不同调速方式的工作原理解析

1.异步电动机的变极调速

变极调速技术是通过采用变极多速异步电动机实现调速的。这种多速电动机大都为笼型异步电动机，其结构与基本系列异步电动机相似，现国内生产的有双、三、四速等几类。

变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。在供电频率f=50Hz的电网，p=1、2、3、4时，相应的同步转速n₀=3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。

改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（见图7-4），图7-4a中的p=2，图7-4b和图7-4c中的p=1。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。

图7-4 定子绕组改变极对数示意图

a）p=2　b）p=1 c）p=1

多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制电路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。它适合于按2～4档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。

2.电磁调速

电磁调速技术是通过电磁调速电动机实现调速的技术。电磁调速电动机（又称滑差电动机）由三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电动组成，三相异步电动机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。

电磁离合器调速是由笼型异步电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电动机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统，主要由笼型异步电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源3个部分组成（见图7-5）。

直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。

图7-5 电磁调速示意图

离合器的主动部分为电枢，从动部分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁心和励磁绕组构成，绕组与部分铁心固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过集电环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。

磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载起动，对需要重载起动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载滤；缺点是高速区调速特性软，不能全速运行，低速区调速效率比较低。它适用于调速范围适中的中小容量电动机。

3.串接调速

串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统；另一种是电动机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步电动机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电动机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步电动机转速，直流电动机与异步电动机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步电动机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电动机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系统复杂化，应用不多。

电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。

串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大，调速范围窄，功率因数也比较低，与转子串电阻相比，主要是它的效率优势。(www.xing528.com)

4.定子调压调速

定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电动机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的二次方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。供电电源的电压是固定的，它用调压器来获得可调压的交流电源。传统的调压器有饱和电抗器式调压器、自耦变压器式调压器和感应式调压器，主要用于笼型感应电动机的减压起动，以减小起动电流。晶闸管是交流调压调速的主要形式，它利用改变定子侧三相反并联晶闸管的移相角来调节转速，可以做到无级调速。

调压调速的主要优点是控制设备比较简单，可无级调速，初始投资低，使用维护比较方便，可以兼作笼型异步电动机的降压起动设备。缺点是调速效率比较低，低速运行调速效率更低；调速范围窄，只有对风机和泵类工作机械调速可以获得较宽的调速范围并减少转差损耗；调速特性比较软，调速精度差；对电网干扰也大。调压调速适用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步电动机。

5.转子串电阻调速

转子串电阻调速是通过改变绕线型感应电动机转子串接附加外接电阻从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速的（见图7-6）。

为减少电刷的磨损，中等容量以上的绕线转子异步电动机还设有电刷装置，当电动机起动时接入外接电阻以减小起动电流，不需要调速时移动手柄可提起电刷与集电环脱离接触，同时使3个集电环彼此短接起来。

串电阻调速的优点是技术成熟，控制方法简单，维护方便，初始投资低，对电网无干扰。缺点是转差损耗大，调速效率低；调速特性软，动态响应速度慢；外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。串电阻调速适合于调速范围不太大和调速特性要求不高的场合。

图7-6 串电阻调速 转子电路示意图

6.变频调速

变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率来实现无级调速的，其原理如图7-7所示，电动机采用变频调速以后，电动机转轴直接与负载连接，电动机由变频器供电。

变频调速的关键设备就是变频器，变频器是一种将交流电源整流成直流后再逆变成频率、电压可变的变流电源的专用装置，主要由功率模块、超大规模专用单片机等构成。变频器能够根据转速反馈信号调节电动机供电电源的频率，从而可以实现相当宽频率范围内的无级调速。

图7-7 变频调速原理图

7.调速方式总汇

根据实际应用效果，交流电动机的各种调速方式的一般性能和特点汇总于表7-1中。

表7-1 调速方式的一般特性和特点