在工業(yè)生產(chǎn)中為了獲得最高的生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，常要求生產(chǎn)機(jī)械能在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行工作。如果采用電氣調(diào)速，就可大大簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。

由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

                     

可知：要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可采用改變電源頻率f₁、極對(duì)數(shù)p以及轉(zhuǎn)差率s等三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一、變極調(diào)速

在電源頻率恒定條件下，改變定子繞組形成的磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)p，就可以改變同步轉(zhuǎn)速n₁和相應(yīng)得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，稱為變極調(diào)速。此法只適用于籠型電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榛\型轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)是感應(yīng)產(chǎn)生的，雖定子磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)改變而自動(dòng)改變，使兩磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)保持一致，從而形成有效的平均電磁轉(zhuǎn)矩。

交流電機(jī)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)的極對(duì)數(shù)，取決于繞組中電流的方向，因此改變繞組接線使繞組內(nèi)電流方向改變，就能夠改變極對(duì)數(shù)p。常用的單繞組變極電機(jī)，其定子上只裝一套三相繞組，就是利用改變繞組連接方式，來(lái)達(dá)到改變極對(duì)數(shù)p的目的。如圖3—39（b）所示的繞組連接方式，可獲得圖3—39（a）圖所示的p=4的極對(duì)數(shù)；若改變成圖3—40（b）所示的連接方式，使半數(shù)繞組中的電流方向改變，則得到圖3—40（a）圖所示的p=2的極對(duì)數(shù)。

圖3—39   2p=4的繞組和極數(shù)                    圖3—40  2p=2的繞組和極數(shù)

單繞組變極，可以使定子繞組磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)成倍數(shù)關(guān)系改變，從而獲得倍極比（如2/4極，4/8極）的雙速電機(jī)，也可以獲得非倍極比（如4/6極，6/8極）的雙速電機(jī)，還可以獲得極數(shù)比為2/4/8和4/6/8的三速電機(jī)。

二、 變頻調(diào)速

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f₁成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的惡化，其原因可分析如下：

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子漏阻抗壓降很小，可以認(rèn)為U₁≈E₁=4.44f₁N₁k_w1。

若端電壓U₁不變，則當(dāng)頻率f₁減小時(shí)，主磁通將增加，這將導(dǎo)致磁路過(guò)分飽和，勵(lì)磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增大；而當(dāng)f₁增大時(shí)，將減小，電磁轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩下降，過(guò)載能力降低，電動(dòng)機(jī)的容量也得不到充分利用。因此，為了使電動(dòng)機(jī)能保持較好的運(yùn)行性能，要求在調(diào)節(jié)f₁的同時(shí)，改變定子電壓U₁，以維持不變，或者保持電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力不變。U₁隨f₁按什么樣的規(guī)律變化最為合適呢？一般認(rèn)為，在任何類型負(fù)載下變頻調(diào)速時(shí)，若能保持電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力不變，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能較為理想。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，將促進(jìn)變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。額定頻率時(shí)稱為基頻，則調(diào)頻時(shí)可以從基頻向下調(diào)，也可從基頻向上調(diào)。

（一）從基頻向下調(diào)的變頻調(diào)速，保持U₁/f₁=恒值，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

如果頻率下調(diào)，而端電壓U₁為額定值，則隨著f₁下降，氣隙每極磁通增加，使電動(dòng)機(jī)磁路進(jìn)入飽和狀態(tài)。過(guò)飽和時(shí)，會(huì)使激磁電流迅速增大，使電機(jī)運(yùn)行性能變差。因此，變頻調(diào)速應(yīng)設(shè)法保證不變。若保持U₁/f₁=恒值，電動(dòng)機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩T_m在基頻附近可視為恒值，在頻率更低時(shí)，隨著頻率f₁下調(diào)，最大轉(zhuǎn)矩T_m將變小。其機(jī)械特性如圖3—41（a）所示，可見它是一種近似于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的類型。

