淺析交流異步電動機與直流電動機調速系統

姜洪英

摘要：目前應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雜，生產成本高，維護困難。而交流異步電動機的應用雖然要比直流電動機的應用范圍廣泛，但其調速性能較直流電動機差，對于一些調速要求較高的設備，還是需要直流電動機來進行拖動。在應用中交流異步電動機使用的調速方法主要是變頻調速，直流電動機調速方式主要為降壓調速，本文主要將對以上兩種電動機的調速方法和優缺點進行簡要的論述。

關鍵詞：直流調速器；變頻器；PWM技術；矩陣式交-交變頻

旋轉電機是一種實現電能轉換的機電裝置，其在工作狀態下可以實現機械能與電能或電能與機械能的相互轉換。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。首先來談談交、直流電動機的性能及優缺點。

直流電動機的調速性能要好于交流電動機，其啟動轉矩較大，機械特性曲線要較交流電動機特性硬。因此在對電動機調速要求較高的生產機械上，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雜，生產成本較高，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。本次論述我只談談常用的交流異步電機及直流電動機的應用，特別是三相交流異步電動機。異步電動機具有結構簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉等一系列優點，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。對于調速要求不高的生產機械，如傳送帶、水泵等還是大規模的使用交流異步電動機進行驅動。在國民生產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速方式。

一、直流電動機的調速

直流電動機轉速計算公式如下：

上式中 與 為常數，因此對直流電動機的調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，而轉子串聯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動電機時很少使用弱磁調速和轉子串聯電阻的調速方式，而更多的使用降壓調速。直流電動機的降壓調速方式可以使直流電動機在額定電壓和額定轉速以下進行平滑的調速。

當對直流電動機進行降壓調速時，其對控制系統的電壓調節能力要求較高，需要一個較為穩定可調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換為直流電來驅動直流電動機工作。

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

二、交流電動機的調速

交流電動機轉速計算公式如下：

（一） 變極調速

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

（二）改變轉差率調速

改變轉差率調速方法有：改變電源電壓，改變轉子回路電阻，電磁轉差離合器等。

改變電壓調速：通過查詢異步電動機的機械特性曲線可以發現，當電壓在額定電壓以下調節時，電壓越低其對應的轉矩越小，調速范圍越窄。這種調速方法，當轉子電阻較小時，能調節速度的范圍不大；當轉子電阻大時，可以有較大的調節范圍，但又增大了損耗。

改變轉子電阻調速：改變繞線轉子異步電動機轉子電路（在轉子電路中接入一變阻器），電阻越大，曲線越偏向下方。在一定的負載轉矩下，電阻越大，轉速越低。這種調速方法損耗較大，調整范圍有限，主要應用于小型電動機調速中（例如起重機的提升設備）。

電磁轉差離合器調節：電磁離合器是由電樞和感應子（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動，彼此間的圓周氣隙為0.5mm。電磁調速異步電動機具有結構簡單，可靠性好，維護方面等優點，而且通過控制勵磁電流的大小可實現無級平滑調速，所以廣泛應用于機床、起重、冶金等生產機械上。

（三） 變頻調速

變頻調速就是改變驅動電源的頻率以實現改變異步電動機轉速的方法，根據異步電動機機械特性曲線可以看到，變頻調速可以使異步電動機的轉速實現無極平滑調速，且機械特性較硬，但是異步電動機的轉矩是電機的磁通與轉子內流過電流之間相互作用而產生的，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象的產生。

變頻調速器是把工頻交流電變換成各種頻率的交流電能，以實現電機的變速運行的設備，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動交流異步電動機進行旋轉。

總述：通過比較交流異步電機的變頻調速和直流電機的調壓調速我們發現，兩者在調速控制方面直流電機的調速方式更為簡單，通過交-直調壓的方式就可以實現對直流電動機的轉速的調節。而交流異步電動機的調速方式為交-直-交變頻調速，變頻的同時還需要兼顧頻率與電壓的關系，因此，變頻調速的控制系統要更加的復雜，且效率要低于直流電動機的調壓控制系統。

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

隨著科技的進步，半導體器件發展越來越集成化，小型化，基于電力電子器件的調速設備也將發展出更多的形態和調速方法，而超導材料的誕生也將使得電動機的質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速方式將更加的多元化，特別是交流異步電動機的調速能力將越來越接近甚至是超越直流電動機，應用在更多的工業領域。

參考文獻：

[1]《電機拖動》 北京大學出版社。