1.2　简易交流调速及控制线路

1.2.1　变极调速

这种调速方式适用于特殊构造的变极电动机。这种电动机具有多种结构的绕组，通过改变绕组的极对数达到调速的目的。目前常用的变极电动机可获得2～4种转速。

（1）△-YY形变换（△/2Y接法）

这种调速接法具有恒功率特性，适用于各种机床上，其调速原理如图1-15所示。以A相绕组为例，A相绕组分为两部分，当A₁-X_l与A₂-X₂顺次串联时［见图1-15（a）］，产生的磁场为4极。当两个绕组并联后［见图1-15（b）］，产生的磁场为2极。图1-15（c）中，当三相交流电接入到1、2、3端时为△接法，为低速接法。图1-15（d）中，1、2、3接在一起，三相交流电接入到4、5、6端时为YY接法，可获得较高的同步转速。

一个应用的线路如图1-16所示。SB1按下时，KM1闭合，电动机低速运行。按下SB后电动机停机。SB2按下时，KM2、KM3吸合，定子绕组接成2Y接法，电动机高速运行。

一个真实的应用如图1-17所示，由时间控制的双速电动机高低速控制线路图。双速电动机在生产设备，诸如车床、铣床等中都有较多应用。双速电动机是由改变定子绕组的连接方式即改变极对数来调速的。若将出线端U₁、V₁、W₁接电源，U₂、V₂、W₂悬空，每相绕组中两线圈串联，双速电动机M的定子绕组接成△接法，有四个极对数（4极电动机），低速运行；如将出线端U₁、V₁、W₁短接，U₂、V₂、W₂接电源，每相绕组中两线圈并联，极对数减半，有两个极对数（2极电动机），双速电动机M的定子绕组接成YY接法，高速运行。

图1-17（a）、（b）为直接控制高/低速启动运行，控制较为简单。图1-17（c）中，SA为高/低速电动机M的转换开关，SA有三个位置：当SA在中间位置时，高/低速均不接通，电动机M处于停机状态；当SA在“1”位置时低速启动接通，接触器KM1闭合，电动机M定子绕组接成△接法低速运转；当SA在“2”位置时电动机M先低速启动，延时一整定时间后，低速停止，切换至高速运转状态，即接触器KM₁、KT首先闭合，双速电动机M低速启动，经过KT一定的延时后，控制接触器KM₁释放、接触器KM₂和KM₃闭合，双速电动机M的定子绕组接成YY接法，转入高速运转。

（2）三速、四速变换

如上述双速电动机。如果再增加一组双速绕组，则为4速电动机。例如，12/8/6/4极四速接法。如增加一组单速绕组，则为3速电动机。国产YD系列电动机电气控制原理图，如图1-18、图1-19所示（电路略去了部分辅助电路，如：热继电器保护、转换开关、电流表、电压表等）。图1-18为三速电动机电气控制原理图、图1-19为四速电动机电气控制原理图。一般变极电动机目前只有最多四速产品。如将此种调速方式作为粗调，再加以其他调速方式作为细调，即可获得性能优良的宽调速控制系统。

三速电动机真实的应用如图1-20所示，国产LS 1-10/450型非滑动式大型拉线机主传动高/中/低三速电动机的控制线路图。其接线图和机械特性如图1-21、图1-22所示。

四速电动机可采用北京电机总机生产的YSYT280-2四速电动机。

①YSYT280-2四速电动机接线原理图　YSYT280-2四速电动机共有42个线圈，经过内部接线后引出18个接线端，其接线原理图见图1-23。

a.当U₁₁、U₂₁、W₁₂、W₂₂短接，U₁₂、U₂₂、V₁₁、V₂₁短接，V₁₂、V₂₂、W₁₁、W₂₁短接后接三相电源，U₁₀、U₂₀、V₁₀、V₂₀、W₁₀、W₂₀端悬空时，电动机绕组接成双三角形（2△），此时为第一挡，转速最高。

b.当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分别相接后接三相电源时，电动机绕组接成双三角/双星混合形（2△-2Y），此时为第二档，转速中高。

c.当U₁₂、U₂₂、V₁₂、V₂₂、W₁₂、W₂₂短接，U₁₁和U₂₁、V₁₁和V₂₁、W₁₁和W₂₁分别相连后接三相电源时，电动机绕组接成双星形（2Y），此时为第三挡，转速中低。

d.当U₁₂和U₂₁、V₁₂和V₂₁、W₁₂和W₂₁相连，U₁₁和W₂₂、V₁₁和U₂₂、W₁₁和V₂₂分别相连后接三相电源，电动机绕组接成单三角形（△），此时为第四挡，转速最低。