（二）從基頻向上調(diào)的變頻調(diào)速

電動(dòng)機(jī)端電壓是不允許升高的，因此升高頻率f₁向上調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，其端電壓仍應(yīng)保持不變。這樣，f₁增加，則磁通降低，屬減弱磁場(chǎng)調(diào)速類型，此時(shí)電動(dòng)機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩T_m及其臨界轉(zhuǎn)差率s_m與頻率f₁的關(guān)系，可近似表示為：

其機(jī)械特性如圖3—41（b）所示，其運(yùn)行段近似是平行的，這種調(diào)速方式，可近似認(rèn)為是恒功率調(diào)速類型。

圖3—41  變頻調(diào)速機(jī)械特性

把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可以得到圖3—42所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性，圖中曲線1為不帶定子電壓補(bǔ)償時(shí)的控制特性，曲線2為帶電壓補(bǔ)償時(shí)的控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升允許條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化而變化，即在基頻以下屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而在基頻以上屬于恒功率調(diào)速；如果f₁是連續(xù)可調(diào)的，則變頻調(diào)速是無(wú)級(jí)調(diào)速。

圖3—42    異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性

1—不帶定子電壓補(bǔ)償；2—帶定子電壓補(bǔ)償

（三）變頻裝置簡(jiǎn)介

要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，必須有能夠同時(shí)改變電壓和頻率的供電電源?，F(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻的，所以必須通過(guò)變頻裝置才能獲得變壓變頻電源。變頻裝置可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻裝置先將工頻交流電通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變成為可控頻率的交流，通常稱為交—直—交變頻裝置。直接變頻裝置則將工頻交流一次變換成可控頻率的交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)，也稱為交—交變頻裝置。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻裝置。

1、間接變頻裝置（交—直—交變頻裝置）

圖3—43繪出了間接變頻裝置的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)。按照不同的控制方式，它有可分為圖3—44中的(a)、（b）、（c）三種。

圖3—43  間接變頻裝置（交—直—交變頻裝置）

圖3—44 (a)是可控整流器變壓，用逆變器變頻的交—直—交變頻裝置。調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，當(dāng)電壓和頻率調(diào)得較低時(shí)，電網(wǎng)端的功率因數(shù)較低；輸出環(huán)節(jié)多用晶閘管組成的三相六拍逆變器（每周換流六次），輸出的諧波較大。這是此類變頻裝置的主要缺點(diǎn)。

圖3—44（b）是用不控整流器整流、斬波器變壓、逆變器變頻的交—直—交變頻裝置。整流器采用二級(jí)管不控整流器，增設(shè)斬波器進(jìn)行脈寬調(diào)壓。這樣雖然多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但輸入功率因數(shù)高，克服了圖3—44 (a)的第一個(gè)缺點(diǎn)。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍有諧波較大的問(wèn)題。

圖3—44 (c)是用不控整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時(shí)變壓變頻的交—直—交變頻裝置。用不控整流，則輸入端功率因數(shù)高；用PWM逆變，則諧波可以減少。這樣可以克服圖3—44 (a)裝置的兩個(gè)缺點(diǎn)

圖3—44   間接變頻裝置的各種結(jié)構(gòu)型式

2、 直接變頻裝置（交—交變頻裝置）

直接變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖3—45所示，它只用一個(gè)變換環(huán)節(jié)就可以把恒壓恒頻的交流電源變換成變壓變頻電源。這種變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路（圖3—46）。正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓u₀。u₀的幅值決定于各組整流裝置的控制角，u₀的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。當(dāng)整流器的控制角和這兩組整流裝置的切換頻率不斷變化時(shí)，即可得到變壓變頻的交流電源。

        

圖3—45  直接（交—交）變頻裝置             圖3—46  交—交變頻裝置一相電路

三、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法有：改變電源電壓，改變轉(zhuǎn)子回路電阻，電磁轉(zhuǎn)差離合器等。

