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摘要：随着电力电子技术的飞速发展， 调速三相交流异步电动机的应用越来越广泛。本文主要分析了异步电动机调速的原理及方法、异步电动机变频调速原则、电动机的转矩特性以及设计方法及措施。
关键词：调速；三相异步；电动机；设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
工业中的生产过程离不开电力传动。生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。直流电动机可方便地进行调速，但直流电动机体积大、造价高，并且无节能效果。而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因此对交流电动机的调速具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机械的控制精度可大为提高，并能够大幅度地提高劳动生产率和产品质量，而且可对诸多生产过程实施自动控制。对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多场合中，还具有非常显著的节能效果。鉴于多种调速方式中，交流变频调速具有系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单，通用性强，使传动控制系统具有优良的性能，同时节能效果明显，产生的经济效益显著。
1 异步电动机调速的原理及方法
当异步电机定子绕组接到三相电源上时,定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势,从而产生基波旋转磁场,由于旋转磁场以同步转速n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转,形成转子转速n。
电动机转子转速n低于同步转速。
1.1 工作原理
异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系n1=60f/p(1)
式中 f———电网频率
P———绕组极对数
电机学中还常用转差率 s 参量，其定义为s=(n1- n)/n1·100%(2)
电机的转子转速 n=(60f/p)(1- s)(3)
1.2 变频调速控制方式
式( 3) 可知，異步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种。
1.2.1 改变供电电源的频率f1。在变频调速时，一般要求φ保持不变,由定子电路的电动势方程式可见，得
定子绕组内的感应电动势为E1=4.44f1K1N1φ(4)
式中 f1———定子绕组中感应电动势的频率，与电网频率f相等，Hz
K1———电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，K1<1
N1———电机定子绕组每相串联的线圈匝数
φ———电机每极磁通定子
电压 U1与定子绕组感应电动势 E1的关系为U1=E1+I1Z1(5)
式中 Z1———定子绕组每组阻抗
I1———定子绕组相电流
若忽略定子漏阻抗I1Z1， 则 U1≈E1=4.44f1K1N1φ (6)
把该式整理成 U1=4.44f1K1N1φ(7)
K=4.44K1N1 (8)
则φ=U1/Kf1 (9)
为使在f1 变化时，φ保持不变，则（7）可见U1/ f1必须为定值，即为同比例变化。
式中,Ωs =2πf1/p.X1+X2=2πf1(L1+L2),带入（10）并考虑到f1较高时，
（X1+X2）》R1,从而省去R1，得
（11）
式中C为常数,C=m1p/[8π2（L1+L2）]
对于恒转矩调速，U1/ f1同比例变化可以保证电动机具有同样的过载能力，
电动机的电磁转矩T与(U1/f1)2成正比，若下调频率f1，同时也下调U1，使(U1/f1)比值保持恒量，则磁通φ不变，因此转矩也保持常值，此时电机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。
对于恒功率调速时,调节频率f1增加，U1/f1变小，而U1不能高于额定电压，在该控制方式中，保持U1不变，由于频率变高，由式(9)知道， 定子磁通φ变小，电磁转矩M也变小，但电源频率增加，设电动机转动角速度ΩS=2πn，电机的功率是电磁转矩 TN与角速度ω的乘积
P=TNΩS(12)
调节过程中，使频率f与转矩的变化成一定协调关系，从而保持电机功率P 为恒量，即功率不发生变化，这种升频定压调速为恒功率调速。
1.2.2 改变定值绕组的极对数p。通常就是改变定子绕组的联结方法。通常变极调速一般用在鼠笼转子上面，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应.。例如把星形联结改变成并联的两个星行联结,三角形联结改变成并联的两个星行联结。
1.2.3 改变转差率s。绕线式转子回路串电阻调速的本质是通过改变转子回路电阻，进一步改变回路的电流改变转矩，从而达到得以调速。若不串电阻，可以在转子回路串入一个附件与转子绕组的感应电动势同频率的电动势，达到调速目的.转差频率控制三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场，转速为n1，电机转子实际转速为n，(n1- n)是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。对频率、电压进行谐调控制，使U1/f1不变，此时，磁通φ也不变， 在φ不变的条件下，电磁转矩T与( n1- n)2成正比。对频率f进行调节，即调节( n1- n)， 因此，在实现转速调节时也实现了转矩的调节。
