1.1 变频调速原理

1.1.1 交流电动机的调速方式

1.异步电动机

三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120°的，三相异步电动机定子中的3个绕组在空间方位上也互差120°，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1-1所示。图1-1中分4个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。

旋转磁场的转速为：n=60f/P

式中，f为电源频率；P是磁场的磁极对数；n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n₁的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n₁低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n₁，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n₁必然小于n。为此称这种结构的三相电动机为异步电动机。

图1-1 三相异步电动机原理

2.同步电动机

同步电动机和其他类型的旋转电动机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电动机和转枢式同步电动机。

图1-2给出了最常用的转场式同步电动机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电动机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电动机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电动机内部磁场的分布和同步电动机的性能有重大影响。

除了转场式同步电动机外，还有转枢式同步电动机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电动机的转子充当了电枢。图1-2中用AX、BY、CZ 3个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。

图1-2 同步电机的结构模型

3.交流电动机的调速

交流电动机比直流电动机经济耐用得多，因而被广泛应用于各行各业，是一种量大面广的传统产品。在实际应用场合，往往要求电动机能随意调节转速，以便获得满意的使用效果，但交流电动机在这方面比起直流电动机而言就要逊色得多，于是不得不借助其他手段达到调速目的。根据感应电动机的转速特性表达式可知，它的调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节。从而出现了目前常用的几种调速方法，如变极调速、调压调速、电磁调速、变频调速、液力耦合器调速、齿轮调速等（见图1-3）。

基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。

图1-3 交流电动机主要调速方式分类图

属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要有滑差调速（包括电磁离合器调速、液力耦合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力耦合器调速和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线转子异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线转子异步电动机。变频调速和机械调速还可用于同步电动机。

小贴士

液力耦合器调速和液粘离合器调速属于机械调速范畴。前者是将匹配合适的调速型液力耦合器安装在常规的交流电动机和负载（风机、水泵或压缩机）之间，电动机全速运行，通过改变耦合器工作腔中高速循环流动液体的充满程度，即可调节输出转速。后者是利用两组摩擦片之间接触来传递功率的一种机械设备，如同液力耦合器一样安装在笼型感应电动机与工作机械之间，在电动机全速运行的情况下，利用两组摩擦片之间摩擦力的变化无级地调节工作机械的转速。

1.1.2 交流电动机的几种常见调速方式

1.异步电动机的变极调速

变极调速技术是通过采用变极多速异步电动机实现调速的。这种多速电动机大都为笼型转子电动机，其结构与基本系列异步电动机相似，现国内生产的有双、三、四速等几类。

变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。在供电频率f=50Hz的电网，p=1、2、3、4时，相应的同步转速n₀=3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（见图1-4），图1-4a的p=2，图1-4b和图1-5c中的p=1。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。

图1-4 定子绕组改接变极对数示意图

a）p=2 b）p=1 c）p=1

多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制电路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适合于按2～4档固定调速变化的场合。为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。

2.电磁调速

电磁调速技术是通过电磁调速电动机实现调速的技术。电磁调速电动机（又称滑差电动机）由三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相异步电动机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。

电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电动机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统，主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源3个部分组成（见图1-5），直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的触发延迟角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。离合器的主动部分为电枢，从动部分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁心和励磁绕组构成，绕组与部分铁心固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过集电环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。

图1-5 电磁调速示意图

磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载起动，对需要重载起动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。适用于调速范围适中的中小容量电动机。

3.转子串电阻调速

转子串电阻调速是通过改变绕线转子感应电动机转子串接附加外接电阻从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速的（见图1-6），为减少电刷的磨损，中等容量以上的绕线转子感应电动机还设有提刷装置，当电动机起动时接入外接电阻以减少起动电流，不需要调速时移动手柄可提起电刷与集电环脱离接触，同时使3个集电环彼此短接起来。

串电阻调速的优点是技术成熟，控制方法简单，维护方便，初始投资低，对电网无干扰。缺点是转差损耗大，调速效率低；调速特性软，动态响应速度慢；外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。适合于调速范围不太大和调速特性要求不高的场合。