（一）改變電壓U₁調(diào)速

當(dāng)改變外加電壓時(shí)，由于T_m∝，所以最大轉(zhuǎn)矩隨外加電壓而改變，對(duì)應(yīng)不同的機(jī)械特性如圖3—26所示。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T₂不變，電壓由U₁下降至時(shí)，轉(zhuǎn)速將由n降為n´（轉(zhuǎn)差率由s上升至s´）。所以通過(guò)改變電壓U₁可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種調(diào)速方法，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)，能調(diào)節(jié)速度的范圍不大；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻大時(shí)，可以有較大的調(diào)節(jié)范圍，但又增大了損耗。

（二）改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速

如圖3—28所示，改變繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路（在轉(zhuǎn)子電路中接入一變阻器），電阻越大，曲線越偏向下方。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T₂下，電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。這種調(diào)速方法損耗較大，調(diào)整范圍有限，主要應(yīng)用于小型電動(dòng)機(jī)調(diào)速中（例如起重機(jī)的提升設(shè)備）。

（三）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)節(jié)

電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械之間一般都是用機(jī)械聯(lián)結(jié)起來(lái)。前面講述的調(diào)速方法都是調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)速，顯然調(diào)速比較麻煩。能否不去調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而在聯(lián)軸器上想辦法呢？電磁轉(zhuǎn)差離合器就是一種利用電磁方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的聯(lián)軸器。

電磁離合器是由電樞和感應(yīng)子（勵(lì)磁線圈與磁場(chǎng)）兩基本部分所組成，這兩部分沒有機(jī)械的連接，都能自由地圍繞同一軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，彼此間的圓周氣隙為0.5mm。

一般情況下，電樞與異步電動(dòng)機(jī)硬軸聯(lián)接，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)它旋轉(zhuǎn)，稱為主動(dòng)部分，其轉(zhuǎn)速由異步電動(dòng)機(jī)決定，是不可調(diào)的；感應(yīng)子則通過(guò)聯(lián)軸器與生產(chǎn)機(jī)械固定聯(lián)結(jié)，稱為從動(dòng)部件。

當(dāng)感應(yīng)子上的勵(lì)磁線圈沒有電流通過(guò)時(shí)，由于主動(dòng)與從動(dòng)之間無(wú)任何的聯(lián)系，顯然主動(dòng)軸以轉(zhuǎn)速n₁旋轉(zhuǎn)，但從動(dòng)軸卻不動(dòng)，相當(dāng)于離合器脫開。當(dāng)通入勵(lì)磁電流以后，建立了磁場(chǎng)，形成如圖3—47所示的磁極，使得電樞與感應(yīng)子之間有了電磁聯(lián)系，當(dāng)二者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便在電樞鐵心中產(chǎn)生渦流，電流方向由右手定則確定。根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力作用原理，電樞受力作用方向由左手定則確定。但由于電樞已由異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)作用與反作用力大小相等方向相反的原理，該電磁力形成的轉(zhuǎn)矩T要迫使感應(yīng)子連同負(fù)載沿著電樞同方向旋轉(zhuǎn)，將異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳給生產(chǎn)機(jī)械（負(fù)載）。       

圖3—47   電樞和磁極作用原理圖

由上述電磁離合器工作原理可知，感應(yīng)子的轉(zhuǎn)速要小于電樞轉(zhuǎn)速，即n₂<n₁，這一點(diǎn)完全與異步電機(jī)的工作原理相同，故稱這種電磁離合器為電磁轉(zhuǎn)差離合器。由于電磁轉(zhuǎn)差離合器本身不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與功率，只能與異步電動(dòng)機(jī)配合使用，起著傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，通常異步電動(dòng)機(jī)和電磁轉(zhuǎn)差離合器裝為一體，故又統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)或電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。

圖3—48所示是電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖，主要包括異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器、直流電源、負(fù)載等。

電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，維護(hù)方面等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)控制勵(lì)磁電流的大小可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，所以廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重、冶金等生產(chǎn)機(jī)械上。

圖3—48   電磁轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速系統(tǒng)