浅析异步电动机与同步电动机的调速方法

摘要：异步电动机与同步电动机的调速方法有着较强的应用意义

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申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 摘要：异步电动机与同步电动机的调速方法有着较强的应用意义。本文分析、对比异步电动机和同步电动机，包括永磁同步电动机的调速思路及实现方法，最终总结各种调速方法的优势以及不足，并适当地给出调速方法的选择建议。

关键词：异步电动机;同步电动机;调速方法;变频器

引言

本文从异步电动机与同步电动机的基本原理和结构作为切入点，从电磁的宏观角度阐释二者特点，辅以定子及转子等具体结构的描述，再结合电动机调速控制这一目的及其实现方法，最终经过分析，总结出各种调速方法的优势以及不足。

1.交流电动机基本原理

1.1异步电动机

所谓异步电动机是指其运转时，转子转速与旋转磁场转速不同。如图1所示，由于定子通入电枢电流，故产生旋转磁场，其转速为n1;该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势使得转子绕组中有电流流过，作为载流导体的转子在旋转磁场中受力运动，最终与旋转磁场同方向旋转，其转速为n。

图1 异步电动机基本结构示意图 图2 同步电动机基本结构示意图

式（1）

式（2）

称为“转速差”，称为“转差率”。异步电动机的额定转差率一般在0.02～0.05之间。

1.2同步电动机

如图2所示，定子部分与异步电动机相同，通入电枢电流产生旋转磁场。转子部分与异步电动机不同，具有固定磁极，由通过电刷和滑环送入的直流励磁电流进行励磁，从而产生极性固定的磁极。（图2所示为隐极式转子）转子磁极表面还装有与笼型异步电动机转子类似的绕组，其作用是作为同步电动机异步启动时的启动绕组。同步电动机工作时，定子通入电枢电流产生旋转磁场，这时转子通入直流励磁电流，转子磁极呈现固定极性，则转子在旋转磁场的磁极对转子异性磁极的吸引力（或对同性磁极的排斥力）作用下与旋转磁场同步旋转。

2.异步电动机调速方法

式（3）

由式（3）可见，异步电动机的调速思路有两个，一是改变转差率，二是改变同步转速。以下对几种常用的调速方法加以分析。

2.1定子调压调速

属于改变转差率调速。定子调压调速在频率不变的情况下，通过改变定子电压幅值来实现异步电动机的转速调节。异步电动机转矩表达式见式（4）。对应不同的定子电压，可得到不同的机械特性曲线，如图3所示。

式（4）

图3 异步电动机机对应不同定子电压的械特性曲线 图4 绕线转子异步电动机机转子串电阻机械特性曲线

2.2转子串电阻调速

仅适用于绕线转子异步电动机，属于改变转差率调速。方法是在转子回路中串入电阻以改变异步电动机机械特性，曲线如图4所示。这种调速方法在低速时机械特性很软，稳定性差。其优点在于设备简单、一次投资较低，适合于对调速性能要求较低的生产机械。

2.3转子串级调速

仅适用于绕线转子异步电动机，其方法是在转子回路中串入一个与转子电动势频率相同、相位相同或相反的附加电动势，通过调节附加电动势来调节转速。

串级调速属于改变转差率调速，但由于其为转差回收型调速方法，故效率相对于以上两种调速方法要高。其优点除效率较高外，还有机械特性较硬，以及可实现无极调速等。缺点包括调速系统功率因数较低、电动机过载能力下降（约17%）等。

2.4变极调速

属于改变同步转速调速，同步转速n1与极对数p成反比，通过改变极对数的方法改变同步转速，从而实现转速调节。

变极调速仅适用于笼型转子异步电动机，其优点包括：设备简单、运行可靠性较高、机械特性较硬、损耗小等;其缺点主要在于只能分级调节而无法实现无极调节，而且多速电动机的体积相比相同容量的普通电动机要大，运行性能稍差，价格也较贵。

2.5变频调速

属于改变同步转速调速。在极对数不变的前提下，同步转速与定子电源的频率成正比，因此改变定子电源频率即可改变同步转速，从而实现调速目的。

变频调速的优点包括：机械特性硬、范围宽、稳定性好、效率高、可实现无极调速等。近年来，随着国内功率器件制造技术的发展，变频调速装置的价格呈现“平民化”的趋势，应用已非常广泛。

3.同步电动机调速方法

式（5）

由式（5）可见，同步电动机的调速思路只有改变同步转速。而对于同步电动机，改变同步转速的方法只有改变定子电源频率，即变频调速。

同步电动机变频调速，还可以比较完美地解决同步电动机的启动问题――若不采用变频启动，则只能配备辅助电动机启动或异步启动。同步电动机变频启动完全可利用其变频调速装置，这种启动方式启动电流小，对电网冲击小，同时可大幅减小机械冲击，延长机械装置寿命，是一种很好的启动方法。

4.永磁同步电动机调速

永磁同步电动机（包括永磁无刷直流电动机）是近年来发展较快的新型电动机。它采用永磁材料来制造转子，永磁同步电动机转子磁钢形状不同，转子磁场在空间的分布分为正弦波和梯形波两种，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波;另一种为梯形波。正弦波永磁同步电动机称为永磁同步电动机;而梯形波（方波）永磁同步电动机称为无刷直流电动机。

永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机调速均方法均为变频调速，通常装设位置传感器用来检测转子位子，通过定子电压、电流计算定子电动势也可求得转子位置，但这种方法计算不准。

相对于直流励磁同步电动机，永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机的优势在于转子无绕组，结构简单坚固，仅定子发热，散热容易;而其劣势主要在于“退磁”现象，此外磁无刷直流电动机还存在转矩脉动问题。

5.综述

本文分析了电动机的调速原理、调速方法及其优缺点。针对不同的使用环境和要求，各种电动机类型、各种方法有着其各自适用范围。随着功率器件制造水平的提高，变频器价格逐步下降，这一形势下拥有优秀调速性能的“变频调速”方法更加值得推荐;而永磁同步电动机（包括永磁无刷直流电动机）作为较新技术的发展，也为交流调速的发展注入了新的活力。当然，根据具体实际情况，选择技术、经济综合最优的调速方案是我们的最终目的，这也正是本文的写作初衷。

参考文献：

[1]丁辉，胡协和.交流异步电动机调速系统控制策略综述.浙江大学学报（工学版）， 2011.

[2]安国庆.异步电动机早期故障特征检测技术的研究.河北工业大学， 2013.

[3]韩冰.基于功率因数控制的无传感器永磁同步电动机调速系统.辽宁科技大学， 2012.

[4]王恩德.四象限变频器在电机控制中的应用研究.华中科技大学， 2013.