1.2　簡易交流調速及控制線路

1.2.1　變極調速

這種調速方式適用于特殊構造的變極電動機。這種電動機具有多種結構的繞組，通過改變繞組的極對數(shù)達到調速的目的。目前常用的變極電動機可獲得2～4種轉速。

（1）△-YY形變換（△/2Y接法）

這種調速接法具有恒功率特性，適用于各種機床上，其調速原理如圖1-15所示。以A相繞組為例，A相繞組分為兩部分，當A₁-X_l與A₂-X₂順次串聯(lián)時［見圖1-15（a）］，產(chǎn)生的磁場為4極。當兩個繞組并聯(lián)后［見圖1-15（b）］，產(chǎn)生的磁場為2極。圖1-15（c）中，當三相交流電接入到1、2、3端時為△接法，為低速接法。圖1-15（d）中，1、2、3接在一起，三相交流電接入到4、5、6端時為YY接法，可獲得較高的同步轉速。

一個應用的線路如圖1-16所示。SB1按下時，KM1閉合，電動機低速運行。按下SB后電動機停機。SB2按下時，KM2、KM3吸合，定子繞組接成2Y接法，電動機高速運行。

一個真實的應用如圖1-17所示，由時間控制的雙速電動機高低速控制線路圖。雙速電動機在生產(chǎn)設備，諸如車床、銑床等中都有較多應用。雙速電動機是由改變定子繞組的連接方式即改變極對數(shù)來調速的。若將出線端U₁、V₁、W₁接電源，U₂、V₂、W₂懸空，每相繞組中兩線圈串聯(lián)，雙速電動機M的定子繞組接成△接法，有四個極對數(shù)（4極電動機），低速運行；如將出線端U₁、V₁、W₁短接，U₂、V₂、W₂接電源，每相繞組中兩線圈并聯(lián)，極對數(shù)減半，有兩個極對數(shù)（2極電動機），雙速電動機M的定子繞組接成YY接法，高速運行。

圖1-17（a）、（b）為直接控制高/低速啟動運行，控制較為簡單。圖1-17（c）中，SA為高/低速電動機M的轉換開關，SA有三個位置：當SA在中間位置時，高/低速均不接通，電動機M處于停機狀態(tài)；當SA在“1”位置時低速啟動接通，接觸器KM1閉合，電動機M定子繞組接成△接法低速運轉；當SA在“2”位置時電動機M先低速啟動，延時一整定時間后，低速停止，切換至高速運轉狀態(tài)，即接觸器KM₁、KT首先閉合，雙速電動機M低速啟動，經(jīng)過KT一定的延時后，控制接觸器KM₁釋放、接觸器KM₂和KM₃閉合，雙速電動機M的定子繞組接成YY接法，轉入高速運轉。

（2）三速、四速變換

如上述雙速電動機。如果再增加一組雙速繞組，則為4速電動機。例如，12/8/6/4極四速接法。如增加一組單速繞組，則為3速電動機。國產(chǎn)YD系列電動機電氣控制原理圖，如圖1-18、圖1-19所示（電路略去了部分輔助電路，如：熱繼電器保護、轉換開關、電流表、電壓表等）。圖1-18為三速電動機電氣控制原理圖、圖1-19為四速電動機電氣控制原理圖。一般變極電動機目前只有最多四速產(chǎn)品。如將此種調速方式作為粗調，再加以其他調速方式作為細調，即可獲得性能優(yōu)良的寬調速控制系統(tǒng)。

三速電動機真實的應用如圖1-20所示，國產(chǎn)LS 1-10/450型非滑動式大型拉線機主傳動高/中/低三速電動機的控制線路圖。其接線圖和機械特性如圖1-21、圖1-22所示。

四速電動機可采用北京電機總機生產(chǎn)的YSYT280-2四速電動機。

①YSYT280-2四速電動機接線原理圖　YSYT280-2四速電動機共有42個線圈，經(jīng)過內部接線后引出18個接線端，其接線原理圖見圖1-23。

a.當U₁₁、U₂₁、W₁₂、W₂₂短接，U₁₂、U₂₂、V₁₁、V₂₁短接，V₁₂、V₂₂、W₁₁、W₂₁短接后接三相電源，U₁₀、U₂₀、V₁₀、V₂₀、W₁₀、W₂₀端懸空時，電動機繞組接成雙三角形（2△），此時為第一擋，轉速最高。

b.當U₁₀、U₂₀、W₁₂、W₂₂短接，V₁₀、V₂₀、U₁₂、U₂₂短接，W₁₀、W₂₀、V₁₂、V₂₂短接，U₁₁和U₂₁、V₁₁和V₂₁、W₁₁和W₂₁分別相接后接三相電源時，電動機繞組接成雙三角/雙星混合形（2△-2Y），此時為第二檔，轉速中高。

