電氣設備安裝基技能培訓：電動機調速技術
為適應生產的需要，滿足生產機械的要求，在生產過程中需要人為地改變電動機的轉速，稱為調速。
對可調速的傳動系統(tǒng)，按照傳動電動機的類型可分為兩大類：直流調速系統(tǒng)和交流調速系統(tǒng)。交流電動機具有結構簡單、價格低廉、維修簡便等優(yōu)點，但調速較為困難。近年來，隨著晶閘管變流器和各種控制元器件成本的降低，各種類型的交流調速系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)，交流調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性已可以和直流調速系統(tǒng)相媲美。但在一段較長時期內，在工業(yè)應用上占主導地位的仍是直流調速系統(tǒng)。盡管直流電動機與交流電動機相比，它的結構復雜、價格高、維修也較麻煩，但是由于它具有較大的起動轉矩和良好的起、制動性能，以及易于在較寬的范圍內實現(xiàn)平滑調速，所以直流調速系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然是自動調速系統(tǒng)的一種主要形式。
一、調速系統(tǒng)的質量指標
自動調速系統(tǒng)的質量指標是系統(tǒng)設計和實際運行中要滿足的指標，也是衡量系統(tǒng)性能好壞的準則。質量指標包括靜態(tài)指標、動態(tài)指標、經濟指標等。
(1)靜態(tài)指標是用來衡量調速系統(tǒng)靜態(tài)品質好壞的指標，代表了系統(tǒng)穩(wěn)定運行中的性能。靜態(tài)指標主要有調速范圍D、靜差率s、平滑系數和穩(wěn)態(tài)誤差等。
1)調速范圍：指電動機在額定負載下，其最高轉速和最低轉速之比。對于一般的調速系統(tǒng)總是希望調速范圍越大越好。
2)靜差率：指電動機在額定負載時，其轉速降與理想空載轉速之比的百分數。它用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化時轉速的穩(wěn)定性能。調速系統(tǒng)的機械特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度越高。
3)平滑系數：指兩個相近的轉速之比。對于連續(xù)可調的無級調速系統(tǒng)，調速的平滑系數為1。
4)穩(wěn)態(tài)誤差：指在穩(wěn)態(tài)條件下輸出量的期望值與穩(wěn)定值之間的誤差。它反映了系統(tǒng)的準確程度。
(2)動態(tài)指標代表了系統(tǒng)動態(tài)工作過程的性能。反映系統(tǒng)的跟隨性能指標一般有穩(wěn)定性、最大超調量、上升時間、調整時間和振蕩次數等。反應系統(tǒng)的抗干擾性能指標有動態(tài)降落和恢復時間。一個正常的調速系統(tǒng)必然是穩(wěn)定性好、超調量適中、調整時間短和振蕩次數少。
二、直流調速
1.直流調速系統(tǒng)的原理
由電動機的基礎知識可知，直流電動機的轉速公式為
n——電動機的轉速(r/min);
U--電動機端電壓(V);
Ia——電動機電樞電流(A);
∑R-—電樞回路總電阻(Ω);
φ——電動機的勵磁磁通(Wb);
Ce——電動機的電動勢常數；
n0——電動機的理想空載轉速(r/min);
△n——電動機的轉速降(r/min)。
由式(1-3)可以看出，直流電動機的調速方法主要有以下三種：
(1)改變電樞回路的總電阻其原理是在直流電動機的電樞回路中串接附加電阻R,如圖1-26a所示，這樣電樞回路的總電阻通過接觸器的觸頭控制串接附加電阻R的接入或短接，使得電樞電流在電樞回路總電阻上的壓降改變，即改變了轉速降△n=I,ZR/C。史，從而得到不同的運轉速度。由于在電樞回路中串入電阻使轉速降增大，所以串人的電阻越大，電動機的轉速就越低。
這種調速方法的主要優(yōu)點是線路簡單，系統(tǒng)設計、安裝、調整方便，投資少；缺點是機械特性軟、耗能多、調速范圍窄、調速不平滑。這種調速方法只能應用在簡單的生產機械上。
