U/f为一个恒定值，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。如图1-11所示，变频器在频率f₁ 和f₂ 工作时，就是恒转矩调速，这种调速方式中，保持U/f不变，临界转矩不变，起动转矩变大，机械硬度不变。又由于P=9.55·T_N ·n，电动机的输出功率随着其转速的升高，成比例升高。

2）恒功率调速。当工作频率大于额定频率（如 f₃＞f）时，变频器是恒功率调速。保持定子绕组的电压U不变，但磁通量φ_m要减小，所以也叫弱磁调速。由公式T=9.55可知，采用恒功率调速时，随着转速的升高，电动机的输出转矩会降低，但机械硬度不变。可见，变频调速是一种理想的调速方式。毫无疑问，这种调速方式将越来越多被采用，是当前交流调速的主流。

根据实际应用效果，交流电动机的各种调速方式的一般性能和特点汇总于表1-1之中。