在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對(duì)數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。

　　從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來(lái)看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級(jí)調(diào)速等）。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。

　　交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本原理和調(diào)速方式

　　根據(jù)前述的知識(shí)，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，有：

　　其中，——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速

　　——定子繞組交流電源頻率

　　——三相異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)

　　——三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

　　——轉(zhuǎn)差率

　　由以上兩式消去，可以得到：

　　……………………………………………………………………（式7-5-1）

　　根據(jù)上式，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有三個(gè)途徑，即：①改變定子繞組極對(duì)數(shù)；②改變轉(zhuǎn)差率；③改變電源頻率。對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)差率，它只具有兩種調(diào)速方式。實(shí)際應(yīng)用的交流調(diào)速方式有多種，以下對(duì)幾種常用的方法簡(jiǎn)單介紹：

　　變極調(diào)速

　　這種調(diào)速方式只使用于專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的多級(jí)多速異步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)繞組的不同組合連接方式，可以獲得二、三、四極3種速度，這種調(diào)速方式速度變化是有級(jí)的，只適用于一些特殊應(yīng)用的場(chǎng)合，只能達(dá)到大范圍粗調(diào)的目的。本課程第三章的學(xué)習(xí)單元八所介紹的正是雙速電動(dòng)機(jī)的變速控制，其它類(lèi)似多級(jí)多速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制線路與之類(lèi)似。

　　轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

　　這種調(diào)速方式只適用于繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，它是通過(guò)改變串聯(lián)于轉(zhuǎn)子電路中的電阻阻值的方式，來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。由于外部串聯(lián)電阻的阻值可以多級(jí)改變，故可實(shí)現(xiàn)多種速度的調(diào)速（原理上，也可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速）。但由于串聯(lián)電阻消耗功率，效率較低，同時(shí)這種調(diào)速方式機(jī)械特性較軟，只適用于調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。

　　串級(jí)調(diào)速

　　這種調(diào)速方式只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，它是通過(guò)一定的電子設(shè)備將轉(zhuǎn)差功率反饋到電網(wǎng)中加以利用的方法。在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。

　　調(diào)壓調(diào)速

　　圖1 調(diào)壓調(diào)速示意圖

　　如圖1是將晶閘管反并聯(lián)連接，構(gòu)成交流調(diào)速電路，通過(guò)調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，改變異步電動(dòng)機(jī)的端電壓進(jìn)行調(diào)速。這種方式也改變轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子回路中，效率較低，較適用于特殊轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)（例如深槽電動(dòng)機(jī)等高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)）中。通常，這種調(diào)速方法應(yīng)構(gòu)成轉(zhuǎn)速或電壓閉環(huán)，才能實(shí)際應(yīng)用。

　　電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)

　　這種系統(tǒng)是在異步電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間通過(guò)電磁耦合傳遞機(jī)械功率，調(diào)節(jié)電磁耦合器的勵(lì)磁，可調(diào)整轉(zhuǎn)差率的大小，從而達(dá)到調(diào)速的目的。該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，適用于簡(jiǎn)單的調(diào)整系統(tǒng)中。但它的轉(zhuǎn)差功率消耗在耦合器上，效率低。

　　變頻調(diào)速

?

　　改變供電頻率，可使異步電動(dòng)機(jī)獲得不同的同步轉(zhuǎn)速。采用變頻機(jī)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的靜止變頻器電源。目前這類(lèi)調(diào)速方法已成為交流調(diào)速發(fā)展的主流。

　　詳解異步電動(dòng)機(jī)幾種調(diào)速方法解析

　　調(diào)速方法

　　從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

　　n=n1（1-S）=60（f1/P）（1-S）

　　可見(jiàn)，要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可從下列三個(gè)方面著手：

　　1.改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)P，以改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1，即所謂變極調(diào)速（不能均勻調(diào)速）。

　　2.改變電動(dòng)機(jī)所接電源的頻率以改變n1，即所謂變頻調(diào)速；

　　3.改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S。

　　其中，改變轉(zhuǎn)差率S有很多種方法。當(dāng)負(fù)載的總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，與它平衡的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著不變，于是，從電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式（略）可見(jiàn)，當(dāng)頻率f1和極對(duì)數(shù)P不變時(shí)，轉(zhuǎn)差率S是定子端電壓、定子電阻、漏抗等物理量的函數(shù)，因此，改變轉(zhuǎn)差率S的方法有下列幾種：

