淺析交流異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

姜洪英

摘要：目前應(yīng)用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)困難。而交流異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用雖然要比直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍廣泛，但其調(diào)速性能較直流電動(dòng)機(jī)差，對(duì)于一些調(diào)速要求較高的設(shè)備，還是需要直流電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行拖動(dòng)。在應(yīng)用中交流異步電動(dòng)機(jī)使用的調(diào)速方法主要是變頻調(diào)速，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式主要為降壓調(diào)速，本文主要將對(duì)以上兩種電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)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(jī)是一種實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的機(jī)電裝置，其在工作狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能或電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。電流可以分為交流電或者直流電，電機(jī)一樣分為交流電機(jī)和直流電機(jī)兩個(gè)大類。首先來談?wù)劷?、直流電?dòng)機(jī)的性能及優(yōu)缺點(diǎn)。

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能要好于交流電動(dòng)機(jī)，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，機(jī)械特性曲線要較交流電動(dòng)機(jī)特性硬。因此在對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上，大部分使用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。但是直流電動(dòng)機(jī)的制造工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，維護(hù)較困難，實(shí)際使用中可靠性較差。

交流電機(jī)又分為交流異步電機(jī)和交流同步電機(jī)。本次論述我只談?wù)劤Ｓ玫慕涣鳟惒诫姍C(jī)及直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，特別是三相交流異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是和同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的重量約為直流電動(dòng)機(jī)的一半，而其價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。對(duì)于調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機(jī)械，如傳送帶、水泵等還是大規(guī)模的使用交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在國(guó)民生產(chǎn)中三相異步電動(dòng)機(jī)的使用十分廣泛。

下面來分別論述直流電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式。

一、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

上式中 與 為常數(shù)，因此對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速主要通過改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓、繞組電阻和磁場(chǎng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，而轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻以及弱磁將使直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，一般情況下在使用直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)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(dòng)機(jī)的降壓調(diào)速方式可以使直流電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行平滑的調(diào)速。

當(dāng)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行降壓調(diào)速時(shí)，其對(duì)控制系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)能力要求較高，需要一個(gè)較為穩(wěn)定可調(diào)的直流電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電。而實(shí)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(dòng)直流電動(dòng)機(jī)工作。

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)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(jī)速度。利用脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制的全稱為：Pulse WidthModulator、簡(jiǎn)稱PWM。）方式進(jìn)行調(diào)速，它的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，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(shí)得到幾乎滿電源電壓、這樣有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力矩。

二、交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)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(chǎng)磁極對(duì)數(shù)將使異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在理想狀態(tài)下運(yùn)行且電源為工頻時(shí)（既轉(zhuǎn)差率s=0，頻率 =50Hz），如果磁極對(duì)數(shù)P=1時(shí)，其計(jì)算結(jié)果為n=3000r/min；當(dāng)P=2時(shí)，計(jì)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(dòng)機(jī)的機(jī)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(shí)，電壓越低其對(duì)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(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。

改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速：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）。

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(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。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)，而且通過控制勵(lì)磁電流的大小可實(shí)現(xiàn)無級(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。

（三） 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速就是改變驅(qū)動(dòng)電源的頻率以實(shí)現(xiàn)改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線可以看到，變頻調(diào)速可以使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)無極平滑調(diào)速，且機(jī)械特性較硬，但是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)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(shí)將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)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(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電來驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

總述：通過比較交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速和直流電機(jī)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(jī)的調(diào)速方式更為簡(jiǎn)單，通過交-直調(diào)壓的方式就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。而交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式為交-直-交變頻調(diào)速，變頻的同時(shí)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(dòng)機(jī)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(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用。

隨著科技的進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式將更加的多元化，特別是交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速能力將越來越接近甚至是超越直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用在更多的工業(yè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電機(jī)拖動(dòng)》 北京大學(xué)出版社。