2异步电动机变频调速原理
交流异步电机是靠三相电的旋转磁场来旋转,那么这个旋转磁场的频率发生变化时电机转速也随着改变,变频调速调速的原理就是利用这一点。
按照电机学的基本原理， n1=（1-s）60f/ P =n×（1-s）从式中看出，电机的同步转速n1正比于电机的运行频率60f/p，由于滑差s一般情况下比较小（0-0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n1，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。而改变频率必须改变供电电压，由交流电机成立的电磁关系E=4.44fwΦ对异步电机调速时，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改变频率时，供电电压也应跟着变化。
变频调速的范围较大，平滑性较高，变频时U按不同规律变化可实现恒转矩或者恒功率调速，以适应不同负载的要求。
3电动机的转矩特性
转矩T与转速n的关系随负载种类的不同而不同，基本上有：恒转矩负载、恒功率负载、平方转矩负载这三种，恒转矩负载指转矩T为常数；恒功率负载即功率P为常数；平方转矩负载指转矩与转速平方成正比。
当变频电机以恒功率调节方式至高频时，由于变频器输出电压受电网电压的限制而只能保持在额定电压，这样电机漏电抗随频率升高而增大，使电机的最大转矩迅速下降。从电机稳定运行的角度看，稳定工作点的转差率S应在0~Sm(Sm为最大转矩对应的转差率)之间，但工作点转差率不能太靠近Sm点，否则很容易造成电机的不稳定运行。因此在最高频率运行时，一般要求电机的最大转矩与额定转矩之比必须大于1.5倍。提高最大转矩的方法主要有：提高电磁负荷：降低定子绕组电阻。
电机在低频状态下起动，由于可将电源频率和电压同时调低，因此可使转子漏电抗明显降低，从而提高了转子的功率因数，使起动转矩变大，起动电流变小。在这种情况下，利用增加转子起动电阻以改善电机起动性能的设计方法，已不适用了。正因为能够利用降频起动而取得良好的起动特性，可将转子电阻设计的低一点，以降低转子的谐波损耗，提高电动机的运行效率。
4设计方法及措施
4.1 低频起动性能
变频调速电机在低频起动时，希望起动转矩大和起动电流小，因为起动电流大小涉及到变频器容量的选择，因此低频起动性能是变频电机重要指标之一。在设计中，主要采取的措施是转子铸铝材料采用电阻率较高的铝合金材料。
4.2 谐波的影响
4.2.1损耗大
因铸铝材料采用电阻率较高的铝合金材料，其本身电阻就较大，铸铝转子导条的电阻在谐波频率作用下，由于集肤效应会明显增大，电阻的增加使铜耗也增加。因此，变频电机总损耗将比其它电机大，这些损耗使电机额外发热，其温升一般约增加10%~20%。设计中必须采取的措施：(1)降低对电机影响较大的低次谐波；(2)导磁材料采用损耗较低而导磁性能良好的硅钢板；(3)加强电机的通风冷却效果。
4.2.2产生谐波转矩
谐波给变频调速电机带来的另一主要影响是谐波转矩。谐波转矩将造成变频电机在低频运行时产生转矩脉动。要避免低频转矩脉动，设计上除采取降低谐波转矩的影响外，适当提高电机漏电阻也可以降低谐波转矩，但会给变频电机其它性能带来影响，这就需要在电機设计中作全面考虑。
4.2.3谐波电磁噪声与振动
普通异步电动机采用变频器供电时，会使电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂，变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机械构件的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而使噪声增大。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波频率很难避开电动机的各种构件的固有频率。因此，变频电机的噪声比普通电机噪声一般约增加10~15dB左右。
4.3电机低速时冷却的影响
因为在电源频率较低时，因普通三相感应电动机的阻抗不够理想，使电源中高次谐波所引起的损耗显得较大；再者，自带风扇的普通感应电动机在转速降低时，冷却风量将以转速的三次方成比例减少，这必将使电机的低速温升急剧增加，可能导致电动机温升超过允许限值而影响电机的性能。因此在设计时，一般把变频调速电动机分为两类：一类是通风型，用于调速范围较小，或长期用于额定转速附近的场合；另一类是用于调速范围较宽的场合。
5结语
交流变频调速具有系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单，通用性强，使传动控制系统具有优良的性能，同时节能效果明显，产生的经济效益显著。
参考文献
[1]傅丰礼.唐孝镐.异步电动机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007
[2]徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]孙振宇.变频调速三相异步电动机恒转矩及恒功率特性的控制[J].防爆电机，2002( 3)：19-20
[4]顾绳谷.电机及拖动基础.北京：机械工业出版社.2007.