　?。?）改變加與定子的端電壓，為此需用調(diào)壓器調(diào)壓；

　?。?）改變定子電阻或漏抗，為此須在定子串聯(lián)外加電阻或電抗器；

　　（3）改變轉(zhuǎn)子電阻，為此采用繞線式電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路串入外加電阻；

　?。?）改變轉(zhuǎn)子電抗，為此須在轉(zhuǎn)子回路串入電抗或電容器。

　?。?）在轉(zhuǎn)子回路中引入一個(gè)轉(zhuǎn)差率f2=Sf1的外加電勢(shì)，為此須利用另一臺(tái)電機(jī)來(lái)供給所需的外加電勢(shì)，該電機(jī)可與原來(lái)電動(dòng)機(jī)共軸，或不共軸，這樣將幾臺(tái)電機(jī)在電方面串聯(lián)在一起以達(dá)到調(diào)速目的，稱(chēng)為串級(jí)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速可用一種可控硅調(diào)速來(lái)代替。其基本原理為：先將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的轉(zhuǎn)差頻率交流電流用半導(dǎo)體整流器整流為直流，再經(jīng)過(guò)可控硅逆變器把直流變?yōu)榻涣鳎突氐浇涣麟娋W(wǎng)中去。這時(shí)逆變器的電壓便相當(dāng)于加到轉(zhuǎn)子回路中的電勢(shì)，控制逆變器的逆變角，可改變逆變器的電壓，也即改變加于轉(zhuǎn)子回路中的電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

　　從上分析，可見(jiàn)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，下面介紹主要的三種，即變極調(diào)速、變頻調(diào)速和改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速。

　　變極調(diào)速

　　由于一般異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率S都很小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n= n1（1-S）決定于同步轉(zhuǎn)速n1。從n1=60f1/P可見(jiàn)，在電源頻率f1不變的情況下，改變定子繞組的極對(duì)數(shù)P，同步轉(zhuǎn)速n1就發(fā)生變化，例如極對(duì)數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速就下降一半，隨之電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也約下降一半。顯然，這種調(diào)速方法只能做到一級(jí)一級(jí)地改變轉(zhuǎn)速，而不是平滑調(diào)速。

　　變極電動(dòng)機(jī)一般都用鼠籠式轉(zhuǎn)子，因?yàn)槭蠡\轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)能自動(dòng)地隨著定子極對(duì)數(shù)的改變而改變，使定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。若為繞線式轉(zhuǎn)子，則定子極對(duì)數(shù)改變時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組必須相應(yīng)地改變接法以得到與定子相同的極對(duì)數(shù)，很不方便。

　　要使定子具有兩種極對(duì)數(shù)，容易得到的辦法是用兩套極對(duì)數(shù)不同的定子繞組，每次用其中一套，即所謂雙繞組變極，顯然，這是一個(gè)很不經(jīng)濟(jì)的辦法，只在特殊情況下才采用。理想的辦法是：只裝一套定子繞組而用改變繞組接法來(lái)獲得兩種或多種極對(duì)數(shù)，即所謂單繞組變極。對(duì)于倍極比情況（如2/4極、4/8極等），單繞組變極早已為人們所采用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非倍極比（如4/6極、6/8極等）以及三速（如4/6/8等）采用單繞組變極也得到廣泛應(yīng)用。

　　變頻調(diào)速

　　當(dāng)電源的頻率f1改變時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1=60f1/P與頻率成正比變化，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之改變，所以改變電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　變頻調(diào)速按控制方式不同，可分為U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。

　?。?） U/f控制。U/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的。通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。U/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且在低頻時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，才能改善低頻轉(zhuǎn)矩特性。

　?。?） 轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在U/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，以對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此是一種閉環(huán)控制方式。該方式可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。

　　（3）矢量控制。矢量控制是通過(guò)矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d、q、O坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過(guò)控制各矢量的作用順序、時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的，例如形成開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開(kāi)關(guān)損耗。目前，在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于專(zhuān)差頻率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式兩種。