(2)減弱電動機的勵磁磁通通過改變直流電動機勵磁繞組的勵磁電壓，可以改變勵磁電流，從而改變磁通φ。由于電動機磁通在額定狀態(tài)時，其鐵心已接近飽和，增磁的余地很小，所以改變磁通調速的方法主要是減弱磁通來升速。3)可知，磁通φ減弱，理想空載轉速n0和轉速降△n均增加，轉速升高，電動機的機械特性變軟。其調速特性如圖1-27所示。此外減弱磁通后，將使電動機輸出的電磁轉矩M減�。�這種若負載轉矩M.不變，必將導致電動機的電樞電流增加、電動機的機械特性變軟，使電動機發(fā)熱嚴重。調速方法的調速范圍不大，因而一般也只在額定轉速以上時才采用。
(3)調節(jié)電樞供電電壓由式(1-3)可知，改變電動機端電壓U的大小，可以改變理想空載轉速no的大小，而轉速降△n是不變的，即改變電動機的供電電壓，機械特性基本是平行地上下移動，機械特性的硬度不變。所以這種調速方法具有調速平滑、調速范圍大、機械特性硬等優(yōu)點。目前主要有兩種類型的調壓控制系統(tǒng)：晶閘管一電動機調速系統(tǒng)和斬波器一電動機(直流脈沖寬度調制PWM)調速系統(tǒng)，廣泛應用的是晶閘管直流調速系統(tǒng)。
由靜止的晶閘管變流裝置UR提供可調的直流電壓Ud給直流電動機M,構成了晶閘管直流調速系統(tǒng)。通過改變Ugd電壓來改變晶閘管觸發(fā)延遲角α的大小，從而改變整流電壓Ud的大小，達到調節(jié)直流電動機轉速的目的。由晶閘管構成的直流調速系統(tǒng)的機械特性，如圖1-28所示。
2.直流調速系統(tǒng)的組成
在手動控制基礎上發(fā)展起來的自動控制系統(tǒng)，按照系統(tǒng)有無反饋環(huán)節(jié)，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；按照系統(tǒng)是否存在穩(wěn)態(tài)偏差可分為有靜差調速系統(tǒng)和無靜差調速系統(tǒng)。對于不同的控制系統(tǒng)，其結構組成及元器件各不相同。
(1)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)
1)開環(huán)控制系統(tǒng)：若系統(tǒng)的輸出量不反送到輸入端參與控制，即輸出量n和輸入量Ugd之間在電路上沒有任何直接的聯(lián)系，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。晶閘管供電的直流開環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-29所示。在輸入端給定一個電壓Ugd輸出端電動機就對應有一個轉速n,欲改變轉速n,就必須人為地改變輸人端給定電壓Ugd的大小。
它的調節(jié)過程如下：當給定電壓U增大時，通過觸發(fā)器AT使晶閘管的觸發(fā)延遲角α減小，晶閘管整流電壓U增加，由于電動機勵磁磁通是恒定的，所以電動機的轉速n將增加。
開環(huán)控制系統(tǒng)的結構簡單、成本低、不存在穩(wěn)定性問題。為了保證控制精度，系統(tǒng)需要采用高精度的元器件，另外對干擾造成的誤差，系統(tǒng)無能為力。所以開環(huán)控制系統(tǒng)應用在內部參數和外部負載等干擾因素不大的情況下，如一般的組合機床的控制。
2)閉環(huán)控制系統(tǒng)：若系統(tǒng)的輸出量被反送到輸入端參與控制，即輸出量n與輸入量Ugd之間通過反饋環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起形成閉合回路的系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)。
它的調節(jié)過程如下：測速發(fā)電機TG與電動機M裝在同一機械軸上，測速發(fā)電機TG隨電動機旋轉產生轉速負反饋電壓Ufn,此電壓正比于電動機的轉速n。Ufn引回到輸入端與給定圖1-30直流閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓Ugd相比較，其差值△U(△U=Ugd-Ufn)經放大器放大后，得到輸出電壓Uk(即為晶閘管變流器的控制電壓),用它去調節(jié)整流器的輸出電壓Ud進而控制電動機轉速n的高低。
