淺析異步電動機(jī)與同步電動機(jī)的調(diào)速方法

王駿鵬

摘要：異步電動機(jī)與同步電動機(jī)的調(diào)速方法有著較強(qiáng)的應(yīng)用意義。本文分析、對比異步電動機(jī)和同步電動機(jī)，包括永磁同步電動機(jī)的調(diào)速思路及實(shí)現(xiàn)方法，最終總結(jié)各種調(diào)速方法的優(yōu)勢以及不足，并適當(dāng)?shù)亟o出調(diào)速方法的選擇建議。

關(guān)鍵詞：異步電動機(jī);同步電動機(jī);調(diào)速方法;變頻器

引言

本文從異步電動機(jī)與同步電動機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)，從電磁的宏觀角度闡釋二者特點(diǎn)，輔以定子及轉(zhuǎn)子等具體結(jié)構(gòu)的描述，再結(jié)合電動機(jī)調(diào)速控制這一目的及其實(shí)現(xiàn)方法，最終經(jīng)過分析，總結(jié)出各種調(diào)速方法的優(yōu)勢以及不足。

1.交流電動機(jī)基本原理

1.1異步電動機(jī)

所謂異步電動機(jī)是指其運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同。如圖1所示，由于定子通入電樞電流，故產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為n1;該旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢使得轉(zhuǎn)子繞組中有電流流過，作為載流導(dǎo)體的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中受力運(yùn)動，最終與旋轉(zhuǎn)磁場同方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n。

圖1??異步電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖???????????圖2??同步電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

式（1）

式（2）

稱為“轉(zhuǎn)速差”，稱為“轉(zhuǎn)差率”。異步電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率一般在0.02～0.05之間。

1.2同步電動機(jī)

如圖2所示，定子部分與異步電動機(jī)相同，通入電樞電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子部分與異步電動機(jī)不同，具有固定磁極，由通過電刷和滑環(huán)送入的直流勵磁電流進(jìn)行勵磁，從而產(chǎn)生極性固定的磁極。（圖2所示為隱極式轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)子磁極表面還裝有與籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子類似的繞組，其作用是作為同步電動機(jī)異步啟動時的啟動繞組。同步電動機(jī)工作時，定子通入電樞電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這時轉(zhuǎn)子通入直流勵磁電流，轉(zhuǎn)子磁極呈現(xiàn)固定極性，則轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對轉(zhuǎn)子異性磁極的吸引力（或?qū)ν源艠O的排斥力）作用下與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。

2.異步電動機(jī)調(diào)速方法

式（3）

由式（3）可見，異步電動機(jī)的調(diào)速思路有兩個，一是改變轉(zhuǎn)差率，二是改變同步轉(zhuǎn)速。以下對幾種常用的調(diào)速方法加以分析。

2.1定子調(diào)壓調(diào)速

屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。定子調(diào)壓調(diào)速在頻率不變的情況下，通過改變定子電壓幅值來實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式見式（4）。對應(yīng)不同的定子電壓，可得到不同的機(jī)械特性曲線，如圖3所示。

式（4）

圖3??異步電動機(jī)機(jī)對應(yīng)不同定子電壓的械特性曲線????圖4??繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻機(jī)械特性曲線

2.2轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

僅適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。方法是在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻以改變異步電動機(jī)機(jī)械特性，曲線如圖4所示。這種調(diào)速方法在低速時機(jī)械特性很軟，穩(wěn)定性差。其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡單、一次投資較低，適合于對調(diào)速性能要求較低的生產(chǎn)機(jī)械。

2.3轉(zhuǎn)子串級調(diào)速

僅適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，其方法是在轉(zhuǎn)子回路中串入一個與轉(zhuǎn)子電動勢頻率相同、相位相同或相反的附加電動勢，通過調(diào)節(jié)附加電動勢來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

