姜洪英

摘要：目前應(yīng)用最為廣泛的電動機主要有直流電動機和交流異步電動機，直流電動機的制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護困難。而交流異步電動機的應(yīng)用雖然要比直流電動機的應(yīng)用范圍廣泛，但其調(diào)速性能較直流電動機差，對于一些調(diào)速要求較高的設(shè)備，還是需要直流電動機來進行拖動。在應(yīng)用中交流異步電動機使用的調(diào)速方法主要是變頻調(diào)速，直流電動機調(diào)速方式主要為降壓調(diào)速，本文主要將對以上兩種電動機的調(diào)速方法和優(yōu)缺點進行簡要的論述。

關(guān)鍵詞：直流調(diào)速器；變頻器；PWM技術(shù)；矩陣式交-交變頻

旋轉(zhuǎn)電機是一種實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的機電裝置，其在工作狀態(tài)下可以實現(xiàn)機械能與電能或電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。電流可以分為交流電或者直流電，電機一樣分為交流電機和直流電機兩個大類。首先來談?wù)劷?、直流電動機的性能及優(yōu)缺點。

直流電動機的調(diào)速性能要好于交流電動機，其啟動轉(zhuǎn)矩較大，機械特性曲線要較交流電動機特性硬。因此在對電動機調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上，大部分使用直流電動機進行拖動。但是直流電動機的制造工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，維護較困難，實際使用中可靠性較差。

交流電機又分為交流異步電機和交流同步電機。本次論述我只談?wù)劤Ｓ玫慕涣鳟惒诫姍C及直流電動機的應(yīng)用，特別是三相交流異步電動機。異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉等一系列優(yōu)點，特別是和同容量的直流電動機相比，異步電動機的重量約為直流電動機的一半，而其價格僅為直流電動機的1/3。對于調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機械，如傳送帶、水泵等還是大規(guī)模的使用交流異步電動機進行驅(qū)動。在國民生產(chǎn)中三相異步電動機的使用十分廣泛。

下面來分別論述直流電動機和交流異步電動機的調(diào)速方式。

一、直流電動機的調(diào)速

直流電動機轉(zhuǎn)速計算公式如下：

上式中 與 為常數(shù)，因此對直流電動機的調(diào)速主要通過改變電動機的輸入電壓、繞組電阻和磁場強度來實現(xiàn)，而轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻以及弱磁將使直流電動機的機械特性變軟，一般情況下在使用直流電動機作為驅(qū)動電機時很少使用弱磁調(diào)速和轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的調(diào)速方式，而更多的使用降壓調(diào)速。直流電動機的降壓調(diào)速方式可以使直流電動機在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速以下進行平滑的調(diào)速。

當(dāng)對直流電動機進行降壓調(diào)速時，其對控制系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)能力要求較高，需要一個較為穩(wěn)定可調(diào)的直流電壓對電動機進行供電。而實際使用中工頻交流電是我們最容易獲得也是最廣泛使用的電力來源，因此需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來驅(qū)動直流電動機工作。

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動機速度的設(shè)備，直流調(diào)速器的工作原理是通過改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率從0-100%變化、從而改變電機速度。利用脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制的全稱為：Pulse WidthModulator、簡稱PWM。）方式進行調(diào)速，它的優(yōu)點是電源的能量能得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50%的方波時，脈寬調(diào)制（PWM）電路輸出能量功率也為50%，即幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)換給負(fù)載。另外采用脈寬調(diào)制（PWM）方式、可以使負(fù)載在工作時得到幾乎滿電源電壓、這樣有利于克服電機內(nèi)在的線圈電阻而使電機產(chǎn)生更大的力矩。

二、交流電動機的調(diào)速

交流電動機轉(zhuǎn)速計算公式如下：

（一） 變極調(diào)速

在電源頻率恒定條件下，改變磁場磁極對數(shù)將使異步電動機的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以下發(fā)生改變，但是我們根據(jù)公式很容易發(fā)現(xiàn)：假設(shè)異步電動機在理想狀態(tài)下運行且電源為工頻時（既轉(zhuǎn)差率s=0，頻率 =50Hz），如果磁極對數(shù)P=1時，其計算結(jié)果為n=3000r/min；當(dāng)P=2時，計算結(jié)果為n=1500r/min……因此變極調(diào)速為有極調(diào)速方式。

（二）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。

改變電壓調(diào)速：通過查詢異步電動機的機械特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓在額定電壓以下調(diào)節(jié)時，電壓越低其對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩越小，調(diào)速范圍越窄。這種調(diào)速方法，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時，能調(diào)節(jié)速度的范圍不大；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻大時，可以有較大的調(diào)節(jié)范圍，但又增大了損耗。

改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速：改變繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(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)用于小型電動機調(diào)速中（例如起重機的提升設(shè)備）。

電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)節(jié)：電磁離合器是由電樞和感應(yīng)子（勵磁線圈與磁場）兩基本部分所組成，這兩部分沒有機械的連接，都能自由地圍繞同一軸心轉(zhuǎn)動，彼此間的圓周氣隙為0.5mm。電磁調(diào)速異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，維護方面等優(yōu)點，而且通過控制勵磁電流的大小可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，所以廣泛應(yīng)用于機床、起重、冶金等生產(chǎn)機械上。

（三） 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速就是改變驅(qū)動電源的頻率以實現(xiàn)改變異步電動機轉(zhuǎn)速的方法，根據(jù)異步電動機機械特性曲線可以看到，變頻調(diào)速可以使異步電動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無極平滑調(diào)速，且機械特性較硬，但是異步電動機的轉(zhuǎn)矩是電機的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時將燒毀電機。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。

變頻調(diào)速器是把工頻交流電變換成各種頻率的交流電能，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電來驅(qū)動交流異步電動機進行旋轉(zhuǎn)。

總述：通過比較交流異步電機的變頻調(diào)速和直流電機的調(diào)壓調(diào)速我們發(fā)現(xiàn)，兩者在調(diào)速控制方面直流電機的調(diào)速方式更為簡單，通過交-直調(diào)壓的方式就可以實現(xiàn)對直流電動機的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。而交流異步電動機的調(diào)速方式為交-直-交變頻調(diào)速，變頻的同時還需要兼顧頻率與電壓的關(guān)系，因此，變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)要更加的復(fù)雜，且效率要低于直流電動機的調(diào)壓控制系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM-VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。

隨著科技的進步，半導(dǎo)體器件發(fā)展越來越集成化，小型化，基于電力電子器件的調(diào)速設(shè)備也將發(fā)展出更多的形態(tài)和調(diào)速方法，而超導(dǎo)材料的誕生也將使得電動機的質(zhì)量變得越來越輕便化、小型化。因此筆者推想，未來直流電動機和交流異步電動機的調(diào)速方式將更加的多元化，特別是交流異步電動機的調(diào)速能力將越來越接近甚至是超越直流電動機，應(yīng)用在更多的工業(yè)領(lǐng)域。

參考文獻：

[1]《電機拖動》 北京大學(xué)出版社。