c.當U₁₂、U₂₂、V₁₂、V₂₂、W₁₂、W₂₂短接，U₁₁和U₂₁、V₁₁和V₂₁、W₁₁和W₂₁分別相連后接三相電源時，電動機繞組接成雙星形（2Y），此時為第三擋，轉速中低。

d.當U₁₂和U₂₁、V₁₂和V₂₁、W₁₂和W₂₁相連，U₁₁和W₂₂、V₁₁和U₂₂、W₁₁和V₂₂分別相連后接三相電源，電動機繞組接成單三角形（△），此時為第四擋，轉速最低。

②YSYT280-2四速電動機電氣控制原理圖如圖1-24所示。

1.2.2　串電阻調速

根據(jù)公式（1-7），取c₁=1時，有：

　　 （1-13） 　　

可得M-S曲線，它表示電磁轉矩與轉差率的關系。曲線的轉折點S_k稱臨界轉差率，對應的轉矩稱最大轉矩M_m。

對上式求導，令：dM/dS=0，解出：

　　 （1-14） 　　

將S_k代入原式，解出：

　　 （1-15） 　　

轉速n的機械特性曲線是圖1-25所示的一簇曲線。實際應用電路可通過轉子電路中串聯(lián)附加電阻的方法改變，阻值越大，機械特性越軟，轉差率越大，速度也越低。這種方法依靠增加轉差率的方法來降低轉速，損耗主要消耗在附加電阻上，效率低。

由特性曲線可知，這種工作方式的調速適用于固定負載（如圖上的M_FZ）或負載變化不大的場合。負載較輕時，串聯(lián)的電阻值應作大范圍的改變，才能獲得較寬的調速范圍。而負載較重時，則需要較小變化范圍的串聯(lián)電阻即可。但只有小于M_m才能工作。而負載太輕時，則不能用這種方法調速。實際應用時某些啟動電路也采用類似的電路。它們之間的區(qū)別是：調速用變阻器必須滿足長期運行的條件，應采用較大功率的電阻，以防止溫度太高。

圖1-26是實用控制線路的例子，它由主令控制器和磁力控制盤等組成。圖中KM₂用于電動機接通正序電源，使電動機正轉；KM₁用于電動機反轉。KM₃用于接通制動電磁鐵YA。電動機轉子電路共串有七段電阻（R₁～R₇），其中R₇為常串電阻，用于軟化機械特性。其余各段電阻的接入與切除分別由KM₄～KM₉來控制。YA是電磁抱閘，斷電時抱住電動機軸使電動機停轉。

主令控制器本身有12對觸點，按一定的不同組合對電動機進行控制。此線路用于重物的提升與下放。

主令控制器可完成：①停止（位置0）；②上升（位置1，2，3，4，5，6）；下降（位置C，1，2，3，4，5）。

停止時，KA吸合為電動機啟動運行做好準備。

上升時，位置1～6分別短接外電阻R₁～R₆，得到不同的提升速度。

下降時，處于位置C時，KM2吸合，電動機正轉，但KM₃沒接通，YA失電，使電動機不能轉動，這是一種準備擋。

當處于下降位置“1”時，KM₂吸合，電動機正轉產(chǎn)生向上提升力，KM₃吸合打開抱閘，此時如負載較重，重力大于提升力，電動機處于倒拉反轉制動狀態(tài)，以低速下放重物（如負載較輕仍為上升狀態(tài)）。

當處于下降位置“2”時，與“1”狀態(tài)基本相同，只是串聯(lián)的電阻值大些，可獲得比“1”快些的下降速度。

當處于下降位置“3”“4”“5”時，KM₁吸合電動機反轉，可獲得更快的下降速度。

1.2.3　串級調速

參照圖1-1的定子等值電路，可推導出轉子等值電路如圖1-27所示。圖1-27（a）和1-27（b）分別對應轉子視為不動和轉動的情況。根據(jù)電動機學原理可知，當交流電動機加上交流電壓后，產(chǎn)生旋轉磁場。它與轉子繞組相交鏈，并在轉子繞組中產(chǎn)生感應電勢E₂和感應電流I₂。感應電流與旋轉磁場相互作用產(chǎn)生轉動力矩，根據(jù)電磁定律，有：

