1.11　三相异步电动机的调速控制

三相异步电动机的调速公式为

n=nCharOverride-16(1-s)=(1-s)　　（1-1）

其中，s为转差率，n_idGenCharOverride-4为理想转速，f为转子电流频率，p为极对数。通过以上公式就可以得出相应的如下3种调速方法。

1.11.1　改变转差率的调速

改变转差率的调速方法又分为调压调速、串电阻调速、串极调速（不是串励电动机调速）和电磁离合器调速4种，下面仅介绍前两种调速方法。

① 调压调速方法能够实现无级调速，但当降低电压时，转矩也按电压的平方比例减小，所以调速范围不大。在定子电路中，串电阻（或电抗）和用晶闸管调压调速都是属于这种调速方法。

② 串电阻调速方法只适用于绕线式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用，不过此时要考虑稳定运行时的发热，应适当增大电阻的容量。

转子电路中串电阻调速简单可靠，但它是有级调速，随着转速的降低，特性逐渐变软。转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。

1.11.2　改变极对数的调速

在生产中有大量的生产机械，它们并不需要连续平滑调速，只需要几种特定的转速即可，而且对启动性能没有高的要求，一般只在空载或轻载下启动，在这种情况下，用改变极对数调速的多数笼型异步电动机是合理的。

三相异步电动机的转速为

n_idGenCharOverride-4=60f /p　　（1-2）

由上式可知，同步转速n_idGenCharOverride-4与极对数p成反比，故改变极对数p即可改变电动机的转速。多速电动机启动时最好先接成低速，然后再换接为高速，这样可获得较大的启动转矩。多速电动机虽然体积稍大，价格稍高，只能有级调速，但因结构简单，效率高，特性好，且调速时所需附加设备少，因此，广泛用于机电联合调速的场合，特别是中小型机床上用得极多，如镗床上就采用了多速电机。

1.11.3　变频调速

异步电动机的转速正比于定子电源的频率f，若连续地调节定子电源频率f，即可实现连续地改变电动机的转速。

1.11.3.1　变频器及其工作原理

（1）初识变频器

变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器有着“现代工业维生素”之称，在节能方面的效果不容忽视。随着各界对变频器节能技术和应用等方面认识的逐渐加深，目前我国的变频器市场变得异常活跃。

变频器产生的最初目的是速度控制，应用于印刷、电梯、纺织、机床和生产流水线等行业，而目前相当多的运用是以节能为目的。由于中国是能源消耗大国，而中国的能源储备又相对贫乏，因此国家大力提倡各种节能措施，其中着重推荐了变频器调速技术。在水泵、中央空调等领域，变频器可以取代传统的通过限流阀和回流旁路技术，充分发挥节能效果；在火电、冶金、矿山和建材行业，高压变频调速的交流电机系统的经济价值得以体现。

变频器是一种高技术含量、高附加值、高效益回报的高科技产品，符合国家产业发展政策。进入21世纪以来，我国中、低压变频器市场的增长速度很快。

从产品优势的角度看，通过高质量地控制电机转速，提高制造工艺水准，变频器不但有助于提高制造工艺水平（尤其在精细加工领域），而且可以有效节约电能，是目前最理想、最有前途的电机节能设备。

从变频器行业所处的宏观环境看，无论是国家中、长期规划，短期的重点工程、政策法规以及国民经济整体运行趋势，还是人们节能环保意识的增强、技术的创新、发展高科技产业的要求，从国家相关部委到各相关行业，变频器都受到了广泛的关注，市场吸引力巨大。

（2）交—直—交变频调速的原理

下面以图1-83说明交—直—交变频调速的原理，交—直—交变频调速就是变频器先将工频交流电整流成直流电，逆变器在微控制器（如DSP）的控制下，将直流电逆变成不同频率的交流电。目前市面上的变频器多是这种原理工作的。

在图1-83中，R0起限流作用，当U1、V1、W1端子上的电源接通时，R0接入电路，以限制启动电流。延时一段时间后，晶闸管VT导通，将R0短路，避免造成附加损耗。Rt为能耗制动电阻，当制动时，异步电动机进入发动机状态，逆变器向电容C反向充电，当直流回路的电压（即电阻R1、R2上的电压）升高到一定的值时（图中实际上测量的是电阻R2的电压），通过泵升电路使开关器件Vb导通，这样电容C上的电能就消耗在制动电阻Rt上。通常为了散热，制动电阻Rt安装在变频器外侧。电容C除了参与制动外，在电动机运行时，主要起滤波作用。顺便指出，起滤波作用是电容器的变频器称为电压型变频器；起滤波作用是电感器的变频器称为电流型变频器，其中比较多见的是电压型变频器。

微控制器经过运算输出控制正弦信号后，经过SPWM（正弦脉宽调制）发生器调制，再由驱动电路放大信号，放大后的信号驱动6个功率晶体管，产生三相交流电压U、V、W驱动电动机运转。下面将以西门子MM440型变频器为例介绍相关内容。

【例1-21】　如图1-84所示，若将输入端L1和L2的电源线对调，三相交流电动机M1的转向是否会改变？

【解】　不会。因为将输入端L1和L2的电源线对调，虽然改变了输入端电源的相序，但是输出端电压的相序并没有改变，因为输入端不同相序的电源经过整流后都得到相同的直流电，不会影响输出端的相序，其原理图参考图1-83。