关键词：调速；三相异步；电动机；设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
工业中的生产过程离不开电力传动。生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。直流电动机可方便地进行调速，但直流电动机体积大、造价高，并且无节能效果。而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因此对交流电动机的调速具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机械的控制精度可大为提高，并能够大幅度地提高劳动生产率和产品质量，而且可对诸多生产过程实施自动控制。对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多场合中，还具有非常显著的节能效果。鉴于多种调速方式中，交流变频调速具有系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单，通用性强，使传动控制系统具有优良的性能，同时节能效果明显，产生的经济效益显著。
1 异步电动机调速的原理及方法
当异步电机定子绕组接到三相电源上时,定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势,从而产生基波旋转磁场,由于旋转磁场以同步转速n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转,形成转子转速n。
电动机转子转速n低于同步转速。
1.1 工作原理
异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系n1=60f/p(1)
式中 f———电网频率
P———绕组极对数
电机学中还常用转差率 s 参量，其定义为s=(n1- n)/n1·100%(2)
电机的转子转速 n=(60f/p)(1- s)(3)
1.2 变频调速控制方式
式( 3) 可知，異步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种。
1.2.1 改变供电电源的频率f1。在变频调速时，一般要求φ保持不变,由定子电路的电动势方程式可见，得
定子绕组内的感应电动势为E1=4.44f1K1N1φ(4)
式中 f1———定子绕组中感应电动势的频率，与电网频率f相等，Hz
K1———电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，K1<1
N1———电机定子绕组每相串联的线圈匝数
φ———电机每极磁通定子
电压 U1与定子绕组感应电动势 E1的关系为U1=E1+I1Z1(5)
式中 Z1———定子绕组每组阻抗
I1———定子绕组相电流
若忽略定子漏阻抗I1Z1， 则 U1≈E1=4.44f1K1N1φ (6)
把该式整理成 U1=4.44f1K1N1φ(7)
K=4.44K1N1 (8)
则φ=U1/Kf1 (9)
为使在f1 变化时，φ保持不变，则（7）可见U1/ f1必须为定值，即为同比例变化。
式中,Ωs =2πf1/p.X1+X2=2πf1(L1+L2),带入（10）并考虑到f1较高时，
（X1+X2）》R1,从而省去R1，得
（11）
式中C为常数,C=m1p/[8π2（L1+L2）]
对于恒转矩调速，U1/ f1同比例变化可以保证电动机具有同样的过载能力，
电动机的电磁转矩T与(U1/f1)2成正比，若下调频率f1，同时也下调U1，使(U1/f1)比值保持恒量，则磁通φ不变，因此转矩也保持常值，此时电机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。
对于恒功率调速时,调节频率f1增加，U1/f1变小，而U1不能高于额定电压，在该控制方式中，保持U1不变，由于频率变高，由式(9)知道， 定子磁通φ变小，电磁转矩M也变小，但电源频率增加，设电动机转动角速度ΩS=2πn，电机的功率是电磁转矩 TN与角速度ω的乘积
P=TNΩS(12)
调节过程中，使频率f与转矩的变化成一定协调关系，从而保持电机功率P 为恒量，即功率不发生变化，这种升频定压调速为恒功率调速。
1.2.2 改变定值绕组的极对数p。通常就是改变定子绕组的联结方法。通常变极调速一般用在鼠笼转子上面，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应.。例如把星形联结改变成并联的两个星行联结,三角形联结改变成并联的两个星行联结。
1.2.3 改变转差率s。绕线式转子回路串电阻调速的本质是通过改变转子回路电阻，进一步改变回路的电流改变转矩，从而达到得以调速。若不串电阻，可以在转子回路串入一个附件与转子绕组的感应电动势同频率的电动势，达到调速目的.转差频率控制三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场，转速为n1，电机转子实际转速为n，(n1- n)是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。对频率、电压进行谐调控制，使U1/f1不变，此时，磁通φ也不变， 在φ不变的条件下，电磁转矩T与( n1- n)2成正比。对频率f进行调节，即调节( n1- n)， 因此，在实现转速调节时也实现了转矩的调节。