M=C_MΦI₂cosφ₂　　（1-16）

式中，Φ為氣隙中磁通量；C_M為轉矩常數(shù)；，稱為轉子電路功率因數(shù)；X₂為轉子漏感抗。

如設電動機轉子不動時產(chǎn)生的感應電勢為E₂₀（漏感抗為X₂₀），當電動機以轉差率S旋轉起來后，有E₂=SE₂₀，X₂=SX₂₀，轉子電流為：

　　 （1-17） 　　

當轉子串聯(lián)電阻時，r₂/S?X₂₀，X₂₀可以忽略，由上式解出：

　　 （1-18） 　　

由于I₂近似與負載成正比，因此，對固定負載，I₂為常數(shù)。則轉差率與轉子電阻值成正比，調整轉子電阻的大小，即調整了轉差率，進而得到不同的轉速。這就是串電阻調速的原理。

對于轉子串電阻調速電路，如不串聯(lián)電阻，而引入一頻率和轉子電勢SE₂₀的頻率相同，而相位相反的外加電勢E_f（見圖1-28），則有下式存在：

　　 （1-19） 　　

由于反相位E_f的串入，引起轉子電流I₂的減小，而電動機產(chǎn)生的轉矩為：M=C_MΦI₂cosφ₂，I₂的減小使電動機的轉矩值亦相應減小，出現(xiàn)電動機轉矩值小于負載轉矩值的狀態(tài)，穩(wěn)定運行條件被破壞，使電動機降速S增大。由上式可知，I₂回升，M亦回升，一直到電動機轉矩與負載轉矩相等時，達到新的平衡，減速過程結束。當系統(tǒng)平衡時，M=M_fz，而C_M、Φ、cosφ2基本為常數(shù)，因此對固定負載，M_fz、I₂為常數(shù)。如忽略式（1-19）分母中的SX₂₀，則有SX₂₀-E_f=常數(shù)。于是改變外加電勢E_f就可改變串級調速的基本原理。如引入的E_f與轉子電勢同相位，則可得到高于同步轉速的調速，這就是轉差率S，使電動機轉速發(fā)生變化，從而實現(xiàn)調速。這既是低同步（或稱次同步、欠同步）串級調速也是超同步串級調速的基本原理。按串級調速的原理，可構成多種串級調速的方案。

下面僅介紹兩種常用的方案。

①晶閘管低同步串級調速　串級調速轉子回路外加電勢E_f的頻率是要與轉子的轉動頻率同步的，這在技術上實現(xiàn)有困難。采用整流器將轉子電勢變?yōu)橹绷麟妱荩僭谥绷骰芈分写胍痪чl管直流電勢，即可間接解決這一問題。這種串級調速系統(tǒng)的組成如圖1-29所示。系統(tǒng)中的附加反電勢E_f采用晶閘管元件組成的有源逆變電路來獲得。改變β角的大小即調節(jié)了逆變電壓值，亦就改變了直流附加電勢E_f的值。轉差功率P_S只是小部分在轉子繞組本身的r₂上消耗掉，而大部分被串入的附加電勢E_f所吸收，回饋到電網(wǎng)中。這種調速系統(tǒng)具有恒轉矩特性。

②晶閘管超同步串級調速　在圖1-29中，如將轉子側的6個整流二極管1UR改為晶閘管，則組成晶閘管超同步串級調速電路。前面討論的晶閘管低同步串級調速電路中，轉子側的6個整流二極管1UR只能吸收轉差功率，而由直流側將其傳送出去，回饋給電網(wǎng)。當轉子側采用可控的變流器后，如使1UR工作在逆變狀態(tài)、2UR工作在整流狀態(tài)，它可將電功率輸出給電動機，此時，電動機軸上的輸出功率為P_M=P_I+P_S，滿足這個表達式的轉差率S必須為負值，即電動機在超過同步速度的速度下運行（參考圖1-2的曲線），實現(xiàn)超同步串級調速。這種系統(tǒng)可實現(xiàn)以下四種工作狀態(tài)。

a.高于同步速度的電動狀態(tài)（超同步狀態(tài)）　1UR工作在逆變狀態(tài)、2UR工作在整流狀態(tài)，轉速高于同步速度，電動機定子和轉子同時輸入功率。

b.低于同步速度的電動狀態(tài)　1UR工作在整流狀態(tài)、2UR工作在逆變狀態(tài)。轉速低于同步速度、電動機的轉動方向與轉矩方向相同。電動機定子輸入功率，轉子功率回饋到電網(wǎng)中。

c.高于同步速度的再生制動狀態(tài)　此工作狀態(tài)轉子功率傳送方向與低同步串級調速的方向是相同的，1UR工作在整流狀態(tài)、2UR工作在逆變狀態(tài)，只是電動機的轉動方向與轉矩方向相反。它一般是由運行過程中的狀態(tài)轉換形成的。電動機定子和轉子功率同時回饋到電網(wǎng)中。

d.低于同步速度的再生制動狀態(tài)　此工作狀態(tài)轉子功率傳送方向與超同步串級調速的方向是相同的，1UR工作在逆變狀態(tài)、2UR工作在整流狀態(tài)，只是電動機的轉動方向與轉矩方向相反。它一般是由運行過程中的狀態(tài)轉換形成的。此時，由電動機的定子將電能回饋到電網(wǎng)中，轉子向電動機輸入功率。