要改变电动机的转向，必须改变输出端的相序，若一定要想通过“调线”的方法改变三相电动机的转向，那么就将电动机接线端子上的任意两根火线对调即可。

1.11.3.2　变频器的控制

图1-84所示的电路图，可以实现电动机的正/反转。

（1）电动机的正/反转

变频器控制电动机正反转的电路如图1-84所示，变频器以西门子MM440为例，DIN1实际是控制端子5，DIN2实际是控制端子6，+24V是端子9。当DIN1和+24V短接时，变频器正转；当DIN2与+24V短接时，变频器反转。

1）参数设置　变频器的参数设置见表1-20。电动机的参数，如额定电压、额定电流都应根据实际情况而定。

2）电路中各元器件的作用

① SB1按钮，变频器通电；

② SB2按钮，变频器断电；

③ SB3按钮，正转启动；

④ SB4按钮，反转启动；

⑤ SB5按钮，电动机停止；

⑥ KA1继电器，正转控制；

⑦ KA2继电器，反转控制。

3）电路的设计要点

① KM接触器仍只作为变频器的通、断电控制，而不作为变频器的运行与停止控制。因此，断电按钮SB2仍由运行继电器KA1或KA2封锁，使运行时SB2不起作用。

接触器KM的作用：变频器的保护功能动作时，可以通过接触器迅速切断电源；可以方便地实现自锁、互锁控制。

② 控制电路串接报警输出接点18、20，当变频器故障报警时切断控制电路，KM断开而停机。

③ 变频器的通、断电，正、反转运行控制均采用主令按钮。

④ 正反转继电器KA1和KA2互锁，正反转切换不能直接进行，必须先停机再改变转向。

4）变频器的正反转控制

① 正转　当按下SB1，KM线圈得电吸合，其主触点接通，变频器通电处于待机状态。与此同时，KM的辅助常开触点使SB1自锁。这时如按下SB3，KAl线圈得电吸合，其常开触点KA1接通变频器的DIN1端子，电动机正转。与此同时，其另一常开触点闭合使SB3自锁，常闭触点断开，使KA2线圈不能通电。

② 反转　如果要使电动机反转，先按下SB5使电动机停止。然后按下SB4，KA2线圈得电吸合，其常开触点KA2闭合，接通变频器DIN2端子，电动机反转。与此同时，其另一常开触点KA2闭合使SB4自锁，常闭触点KA2断开，使KAl线圈不能通电。

③ 停止　当需要断电时，必须先按下SB5，使KA1和KA2线圈失电，其常开触点断开（电动机减速停止），并解除对SB2的旁路，这时才能按下SB2，使变频器断电。变频器故障报警时，控制电路被切断，变频器主电路断电。

④ 控制电路的特点

a.自锁保持电路状态的持续，KM自锁，持续通电；KA1自锁，持续正转；KA2自锁，持续反转。

b.互锁保持变频器状态的平稳过渡，避免变频器受冲击。KA1、KA2互锁，正、反转运行不能直接切换；KA1、KA2对SB2的锁定，保证运行过程中不能直接断电停机。

c.主电路的通断由控制电路控制，操作更安全可靠。

（2）调速

通常变频器有多种调速方式，下面介绍其中的4种。

① 调节控制电压（电流）调速　图1-85中，将AIN-与0V接线端子短接，再向AIN+和AIN-之间输入0～10V电压，更换设置可接其他范围的电压，更换接线方式也可输入电流信号（如4～20mA信号）。当然，也可以外接一个旋转电位器在以上接线端子上，并引入电位，当转动旋转电位器时，AIN+和AIN-端子上得到不同的电压，电动机的转速与这个控制电压成正比，这种调速方法最简单。

【例1-22】　在图1-85的变频器中，AIN+和AIN-接线端子上有10V的电压，电动机的额定转速是1440r/min，则当电动机的转速是720r/min时，AIN+和AIN-端子上的控制电压应该是多少？

【解】　首先在变频器中将模拟量的信号范围设定为0～10V，再将频率范围设置为0～50Hz。可以求得AIN+和AIN-端子上的控制电压为

所以AIN+和AIN-端子上的控制电压为5V。

② 键盘调速　通常变频器有一个小键盘，对照变频器的说明书，在键盘上输入特定的指令就可以调速，这种调速方法简单，不需要购置其他设备，应优先使用。

③ 通信调速　通常变频器可以与其他智能设备（如PLC或计算机）进行通信，具有通信功能的变频器一般带有通信接口，如RS-232C、RS-485、现场总线（如PROFIBUS）等接口。图1-85所示的MM440变频器的29和30接口就是RS-485通信的接口，S7-200系列PLC可以通过这些接口进行USS通信，从而进行调速。此外，此变频器若配上PROFIBUS现场总线模块，其他的主控设备还通过PROFIBUS现场总线对变频器进行调速。通信调速容易实现远程控制，应用比较广泛。

④ 多段调速　一般的变频器都有多段调速功能，多段调速就是在变频器中设定若干个对应一定转速的频率，每一个频率对应一个端子，当这个端子与24V接线端子（有的为0）短接时，变频器控制的电动机就以对应的设定转速转动，频率数值可以通过键盘在一定的范围内任意设定。例如，变频器中设定10Hz（假设电动机的转速为288r/min）、20Hz、30Hz分别对应DIN1、DIN2、DIN3三个端子，当DIN1与24V接线端子短接时，电动机的转速为288r/min；当DIN2与24V接线端子短接时，电动机的转速为576r/min；当DIN3与24V接线端子短接时，电动机的转速为864r/min。可见，多段调速是不连续的，但速度可任意设定，很有使用价值。多段调速的线路如图1-85所示。

（3）制动

使用变频器时，电动机的制动比较简单，如图1-85中，只要在B+和B-端子上连接一个制动电阻即可，当系统断电，制动开始（制动电阻通常作为附件在变频器供应商处购买）。