三相绕线转子电动机调速原理

三相绕线式异步电机，它具有启动电流小，且启动扭矩大，并能在一定范围内调节速度，它适合启动时间较长和启动较频繁的场合，被广泛应用于矿山、化工等各领域的球磨机、破碎机、风机、空压机等电机传动设备中。
根据电机转速公式（式一）可以得出要想改变电机的转速可以从以下几点入手：（1）改变电机的极对数；（2）电机工作电源频率；（3）电机的转差率；但是不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。
N0=(1–s)60f/p （式1）（此公式适合所有的交流电机调速。）
P—电机极对数；s—电机转差率；f—电机工作电源频率；N0—电机同步转速；
然而对于绕线电机调速，一般都是给转子中接串电阻达到调速的目的，接下来介绍几种绕线电机的简单调速方法：
一、串电阻启动调速。
原理：对于绕线式异步电动机，当电网电压及频率不变时，在转子回路中串入电阻后，可以改善电动机的起动转矩，在绕线电机转子中串接启动电阻，减小启动电流，电阻一般接为星形接法，根据公式：
I0=U0/R0（式2）
当转子串接电阻时R0↑,在U0不变的情况下，I0↓,此分析忽略电机感抗的损耗。

主回路接线图如图一(a)
图一
启动前将电阻全部接入转子回路，随着启动过程的结束，启动电阻被逐级短接，KM1,KM2,KM3逐级吸合，保证始终有较大的起动转矩，短接方式可以遵循时间和电流调节原则，KA1,KA2,KA3中间继电器可以根据实际工作 情况而定。

串电阻优点：1、系统稳定，手动控制简单。
2、对检修维护要求低，对维护人员技术要求不高。
缺点：1、手动操作、起动性能不稳定、起动电流大（约为3～5le），转子能耗高。
2、技术落后，目前已逐渐被淘汰。
3、属有级调速，机械特性较软。
二、串频敏变阻器调速启动。
由于串电阻有以上缺点，经过不断的总结和改造，出现了串频敏变阻器调速启动，其原理：利用电感器的交流阻抗随着通过的电流频率的增大而增大的原理设计的，绕线电机在起动过程中，转子电流频率（式3），随着转速逐渐上升，而s下降，当很小时，f0也逐渐下降直到无穷小。
F0=s*f1（式3）
F0—转子电流频率；s—电机转差率；f1—定子电流频率；
频敏变阻器是一种无触点的电磁原件，可视为带铁心的三相电抗器，在电机起动过程中，它的阻抗会随着转子电流的频率变化而逐渐减少，故无需用人为去控制其阻抗数值，当转速达到额定转数时，可用接触器KM1，将其短接。如图一b
优点：1、实现无级平滑启动。
2、能实现自动与手动控制。
3、运行稳定，维护简单，目前在低压、小功率绕线电机中多采用此启动器。
缺点：1、对电压稳定性要求高，稍低即难起动。
2、不能连续起动，连续启动时间间隔为3分钟左右。
3、频敏包易烧毁，对绝缘要求高。
三、串极调速启动
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。
原理：假定异步电机的外加电源电压U0，及负载转矩ML都不变，则电机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附加电势E1则转子电流I0为： I0=(E0±E1)/(R2+X0)1/2（式4）
E0-转子开路相电势；R2-转子回路电阻；X0-转子旋转时每相漏抗；
当电机在正常运行时，转差率s很小，故R2≥X0，忽略X0，上式中，E0取电动机的一个常数，所以改变附加电势E1就可以改变转差率s ，从而实现调速。实际E0±E1≈常数（式四）
设当E1=0时电动机运行于额定转速，即n=n0,s=s0,当附件电势与转子相电势相位相反时，E1为负，改变E1的大小，可在额定转数以下调速，这称为低同步串级调速（即s>0），当附件电势与转子相电势相位相同时，E1为正，改变E1的大小，可在额定转数以上调速，这称为超同步串级调速(即s<0)。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速，多采用晶闸管串级调速，晶闸管低同步串级调速系统是在绕线异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或整流二极管，将转子的转差频率交流变为直流，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种方式。晶闸管低同步串级调速系统主回路见图二。
BT-整流变压器 R-频敏变阻器
图二