以上介紹的只是這種串級調速系統(tǒng)的基本原理，實際的主回路和控制回路是很復雜的。

1.2.4　滑差電動機調速（電磁轉差離合器調速）

圖1-30為滑差電動機調速系統(tǒng)原理結構圖。它主要由異步電動機電磁轉差離合器、晶閘管整流電源等組成。通過改變晶閘管的控制角可以方便地實現(xiàn)改變輸出直流電壓的大小。轉差離合器包括電樞和磁極兩部分，兩部分之間無機械聯(lián)系，全靠磁力聯(lián)系。電樞受異步電動機驅動旋轉，稱為主動部分。磁極與負載相連接，稱為從動部分。磁極上繞有勵磁繞組，由晶閘管整流電源供電而產(chǎn)生磁場。當電動機帶動杯形電樞旋轉時，電樞就會切割從動部分磁極產(chǎn)生的磁場的磁力線而感應出渦流，這渦流與磁場作用產(chǎn)生電磁力，此電磁力所形成的轉矩將使磁極跟著電樞同方向旋轉，從而帶動工作機械旋轉。在某一負載下，磁極的轉速由其磁場的強弱而定。因此，只要改變勵磁電流的大小，即可改變負載的轉速。

轉差離合器調速系統(tǒng)的機械特性就是離合器本身的機械特性，如圖1-31所示。（理想）空載轉速不變，隨負載轉矩的增加，轉速下降得很快，機械特性很軟。為提高調速性能，一般這類系統(tǒng)都要加入速度反饋，構成速度閉環(huán)系統(tǒng)。具有速度反饋的調速系統(tǒng)及機械特性曲線如圖1-32所示。這種調速系統(tǒng)控制簡單、價格低廉，廣泛應用于一般的工業(yè)設備中。目前我國已有系列產(chǎn)品供應市場，功率為0.6～30kW。

圖1-33為上海電氣成套廠生產(chǎn)的JZT型轉差離合器電動機控制裝置。它由給定比較環(huán)節(jié)、單結晶體管觸發(fā)電路、晶閘管整流電路等所組成。

晶閘管整流電路采用單相半波整流，輸出給轉差離合器的勵磁繞組，并用壓敏電阻RV及C₁R₁作過壓保護。給定電壓由電源變壓器提供的38V電壓整流后提供。它由電位器RP₁獲得。測速機上輸出的速度反饋信號經(jīng)整流電路后由電位器RP₄提供。晶閘管的觸發(fā)脈沖的移相角受給定與反饋信號的偏差控制，構成速度閉環(huán)系統(tǒng)。R₇、RP₁、C₆、C₇等元件構成電壓微分反饋電路，用以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

1.2.5　調壓調速

由異步電動機的M-S關系式［式（1-7）、式（1-8）］可知，轉矩與定子繞組電壓U₁的平方成正比。參見圖1-34，對于恒定負載M₁，當降低輸入電壓U₁時，可得到不同的轉速，對于風機類負載從M₂可得到較大的調速范圍。

實際調速系統(tǒng)的主回路可由：自耦變壓器、可控飽和電抗器或晶閘管調壓器組成。圖1-35為采用晶閘管調壓器的調速系統(tǒng)的主回路。

由圖1-34特性曲線可見，為了在恒定負載下得到較大的調速范圍，可加大轉子繞組的電阻值，它的機械特性曲線見圖1-36（參考圖1-12的曲線）。這種電動機是特殊制造的，稱為交流力矩電動機。它的轉子電阻值較大，機械特性較軟。

為了克服調速范圍小或機械特性較軟的缺點，可采用帶轉速負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的方框圖如圖1-37所示。圖中，TG為測速發(fā)電機，GT為晶閘管觸發(fā)電路，ST為速度調節(jié)器。當負載增大時，轉速下降，由于轉速負反饋的作用，可使定子繞組電壓U₁增大，最后使轉速回升到近似于原來的設定轉速。當負載減小時，調整過程類同。負反饋的結果使系統(tǒng)的機械特性變硬。