三相电动机调速与制动问题的研究
摘要:三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。三相异步电动机的调速方法有变极调速、变频调速和变转差率调速。其中变转差串调速包括绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速、串级调速和降压调速。三相异步电动机有三种制动状态：能耗制动、反接制动(电源两相反接和倒拉反转)和回馈这三种制动状态的机械特性曲线、能量转换关系及用途、特点等均与直流电动机制动状态。本文主要针对变频调速及能耗制动作出了详细研究.
1.电动机调速
在电力拖动调速系统中，特别是在宽调速和快速可逆拖动系统中，多采用直流电动机拖动，其原因是直流电动机具有良好的调速性能。但是，直流电动机存在价格高、维护困难、需要专门的直流电源等一系列缺点。相比之下，交流电动机具有价格低、远行可靠、维护方便等一系列优点，因此在各个应用领域都希望尽可能采用交流电动机拖动。近年来，由于电力电子技术和计算机技术的发展，使得+交流调速技术日益成熟，交流调运装置的容量不断扩大，性能不断提高，使得交流调速已显示出逐步取代直流调速的趋势。
根据异步电动机的转速公式
可知，异步电动机有下列三种基本调速方法
(1 )改变定子极对数多调速；
(2) 改变电源频率／I调速；
(3) 改变转差率s调速。
其中改变转差率s调速，包括绕线转子电动机的转子申接电阻调速、变级调速及定子调压调速。
1.1 变频调速
改变异步电动机定子绕组供电电源的频率 ，可以改变同步转速 ，从而改变转速。如果频率 连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。
三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为
式中 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势； 为定子电源频率； 为定子每相绕组匝数； 为基波绕组系数， 为每极气隙磁通量。
如果改变频率 ，且保持定子电源电压 不变，则气隙每极磁通 将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率 时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通 的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下的调速和基频以上调速两种情况。
（1）基频以下变频调速
为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率 时，保持 为常数，使气隙每极磁通 为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转矩为
上式对s求导，即 ，有最大转矩和临界转差率为
由上式可知：当 常数时，在 较高时，即接近额定频率时， ，随着 的降低， 减少的不多；当 较低时， 较小； 相对变大，则随着 的降低， 就减小了。显然，当 降低时，最大转矩 不等于常数。保持 常数，降低频率调速时的机械特征如图1-1所示。这相当于他励直流电机的降压调速。
（a） 基频以下调速（ 常数） （b）基频以上调速（ =常数）
图1-1 变频调速的机械特性
（2）基频以上变频调速
在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为 不变，频率 越高，磁通 越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。
保持 =常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为
上式求 ，得最大转矩和临界转差率为
由于 较高， 、 和 比 大的多，则上式变为
因此，频率越高时， 越小， 也越小。保持 为常数，升高频率调速时的机械特性如图1-1(b)所示
1.2变频调速的特点和性能
1.变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展；
2.变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速；
3.变频调速时，转差率 较小，则转差功率损耗较小，效率较高；
4.可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式；
5.变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。
2 电动机制动
三相异步电动机除了运行于电动状态外，还时常运行于制动状态。运行于电动状态时，Tem与n同方向，Tem是驱动转矩，电动机从电网吸收电能并转换成机械能从轴上输出，其机械特性位于第一或第＝象限。运行于制动状态时，Tem与n反方向，Tem是制动转矩，电动机从轴上吸收机械能并转换成电能，该电能或消耗在电机内部，或反馈回电网，其机械特性位于异步电动机制动的目的是使电力拖动系统快速停车或者使拖动系统尽快减速，对于位能性负载，制动运行可获得稳定的下降速度。
2.1 能耗制动
如果三相异步电动机定子绕组断开三相电源后，则电机内无磁通势。从而电磁转矩 ＝0，电动机在负载转矩作用下，自然停车，这是自然制动过程。
能耗制动的电路原理图如图2-1所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流 ( 也称直流励磁电流)，即接通开关2K，从而在电机内形成一个不旋转的空间位置固定的磁通势，最大幅值为 。在三相交流电源切断后的瞬间，电动机转子由于机械惯性其转速 不能突变，而继续维持原逆时针方向旋转。此时，直流电流 产生的空间固定不转的磁通势相对于旋转的转子是一个旋转磁通势；旋转方向为顺时针，转速大小为 。这种相对运动导致了转子绕组有感应电动势，并产生电流和电磁转矩 ，根据左手定则可知， 的方向与磁通势相对于转子的旋转方向是一样的，但与转速 的方向相反，电动机处于制动运行状态，电机转速迅速下降，直到转速 时，磁通势与转子相对静止，＝0, ＝0, , 减速过程结束，电动机将停转，实现了快速制动停车。如果负载是反抗性负载，则电机转速 将停车。如果负载是位能性负载，则电机转速 时必须立即用机械抱闸，将电机轴刹住停车。
图2-1 能耗制动接线图
由于制动过程，转轴的机械能转换成电能消耗在转子回路的电阻上，因此，称为能耗制动。
结论
本文主要研究了三相异步电动机变频调速和能耗制动。变频调速是现代交流调速技术的主要方向，它可实现无级调速，适用于恒转矩和恒功率负载。能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合，也可应用于起重机一类带位能性负载的机械上，用来限制重物下降的速度，使重物保持匀速下降。
参考文献
[1] 曹承志．电机、拖动与控制．机械工业出版社．2004年1月．100-140页．
[2] 绍群涛．电机及拖动基础．机械工业出版社．2008年5月．196-209页．
[3] 黄立培．变频器应用技术及电动机调速．人民邮电出版社．1998年7月．49-54页．
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