2异步电动机变频调速原理
交流异步电机是靠三相电的旋转磁场来旋转,那么这个旋转磁场的频率发生变化时电机转速也随着改变,变频调速调速的原理就是利用这一点。
按照电机学的基本原理， n1=（1-s）60f/ P =n×（1-s）从式中看出，电机的同步转速n1正比于电机的运行频率60f/p，由于滑差s一般情况下比较小（0-0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n1，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。而改变频率必须改变供电电压，由交流电机成立的电磁关系E=4.44fwΦ对异步电机调速时，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改变频率时，供电电压也应跟着变化。
变频调速的范围较大，平滑性较高，变频时U按不同规律变化可实现恒转矩或者恒功率调速，以适应不同负载的要求。
3电动机的转矩特性
转矩T与转速n的关系随负载种类的不同而不同，基本上有：恒转矩负载、恒功率负载、平方转矩负载这三种，恒转矩负载指转矩T为常数；恒功率负载即功率P为常数；平方转矩负载指转矩与转速平方成正比。
当变频电机以恒功率调节方式至高频时，由于变频器输出电压受电网电压的限制而只能保持在额定电压，这样电机漏电抗随频率升高而增大，使电机的最大转矩迅速下降。从电机稳定运行的角度看，稳定工作点的转差率S应在0~Sm(Sm为最大转矩对应的转差率)之间，但工作点转差率不能太靠近Sm点，否则很容易造成电机的不稳定运行。因此在最高频率运行时，一般要求电机的最大转矩与额定转矩之比必须大于1.5倍。提高最大转矩的方法主要有：提高电磁负荷：降低定子绕组电阻。
电机在低频状态下起动，由于可将电源频率和电压同时调低，因此可使转子漏电抗明显降低，从而提高了转子的功率因数，使起动转矩变大，起动电流变小。在这种情况下，利用增加转子起动电阻以改善电机起动性能的设计方法，已不适用了。正因为能够利用降频起动而取得良好的起动特性，可将转子电阻设计的低一点，以降低转子的谐波损耗，提高电动机的运行效率。
4设计方法及措施
4.1 低频起动性能
变频调速电机在低频起动时，希望起动转矩大和起动电流小，因为起动电流大小涉及到变频器容量的选择，因此低频起动性能是变频电机重要指标之一。在设计中，主要采取的措施是转子铸铝材料采用电阻率较高的铝合金材料。
4.2 谐波的影响
4.2.1损耗大
因铸铝材料采用电阻率较高的铝合金材料，其本身电阻就较大，铸铝转子导条的电阻在谐波频率作用下，由于集肤效应会明显增大，电阻的增加使铜耗也增加。因此，变频电机总损耗将比其它电机大，这些损耗使电机额外发热，其温升一般约增加10%~20%。设计中必须采取的措施：(1)降低对电机影响较大的低次谐波；(2)导磁材料采用损耗较低而导磁性能良好的硅钢板；(3)加强电机的通风冷却效果。
4.2.2产生谐波转矩
谐波给变频调速电机带来的另一主要影响是谐波转矩。谐波转矩将造成变频电机在低频运行时产生转矩脉动。要避免低频转矩脉动，设计上除采取降低谐波转矩的影响外，适当提高电机漏电阻也可以降低谐波转矩，但会给变频电机其它性能带来影响，这就需要在电機设计中作全面考虑。
4.2.3谐波电磁噪声与振动
普通异步电动机采用变频器供电时，会使电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂，变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机械构件的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而使噪声增大。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波频率很难避开电动机的各种构件的固有频率。因此，变频电机的噪声比普通电机噪声一般约增加10~15dB左右。
4.3电机低速时冷却的影响
因为在电源频率较低时，因普通三相感应电动机的阻抗不够理想，使电源中高次谐波所引起的损耗显得较大；再者，自带风扇的普通感应电动机在转速降低时，冷却风量将以转速的三次方成比例减少，这必将使电机的低速温升急剧增加，可能导致电动机温升超过允许限值而影响电机的性能。因此在设计时，一般把变频调速电动机分为两类：一类是通风型，用于调速范围较小，或长期用于额定转速附近的场合；另一类是用于调速范围较宽的场合。
5结语
交流变频调速具有系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单，通用性强，使传动控制系统具有优良的性能，同时节能效果明显，产生的经济效益显著。
参考文献
[1]傅丰礼.唐孝镐.异步电动机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007
[2]徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]孙振宇.变频调速三相异步电动机恒转矩及恒功率特性的控制[J].防爆电机，2002( 3)：19-20
[4]顾绳谷.电机及拖动基础.北京：机械工业出版社.2007.