姜洪英

摘要：目前应用最为广泛的电动机主要有直流电动机和交流异步电动机，直流电动机的制造工艺复杂，生产成本高，维护困难。而交流异步电动机的应用虽然要比直流电动机的应用范围广泛，但其调速性能较直流电动机差，对于一些调速要求较高的设备，还是需要直流电动机来进行拖动。在应用中交流异步电动机使用的调速方法主要是变频调速，直流电动机调速方式主要为降压调速，本文主要将对以上两种电动机的调速方法和优缺点进行简要的论述。

关键词：直流调速器；变频器；PWM技术；矩阵式交-交变频

旋转电机是一种实现电能转换的机电装置，其在工作状态下可以实现机械能与电能或电能与机械能的相互转换。电流可以分为交流电或者直流电，电机一样分为交流电机和直流电机两个大类。首先来谈谈交、直流电动机的性能及优缺点。

直流电动机的调速性能要好于交流电动机，其启动转矩较大，机械特性曲线要较交流电动机特性硬。因此在对电动机调速要求较高的生产机械上，大部分使用直流电动机进行拖动。但是直流电动机的制造工艺较为复杂，生产成本较高，维护较困难，实际使用中可靠性较差。

交流电机又分为交流异步电机和交流同步电机。本次论述我只谈谈常用的交流异步电机及直流电动机的应用，特别是三相交流异步电动机。异步电动机具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等一系列优点，特别是和同容量的直流电动机相比，异步电动机的重量约为直流电动机的一半，而其价格仅为直流电动机的1/3。对于调速要求不高的生产机械，如传送带、水泵等还是大规模的使用交流异步电动机进行驱动。在国民生产中三相异步电动机的使用十分广泛。

下面来分别论述直流电动机和交流异步电动机的调速方式。

一、直流电动机的调速

直流电动机转速计算公式如下：

上式中 与 为常数，因此对直流电动机的调速主要通过改变电动机的输入电压、绕组电阻和磁场强度来实现，而转子串聯电阻以及弱磁将使直流电动机的机械特性变软，一般情况下在使用直流电动机作为驱动电机时很少使用弱磁调速和转子串联电阻的调速方式，而更多的使用降压调速。直流电动机的降压调速方式可以使直流电动机在额定电压和额定转速以下进行平滑的调速。

当对直流电动机进行降压调速时，其对控制系统的电压调节能力要求较高，需要一个较为稳定可调的直流电压对电动机进行供电。而实际使用中工频交流电是我们最容易获得也是最广泛使用的电力来源，因此需要将交流电转换为直流电来驱动直流电动机工作。

直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，直流调速器的工作原理是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化、从而改变电机速度。利用脉宽调制（脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator、简称PWM。）方式进行调速，它的优点是电源的能量能得到充分利用，电路的效率高。例如：当输出为50%的方波时，脉宽调制（PWM）电路输出能量功率也为50%，即几乎所有的能量都转换给负载。另外采用脉宽调制（PWM）方式、可以使负载在工作时得到几乎满电源电压、这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。

二、交流电动机的调速

交流电动机转速计算公式如下：

（一） 变极调速

在电源频率恒定条件下，改变磁场磁极对数将使异步电动机的转速在额定转速以下发生改变，但是我们根据公式很容易发现：假设异步电动机在理想状态下运行且电源为工频时（既转差率s=0，频率 =50Hz），如果磁极对数P=1时，其计算结果为n=3000r/min；当P=2时，计算结果为n=1500r/min……因此变极调速为有极调速方式。

（二）改变转差率调速

改变转差率调速方法有：改变电源电压，改变转子回路电阻，电磁转差离合器等。

改变电压调速：通过查询异步电动机的机械特性曲线可以发现，当电压在额定电压以下调节时，电压越低其对应的转矩越小，调速范围越窄。这种调速方法，当转子电阻较小时，能调节速度的范围不大；当转子电阻大时，可以有较大的调节范围，但又增大了损耗。

改变转子电阻调速：改变绕线转子异步电动机转子电路（在转子电路中接入一变阻器），电阻越大，曲线越偏向下方。在一定的负载转矩下，电阻越大，转速越低。这种调速方法损耗较大，调整范围有限，主要应用于小型电动机调速中（例如起重机的提升设备）。

电磁转差离合器调节：电磁离合器是由电枢和感应子（励磁线圈与磁场）两基本部分所组成，这两部分没有机械的连接，都能自由地围绕同一轴心转动，彼此间的圆周气隙为0.5mm。电磁调速异步电动机具有结构简单，可靠性好，维护方面等优点，而且通过控制励磁电流的大小可实现无级平滑调速，所以广泛应用于机床、起重、冶金等生产机械上。

（三） 变频调速

变频调速就是改变驱动电源的频率以实现改变异步电动机转速的方法，根据异步电动机机械特性曲线可以看到，变频调速可以使异步电动机的转速实现无极平滑调速，且机械特性较硬，但是异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

变频调速器是把工频交流电变换成各种频率的交流电能，以实现电机的变速运行的设备，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电来驱动交流异步电动机进行旋转。

总述：通过比较交流异步电机的变频调速和直流电机的调压调速我们发现，两者在调速控制方面直流电机的调速方式更为简单，通过交-直调压的方式就可以实现对直流电动机的转速的调节。而交流异步电动机的调速方式为交-直-交变频调速，变频的同时还需要兼顾频率与电压的关系，因此，变频调速的控制系统要更加的复杂，且效率要低于直流电动机的调压控制系统。

20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。

随着科技的进步，半导体器件发展越来越集成化，小型化，基于电力电子器件的调速设备也将发展出更多的形态和调速方法，而超导材料的诞生也将使得电动机的质量变得越来越轻便化、小型化。因此笔者推想，未来直流电动机和交流异步电动机的调速方式将更加的多元化，特别是交流异步电动机的调速能力将越来越接近甚至是超越直流电动机，应用在更多的工业领域。

参考文献：

[1]《电机拖动》 北京大学出版社。