當電動機的轉速n由于某種原因(如負載增加)而降低時，Ufn將降低，偏差電壓△U升高，控制電壓Uk增加，則整流器輸出電壓U將增加，從而使電動機轉速回升。該調節(jié)過程為：負載個→Ia個→n↓→△U↑→Ud↑→n個�？梢�，當Ugd不變而電動機的轉速由于某種原因而產生波動時，通過轉速負反饋，可以自動調節(jié)電動機的轉速而維持穩(wěn)定。這樣就抑制了干擾量對輸出量n的影響，而且還大大地提高了系統(tǒng)機械特性的硬度。但是閉環(huán)控制容易產生振蕩(如系統(tǒng)的放大倍數過大時),因此，對閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是一個需要充分重視的問題。
依靠負反饋信號的作用，達到阻止被控制量變化的目的，稱這種控制方法為反饋控制。采用閉環(huán)控制后，系統(tǒng)能對控制裝置及被控對象參數變化引起的干擾不敏感，不必采用高精度的元器件，但反饋元器件的精度應盡可能高。當系統(tǒng)出現(xiàn)干擾時，反饋元器件可以減弱其影響，它是電力拖動自動控制系統(tǒng)的基礎。
由于晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性不硬，特別是電流斷續(xù)時，機械特性更軟，所以，一般多采用閉環(huán)控制方案。
(2)有靜差調速系統(tǒng)和無靜差調速系統(tǒng)
1)有靜差調速系統(tǒng)：這種調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，反饋量與給定量不等，存在著偏差△U(△U=Ugd-Ufn≠0),即電動機的實際轉速和想要調節(jié)的理想轉速之間不等。
有靜差調速系統(tǒng)是通過偏差△U的變化來進行調節(jié)的。系統(tǒng)的反饋量只能減小偏差△U的變化，而不能消除偏差，即△U始終不能為零。若偏差△U=0,比例放大器的輸出電壓Uk=0,晶閘管整流器的輸出電壓Ud=0,電動機將停止轉動，系統(tǒng)無法正常工作。可見，有靜差調速系統(tǒng)是以△U≠0為工作前提的。若想消除偏差，使△U=0,以提高穩(wěn)態(tài)精度，單純按比例放大器來進行控制是辦不到的。要想提高穩(wěn)態(tài)精度，必須從控制規(guī)律上尋求新的出路。
2)無靜差調速系統(tǒng)：無靜差調速系統(tǒng)在靜態(tài)時，反饋量完全等于給定量，即偏差電壓△U=0時系統(tǒng)仍能工作，通過PI、PID調節(jié)器來實現(xiàn)。圖1-31所示為無靜差閉環(huán)調速系統(tǒng)。由圖可見，這個系統(tǒng)的被調量是轉速，PI調節(jié)器起到調節(jié)轉速不變的作用，因此稱為速度調節(jié)器。當電動機起動時，轉速為零，故Ufn=0,偏差電壓△U=Ugd。速度調節(jié)器的輸出電壓很快達到最大值，這個電壓使整流器輸出的電壓達到最大值，電動機在這個電壓下起動，轉速迅速上升到給定的轉速n,此時Ufn>Ugd。由于電容的積分作用，此圖1-31無靜差閉環(huán)調速系統(tǒng)時調節(jié)器的輸出仍然保持在限幅值。如果電動機的轉速>n,則△U<0,速度調節(jié)器將反向積分使電樞電壓降低，直到轉速降到n,電動機就保持在給定的轉速下運行。同理，也可以分析電動機在正常運行負載有變化時的自動調節(jié)過程。當負載增加時，電動機轉速下降，反饋電壓U減小，△U增大，PI調節(jié)器的調節(jié)作用，一部分為比例輸出，偏差電壓越大，整流器的輸出電壓越大，電動機轉速回升越快，比例輸出是沒有慣性的；另一部分為積分的調節(jié)作用，偏差電壓的積分使整流器電壓增加，也使轉速回升。實際上調節(jié)器是比例和積分作用同時發(fā)生。在調節(jié)初期和中期，比例調節(jié)起主要作用，它首先阻止轉速繼續(xù)降落；在調節(jié)后期，轉速降落減小，比例作用不明顯，而積分調節(jié)上升到主導地位，最后靠積分作用消除偏差，這就是無差調節(jié)過程。所以稱這種系統(tǒng)為無靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))誤差調速系統(tǒng)，簡稱無靜差調速系統(tǒng)。
積分控制可以消除偏差，具有滯后作用，主要缺點是容易引起超調或產生不穩(wěn)定的振蕩。若采用微分控制，它是一種超前控制，控制信號與偏差的變化率成正比，即在偏差還未變得太大之前，可以迅速將它校正，這就增大了系續(xù)的快速響應性。通常將比例、積分、微分三種控制作用組合在一起的控制稱為比例積分微分控制簡稱PID控制。
三、交流調速
從異步電動機的轉速公式得知：