　　基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制。使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過(guò)渡過(guò)程中的波動(dòng)。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)方式，需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，因此應(yīng)用范圍受到限制。

　　無(wú)速度傳感器矢量控制是通過(guò)坐標(biāo)變換處理，分別對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專(zhuān)門(mén)的處理器來(lái)進(jìn)行計(jì)算。因此，該方式實(shí)時(shí)性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。

　　（4）直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)檢測(cè)定子電阻來(lái)達(dá)到觀測(cè)定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開(kāi)環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于一臺(tái)變頻器向多臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電的多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能。

　　變頻調(diào)速用于風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)機(jī)械的節(jié)能效果明顯。

　　以上各類(lèi)控制適用于變頻調(diào)速專(zhuān)用電機(jī)。變頻電機(jī)由傳統(tǒng)的鼠籠式電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來(lái)，把傳統(tǒng)的電機(jī)風(fēng)機(jī)改為獨(dú)立出來(lái)的風(fēng)機(jī)，并且提高了電機(jī)繞組的絕緣性能。

　　轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

　　在轉(zhuǎn)子回路串一變阻器調(diào)速只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。調(diào)速時(shí)的接線圖和起動(dòng)時(shí)的一樣，所不同的是：一般起動(dòng)變阻器都是短時(shí)工作的，而調(diào)速用的變阻器應(yīng)為長(zhǎng)期工作的。

　　調(diào)速時(shí)的物理過(guò)程和直流電動(dòng)機(jī)在電樞回路中串電阻調(diào)速一樣。在變阻器的電阻增加最初瞬間，電動(dòng)機(jī)的的轉(zhuǎn)速還來(lái)不及改變，因此轉(zhuǎn)子電流減小，相應(yīng)地電磁轉(zhuǎn)矩也減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，而轉(zhuǎn)子的電勢(shì)開(kāi)始增加，隨之轉(zhuǎn)子電流又回頭增加。這個(gè)過(guò)程一直進(jìn)行到轉(zhuǎn)子電流增加到與其對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩和總負(fù)載轉(zhuǎn)矩互相平衡為止，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)較低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子回路串入調(diào)速電阻時(shí)，若電動(dòng)機(jī)總負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，電動(dòng)機(jī)從一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)到另一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)差率從S1增加到S2，轉(zhuǎn)速則從n1（1-S1）降到n1（1-S2）。增加調(diào)速電阻，轉(zhuǎn)速便越下降。

　　從轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速曲線圖（略）可見(jiàn)在一定的調(diào)速電阻變化范圍內(nèi)，調(diào)速范圍的大小隨負(fù)載的輕重而變化；在空載下調(diào)速，則調(diào)速范圍甚小，實(shí)際上達(dá)不到調(diào)速的目的。

　　此外，在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，從電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式（略）可知，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差率s將隨轉(zhuǎn)子回路總電阻成正比例變化，總電阻增加一倍，則轉(zhuǎn)差率也增加一倍，于是根據(jù)等效電路可見(jiàn)：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，定、轉(zhuǎn)子電流、輸入功率、氣隙磁場(chǎng)和電磁功率皆不變，而與轉(zhuǎn)子回路串入電阻的大小無(wú)關(guān)。于是，如果把轉(zhuǎn)速調(diào)得愈低，即轉(zhuǎn)差率愈大，就需要在轉(zhuǎn)子回路串入愈大的電阻，隨之轉(zhuǎn)子銅耗就愈大，電動(dòng)機(jī)效率就愈低。可見(jiàn)這種調(diào)速方法很不經(jīng)濟(jì)，降低轉(zhuǎn)速所減少的輸出功率全部消耗于調(diào)速電阻的銅耗上。另一缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子加電阻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，即負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速將發(fā)生顯著變化。

　　由此可見(jiàn)在轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速存在很多缺點(diǎn)，但由于比較簡(jiǎn)單，又可平滑調(diào)速，在中小容量的繞線式電動(dòng)機(jī)還是用得不少，例如交流電源的橋式起重機(jī)幾乎都用到這種方法調(diào)速。