笼型异步电动机调速传动

    笼型异步电动机的结构比直流电动机简单，并且在工业变速传动中得到了最广泛的应用。此类电动机可靠，几乎不需要维护，同时价格十分便宜。由于它们可以为全封闭结构，从而可以在污秽的和爆炸性的环境下运行。其生产成本比采用换向器的电动机要低得多，而两者的效率却相差不大。

    定子绕组产生一个以同步转速旋转的磁通。而上述同步转速则取决于电动机的极数和供电频率，旋转磁通和转子绕组相交，并且在绕组中产生一个感生电动势(EMF)，生成环流。转子电流产生二次磁通，并且与定子绕通相互作用产生转矩，对电动机进行加速。在转子加速时，转子感应电压的幅值和频率均下降，直到达到平衡转速为止。此时，感应生成的转子电流足以生成负载所需的转矩。而转子的速度则比同步转速低一个转差频率，典型值为3%。一般说来，P极的异步电动机在3相交流的1个周期内旋转2/P转。所以，表示旋转磁场转速的同步速度N1与极对数P、电源频率f1的关系，可用下式表示

   (12-2)

式中n1-同步速度( r/min)；

   f1-电源频率(Hz)。

    若P代表极对数，此时。

    异步电动机要产生转矩，同步速度n1与转子速度n2必须有差别。速度差与同步速度的比值s称为转差率，可用下式表示

        (12-3)

    改写后为

   n2=n1（1-s）    (12-4)

    通用3相异步电动机在工频(50Hz或60Hz)下运转时，对应额定转矩的转差率为1%～5%左右。由式(12-3)可见，采用变频器使频率下降，则额定转矩下的转差率将增加。从而可知，改变电动机的电源频率可调节电动机转速。若改变转差率和极对数，调速范围很窄，而且极对数有极差调节，很不方便，不如改变频率调转速方便，范围宽。

    为了保证电动机的恒励磁，并且直到额定同步转速（即基频）均能维持最大转矩，需要将转子电压和频率之比近似维持为一个常量。

    异步电动机具有三个明显的运行区间可进行调速：

   (1)恒转矩：当电动机工作在额定同步转速以下，其磁链维持在额定值，而施加于电动机两端的变频器的输出电压在控制器的作用下始终保持与电动机的转速成正比，即实现U/f为常数控制。由于最大转矩的值正比于磁链的平方，所以电动机可以在一直到额定同步转速的速度范围中，输出最大转矩。实际上，异步电动机的额定持续转矩均为其最大转矩的40%～50%。

   (2)恒功率：当速度由同步转速进一步增加时，虽然变频器的频率可以增加，但是供电电压受其最大值的限制，使得定子磁链与频率成反比减少。从开始一直到电动机的转速所对应的峰值转矩恰好满足恒功率曲线为止的范围，电动机实现恒功率运行。可以实现恒功率的转速范围通常为2～2.5。在该范围中，电动机的工作频率不断增加，直达到电动机转速的限制为止。

   (3)电动机限制最大转矩：一旦达到电动机转速极限，转矩将与电动机频率的二次方成反比下降。由于电动机的功率因数恶化，所以在该速度范围的高端运行往往是不可行的。因为这将导致高于额定值的定子电流。除非占空比低，电动机将会过热。

    异步电动机通常用于要求对转矩、速度和轴位置进行快速和精确控制的场合。

    在实际应用中，对于简单的调速系统，U/f为常数的控制应用比较广泛，对于恒转矩、恒功率及要求调速精度比较度、响应快的负载和冲击负载等还是广泛采用矢量控制，此时系统的瞬态响应至少可以达到和采用换向器直流电动机调速相当的水平。

    在此种控制系统中，电压、电流和磁链均为空间矢量，上述向量的瞬时值可以通过将空间矢量投影在三个相互之间位移120°的三个轴上得到。将空间矢量的实部分量和虚部分量相分离，就可以生成两个独立的，但参数相同的直轴(D)和交轴(Q)的等效电路。

    由于异步电动机的励磁电抗的数值很大，转子磁链的变化相对较慢。矢量控制的机理在于保持瞬时励磁电流的空间矢量恒定，进而使转子磁链保持恒定。受控电动机由变频器供电，变频器输出一组受控的瞬时相电流，该组相电流构成的上述空间矢量，可以在控制作用下维持恒定的幅值，从而使转子磁链维持常量。第二个分量也是一个空间矢量，该矢量在空间中与瞬时励磁电流空间矢量相正交。该分量在控制下其瞬时值与所需转矩成正比。

    如果变频器所生成的转子电流的瞬时值能满足上述两个要求，电动机就可以对转矩指令产生没有时间延迟的快速响应。上述特性，与异步电动机转子相对小的惯性相结合，可适应需要高性能的控制系统。