電動機的轉速(r/min);
n0——同步轉速(r/min);
△n——轉速降(r/min);
p——磁極對數；
s——轉差率(%);
f——頻率(Hz)。
由式(1-4)不難看出，要改變異步電動機的轉速可以改變磁極對數p、改變轉差率s和改變頻率f。
1.改變磁極對數的變極調速
當電源頻率f不變時，改變電動機的磁極對數，電動機的同步轉速隨之成反比變化。若電動機磁極對數增加一倍，同步轉速下降1/2,電動機的轉速也幾乎下降1/2,即改變磁極對數可以實現(xiàn)電動機的有級調速。
異步電動機的磁極對數是由其定子繞組的結構決定的，所以要改變磁極對數，必須將定子繞組繞制為可以轉換成幾種磁極的特殊形式，通常采用的方法是改變定子繞組的接法來改變磁極對數，這種電動機稱為多速電動機。
常用的雙速電動機改變磁極繞組的接法有兩種，一種是繞組從△聯(lián)結改接成雙丫聯(lián)結，寫作△/2Y;另外一種是從Y聯(lián)結改接成雙Y聯(lián)結，寫作Y/2丫。這兩種接法都是改變電動機定子繞組的接線方式，使每相繞組中有1/2繞組的電流反向，從而使電動機的磁極對數減少1/2,電動機的轉速成倍改變。
(1)△/2丫聯(lián)結變極調速如圖1-32所示，當4、5、6三個抽頭開路，1、2、3接三相電源時，三相繞組為△聯(lián)結，定子各相繞組中的兩部分繞組正向串聯(lián)，電流如圖中的實線所示。若將1、2、3點接在一起，將4、5、6接到三相電源上時，定子各相繞組中的兩部分繞組反向并聯(lián)，每相繞組中均有1/2繞組的電流反向，如圖中的虛線所示。這時磁極對數減少1/2,同步轉速增加一倍，即實現(xiàn)了變極調速。通過理論分析可知，這種調速方法適用于車床等恒功率負載，為恒功率調速。
(2)Y/2丫聯(lián)結變極調速這種接法的原理同△/2Y聯(lián)結一樣，當繞組由Y聯(lián)結改接成2丫聯(lián)結時，電動機的磁極對數減少1/2,轉速增加一倍。通過分析可知，該調速方法適用于起重機等恒轉矩負載，為恒轉矩調速。
變極調速的優(yōu)點是設備簡單、運行可靠。它的缺點是：有級調速，且調速的磁極對數較少；電動機的效率較低。
2.改變頻率的變頻調速
變頻調速是改變電源的頻率f,從而使電動機的同步轉速no變化以達到調速的目的。
在改變電源頻率的同時，通常希望氣隙主磁通維持不變。因為若氣隙主磁通增加，電動機的磁路會過飽和，從而引起勵磁電流增加、鐵心損耗加大、電動機的溫升過高、功率因數降低；若氣隙主磁通減少，則電動機的容量得不到充分利用。又由異步電動機的電動勢公式知道，外加電壓近似地與頻率和磁通的乘積成正比，即U∞E≈Cefφ;因此，φ∞E/f≈Uf。若要保持磁通為定值，則電源電壓必須隨頻率的變化作正比變圖1-33變頻調速的機械特性化，即保持U/f為常數。因此調速時，在調頻的同時還要調壓，即頻率和電壓協(xié)調控制，故稱為可變頻率可變電壓調速(VVVF)。對于恒轉矩負載，保持磁通為常數，同時也能保持電動機的過載能力不變，所以變頻調速特別適合于恒轉矩負載。
變頻調速的主要優(yōu)點是：調速范圍寬；調速平滑性好；效率高；故障率低。
3.改變轉差率的調速
改變外加電壓或者改變轉子電路的電阻，都可以改變轉差率，從而改變電動機的轉速。
(1)調壓調速改變加在異步電動機定子繞組上的電壓，即獲得了一組人。
為機械特性曲線，其最大轉矩隨電壓的二次方而下降，產生最大轉矩的臨界轉差率不變。起重機等恒轉矩負載的特性曲線如圖1-34a所示；通風機負載的特性曲線如圖1-34b所示；高轉差率電動機的特性曲線如圖1-34c所示。由于調壓調速時的調速范圍較小，為了獲得較寬的調速范圍，可以采用轉子電阻較大、機械特性較軟的高轉差率異步電動機進行調壓調速。目前利用晶閘管的交流調速系統(tǒng)獲得廣泛應用，其主要優(yōu)點是調速范圍寬、調速平滑性好；缺點是當電動機運行在低速時，轉子銅耗較大，電動機效率低，發(fā)熱嚴重，不宜在低速下長時間運行。
(2)改變轉子回路的電阻調速改變轉子回路的電阻調速只適用于繞線轉子異步電動機。如圖1-35所示為改變轉子回路的電阻所獲得的組人為機械特性曲線。增加轉子回路電阻，最大電磁轉矩不變，產生最大轉矩的轉速下降。轉子回路還可以串聯(lián)變阻器，其原理是一致的。這種調速的優(yōu)點是設備簡單、操作方便、在調速過程中最大轉矩不變、電動機的過載能力不變；缺點是最低轉速不能太小、調速范圍不大。