图1-6 串电阻调速转子电路示意

4.变频调速

变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率f来实现无级调速的，其原理如图1-7所示，电动机采用变频调速以后，电动机转轴直接与负载连接，电动机由变频器供电。变频调速的关键设备就是变频器，变频器是一种将交流电源整流成直流后再逆变成频率、电压可变的变流电源的专用装置，主要由功率模块、超大规模专用单片机等构成，变频器能够根据转速反馈信号调节电动机供电电源的频率，从而可以实现相当宽的频率范围内的无级调速。

5.调速方式汇总

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见表1-1。

图1-7 变频调速原理

表1-1 调速方式的一般特性和特点

1.1.3 交流异步电动机的调速原理

交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速n为

式中，f为频率；p为极对数；s为转差率（0～3%或0～6%）；n₀为同步转速。

由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电频率f，就十分方便地改变了电动机的转速n。比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多，特别是近20多年来，交流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。

实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调（<50Hz），会使电动机气隙磁通φ（约等于U/f）饱和；反之，380V不变，频率向上调（>50Hz），则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。

1.感应电动机稳态模型

根据电机学原理，在下述3个假定条件下（即忽略空间和时间谐波、忽略磁饱和、忽略铁损），感应电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图1-8a所示。

图1-8a中的各参数定义如下：

R_s、R_r′为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；

L_1s、L₁′r为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；

L_m为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；

U_s、ω₁为定子相电压和供电角频率；

I_s、I_r′为定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。

图1-8 感应电动机等效电路

a）感应电动机T形等效电路 b）感应电动机简化等效电路

忽略励磁电流，则得到如图1-8b所示的简化等效电路。

因此，电流公式可表示为

已知感应电动机传递的电磁功率

，同步机械角速度ω_m1=ω₁/n_p，则感应电动机的电磁转矩为

感应电动机的每极气隙磁通为

式中，E_g为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；f₁为定子频率；N_s为定子每相绕组串联匝数；K_Ns为定子基波绕组系数。

忽略定子电阻和漏磁感抗压降，则认为定子相电压U_s=E_g。

对T_e公式对s求导，并令dT_e/ds=0，可求出对应于最大转矩时的临界静差：

最大转矩为

2.转速开环的感应电动机变压变频调速

变压变频调速是改变同步转速的调速方法，同步转速随频率而变化，为了达到良好的控制效果，常采用电压-频率协调控制（即U/f控制），并分为基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速

为了充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下采用恒磁通控制方式，要保持φ_m不变，当频率f₁从额定值f_IN向下调节时，必须同时降低E_g，即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压U_s≈E_g，则得

这是恒压频比的控制方式，其控制特性如图1-9所示。

低频时，U_s和E_g都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的分量相对较大，可以人为地抬高定子相电压U_s，以便补偿定子压降，称作低频补偿或转矩提升。

图1-9 恒压频比控制特性

（2）基频以上调速

在基频以上调速时，频率从f_IN向上升高，但定子电压U_s却不可能超过额定电压U_SN，只能保持U_s=U_SN不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图1-10所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时磁通恒减小，转矩也随着降低，基本上属于“恒功率调速”。

3.恒压频比时的机械特性

基频以下须采用恒压频比控制，感应电动机的电磁转矩为

当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则

由此可以推导出带负载时的转速降落Δn为

图1-10 感应电动机变压变频调速的控制特性

由此可见，当U_s/ω₁为恒值时，对于同一转矩T_e，Δn基本不变。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率ω₁时，机械特性基本上是平行下移，如图1-11a所示。将最大转矩改写为

可见最大转矩T_emax是随着ω₁的降低而减小的。频率很低时，T_emax很小，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压U_s，可以增强带载能力。

在基频f_IN以上变频调速时，电压U_s=U_SN不变，机械特性方程式可写成

而最大转矩表达式可改写成

当角频率ω₁提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速却升高了，可以认为输出功率基本不变。

图1-11b为感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理图，一般称为通用变频器，被广泛应用于调速性能要求不高的场合。为了避免突加给定造成的过电流，在频率给定后设置了给定积分环节。由于转速开环，现场调试工作量小，使用方便，但转速有静差，低速性能欠佳。

图1-11 感应电动机变压变频调速机械特性及结构原理

a）感应电动机变压变频调速机械特性 b）感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理