此控制调速系统效率利用率高，它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬，但是在运行中也必须要注意以下两点：
1、必须有严格的启动和切换顺序，由于硅原件的赖压和额定电流的影响，必须保证电机转速达到规定的最低转速以上时才允许切换至串级调速运行状态，启动顺序是：给控制回路送电，接通逆变器主电源转子接入频敏变阻器，接通定子电源，启动电机，电机加速至规定转速时切换至串调运行，此后立即切断频敏变阻器。
2、必须有正确的停车顺序，由于绕线电机空载时励磁电流较大，为电机额定电流的25%，因此在电机分闸时不允许转子开路，否则将产生严重的过压，甚至击穿电机绝缘，停车时应保证逆变器比整流器迟脱离电网，停车顺序为，使串调装置脱离电机转子，同时接入频敏变阻器，切断电机定子电源，切断逆变器电源，切断控制回路。
串调装置优点：电能有效利用率高，能实现无级平滑调速，机械特性硬，晶闸管被广泛应用，技术难度不大，性能比较完善。
缺点：对操作人员要求比较高，一旦损坏，维护难度大。
四、绕线电动机转子串水电阻和转子变频调速启动。
目前在许多矿山设备中多采用高压（0.6KV-10KV）和大功率(650-2000KW)绕线异步电动机，如果继续采用以上的启动方式，则对设备和技术要求更高，系统保护更繁琐，面对此情况，开发出了转子串水电阻和转子变频调速启动。
1、转子串水电阻启动。
它是通过在电机转子回路中串入液体电阻，自动无级调整该电阻使其由大变小最后为零，实现电机降压无冲击地平滑起动。
水电阻启动的原理是：水电阻是利用一个水槽，将一定配比的碱性液体置于水槽中，水槽两边设铜质极板，一端为定极板，一端为动极板，通过外设动力驱动极板，改变两极板间的距离达到改变电阻的目的（电阻的阻值大小与动定极板的距离大小近似正比关系），该电阻的改变是人为通过驱动机构设定的，电阻的切换时间利用驱动执行机构及其执行时间来设定。通过程序控制平稳移动动极板，最终达到电机平稳无级启动的目的。
具体工作过程是：在主电机起动前，液体电阻自动投入；主电机起动时，动极板在一小功率伺服电机的带动下缓慢移动，改变两极板之间的距离，使串入转子回路的液体电阻阻值变化满足上述条件，电机转速升高。当两极板之间距离最小时，电机转速达到额定转速，将液体电阻短接，完成起动过程，转入额定运行状态。
主要性能特点：
（1）、软起动，起动电流小Iq≤1.3I（A）；降低了电机起动升温，有效地延长电机使用寿命；
（2）、起动过程平滑，对机械设备无冲击；可连续起动5~10次，起动性能优于频敏起动器；
（3）、对电网要求不高，不会产生谐波而影响电网；结构可靠、简单，安装、维护方便；通用性好，可适用任何负载状况下绕线式电机软起动，特别适用于重载起动；
此系统虽然性能好，但工程造价高，普及率不高，有待推广。
2、转子变频调速启动。
高压绕线电机转子变频技术，采用低压变频器，通过高压绕线电机转子供电，将电机定子短封，实现高压绕线电机的变频调速，使交流电机实现无级调速，达到理想的运行状态。此设计新颖，利用成熟的低压变频技术。主回路接线图如图三：

图三
由于高压绕线电机转子变频调速控制系统采用上述结构，以利用目前比较成熟的低压通用型矢量控制变频器技术，对高压绕线电机的定子短封后，可以实现高压交流绕线电机的变频调速，因为高压绕线电机的转子电压较低，转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可，这就使用低压变频器解决高压电机的变频调速问题，与高压定子变频调速控制相比，设备简单、通用性强、可靠性高。
优点：低压变频技术成熟，应用广泛，配套方便；高效节能，启动电流小，调速范围大，静态性能好，启动电流小I0≤1.3Ie（A）。
缺点：变频器技术复杂，现场人员很难维护，设备成本高。
五、结束语。
综上所述，在实际应用中，根据本人经验，在低压（660V以下）绕线电机调速启动控制系统中建议采用，转子串频敏变阻器启动，此调速启动控制系统运行稳定，性价比高；在高压（660V以上）绕线电机调速启动系统，建议采用转子串水电阻启动。实际应用情况可根据安全可靠、经济的原则选择最优方案。