串級調(diào)速屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，但由于其為轉(zhuǎn)差回收型調(diào)速方法，故效率相對于以上兩種調(diào)速方法要高。其優(yōu)點(diǎn)除效率較高外，還有機(jī)械特性較硬，以及可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速等。缺點(diǎn)包括調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)較低、電動機(jī)過載能力下降（約17%）等。

2.4變極調(diào)速

屬于改變同步轉(zhuǎn)速調(diào)速，同步轉(zhuǎn)速n1與極對數(shù)p成反比，通過改變極對數(shù)的方法改變同步轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

變極調(diào)速僅適用于籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)包括：設(shè)備簡單、運(yùn)行可靠性較高、機(jī)械特性較硬、損耗小等;其缺點(diǎn)主要在于只能分級調(diào)節(jié)而無法實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)，而且多速電動機(jī)的體積相比相同容量的普通電動機(jī)要大，運(yùn)行性能稍差，價格也較貴。

2.5變頻調(diào)速

屬于改變同步轉(zhuǎn)速調(diào)速。在極對數(shù)不變的前提下，同步轉(zhuǎn)速與定子電源的頻率成正比，因此改變定子電源頻率即可改變同步轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)包括：機(jī)械特性硬、范圍寬、穩(wěn)定性好、效率高、可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速等。近年來，隨著國內(nèi)功率器件制造技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速裝置的價格呈現(xiàn)“平民化”的趨勢，應(yīng)用已非常廣泛。

3.同步電動機(jī)調(diào)速方法

式（5）

由式（5）可見，同步電動機(jī)的調(diào)速思路只有改變同步轉(zhuǎn)速。而對于同步電動機(jī)，改變同步轉(zhuǎn)速的方法只有改變定子電源頻率，即變頻調(diào)速。

同步電動機(jī)變頻調(diào)速，還可以比較完美地解決同步電動機(jī)的啟動問題——若不采用變頻啟動，則只能配備輔助電動機(jī)啟動或異步啟動。同步電動機(jī)變頻啟動完全可利用其變頻調(diào)速裝置，這種啟動方式啟動電流小，對電網(wǎng)沖擊小，同時可大幅減小機(jī)械沖擊，延長機(jī)械裝置壽命，是一種很好的啟動方法。

4.永磁同步電動機(jī)調(diào)速

永磁同步電動機(jī)（包括永磁無刷直流電動機(jī)）是近年來發(fā)展較快的新型電動機(jī)。它采用永磁材料來制造轉(zhuǎn)子，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼形狀不同，轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布分為正弦波和梯形波兩種，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波;另一種為梯形波。正弦波永磁同步電動機(jī)稱為永磁同步電動機(jī);而梯形波（方波）永磁同步電動機(jī)稱為無刷直流電動機(jī)。

永磁同步電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)調(diào)速均方法均為變頻調(diào)速，通常裝設(shè)位置傳感器用來檢測轉(zhuǎn)子位子，通過定子電壓、電流計算定子電動勢也可求得轉(zhuǎn)子位置，但這種方法計算不準(zhǔn)。

相對于直流勵磁同步電動機(jī)，永磁同步電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)子無繞組，結(jié)構(gòu)簡單堅固，僅定子發(fā)熱，散熱容易;而其劣勢主要在于“退磁”現(xiàn)象，此外磁無刷直流電動機(jī)還存在轉(zhuǎn)矩脈動問題。

5.綜述

本文分析了電動機(jī)的調(diào)速原理、調(diào)速方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。針對不同的使用環(huán)境和要求，各種電動機(jī)類型、各種方法有著其各自適用范圍。隨著功率器件制造水平的提高，變頻器價格逐步下降，這一形勢下?lián)碛袃?yōu)秀調(diào)速性能的“變頻調(diào)速”方法更加值得推薦;而永磁同步電動機(jī)（包括永磁無刷直流電動機(jī)）作為較新技術(shù)的發(fā)展，也為交流調(diào)速的發(fā)展注入了新的活力。當(dāng)然，根據(jù)具體實(shí)際情況，選擇技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合最優(yōu)的調(diào)速方案是我們的最終目的，這也正是本文的寫作初衷。

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