②YSYT280-2四速电动机电气控制原理图如图1-24所示。

1.2.2　串电阻调速

根据公式（1-7），取c₁=1时，有：

　　 （1-13） 　　

可得M-S曲线，它表示电磁转矩与转差率的关系。曲线的转折点S_k称临界转差率，对应的转矩称最大转矩M_m。

对上式求导，令：dM/dS=0，解出：

　　 （1-14） 　　

将S_k代入原式，解出：

　　 （1-15） 　　

转速n的机械特性曲线是图1-25所示的一簇曲线。实际应用电路可通过转子电路中串联附加电阻的方法改变，阻值越大，机械特性越软，转差率越大，速度也越低。这种方法依靠增加转差率的方法来降低转速，损耗主要消耗在附加电阻上，效率低。

由特性曲线可知，这种工作方式的调速适用于固定负载（如图上的M_FZ）或负载变化不大的场合。负载较轻时，串联的电阻值应作大范围的改变，才能获得较宽的调速范围。而负载较重时，则需要较小变化范围的串联电阻即可。但只有小于M_m才能工作。而负载太轻时，则不能用这种方法调速。实际应用时某些启动电路也采用类似的电路。它们之间的区别是：调速用变阻器必须满足长期运行的条件，应采用较大功率的电阻，以防止温度太高。

图1-26是实用控制线路的例子，它由主令控制器和磁力控制盘等组成。图中KM₂用于电动机接通正序电源，使电动机正转；KM₁用于电动机反转。KM₃用于接通制动电磁铁YA。电动机转子电路共串有七段电阻（R₁～R₇），其中R₇为常串电阻，用于软化机械特性。其余各段电阻的接入与切除分别由KM₄～KM₉来控制。YA是电磁抱闸，断电时抱住电动机轴使电动机停转。

主令控制器本身有12对触点，按一定的不同组合对电动机进行控制。此线路用于重物的提升与下放。

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）。

停止时，KA吸合为电动机启动运行做好准备。

上升时，位置1～6分别短接外电阻R₁～R₆，得到不同的提升速度。

下降时，处于位置C时，KM2吸合，电动机正转，但KM₃没接通，YA失电，使电动机不能转动，这是一种准备挡。

当处于下降位置“1”时，KM₂吸合，电动机正转产生向上提升力，KM₃吸合打开抱闸，此时如负载较重，重力大于提升力，电动机处于倒拉反转制动状态，以低速下放重物（如负载较轻仍为上升状态）。

当处于下降位置“2”时，与“1”状态基本相同，只是串联的电阻值大些，可获得比“1”快些的下降速度。

当处于下降位置“3”“4”“5”时，KM₁吸合电动机反转，可获得更快的下降速度。

1.2.3　串级调速

参照图1-1的定子等值电路，可推导出转子等值电路如图1-27所示。图1-27（a）和1-27（b）分别对应转子视为不动和转动的情况。根据电动机学原理可知，当交流电动机加上交流电压后，产生旋转磁场。它与转子绕组相交链，并在转子绕组中产生感应电势E₂和感应电流I₂。感应电流与旋转磁场相互作用产生转动力矩，根据电磁定律，有：

M=C_MΦI₂cosφ₂　　（1-16）

式中，Φ为气隙中磁通量；C_M为转矩常数；，称为转子电路功率因数；X₂为转子漏感抗。

如设电动机转子不动时产生的感应电势为E₂₀（漏感抗为X₂₀），当电动机以转差率S旋转起来后，有E₂=SE₂₀，X₂=SX₂₀，转子电流为：

　　 （1-17） 　　

当转子串联电阻时，r₂/S?X₂₀，X₂₀可以忽略，由上式解出：

　　 （1-18） 　　

由于I₂近似与负载成正比，因此，对固定负载，I₂为常数。则转差率与转子电阻值成正比，调整转子电阻的大小，即调整了转差率，进而得到不同的转速。这就是串电阻调速的原理。

对于转子串电阻调速电路，如不串联电阻，而引入一频率和转子电势SE₂₀的频率相同，而相位相反的外加电势E_f（见图1-28），则有下式存在：

　　 （1-19） 　　

由于反相位E_f的串入，引起转子电流I₂的减小，而电动机产生的转矩为：M=C_MΦI₂cosφ₂，I₂的减小使电动机的转矩值亦相应减小，出现电动机转矩值小于负载转矩值的状态，稳定运行条件被破坏，使电动机降速S增大。由上式可知，I₂回升，M亦回升，一直到电动机转矩与负载转矩相等时，达到新的平衡，减速过程结束。当系统平衡时，M=M_fz，而C_M、Φ、cosφ2基本为常数，因此对固定负载，M_fz、I₂为常数。如忽略式（1-19）分母中的SX₂₀，则有SX₂₀-E_f=常数。于是改变外加电势E_f就可改变串级调速的基本原理。如引入的E_f与转子电势同相位，则可得到高于同步转速的调速，这就是转差率S，使电动机转速发生变化，从而实现调速。这既是低同步（或称次同步、欠同步）串级调速也是超同步串级调速的基本原理。按串级调速的原理，可构成多种串级调速的方案。

下面仅介绍两种常用的方案。

①晶闸管低同步串级调速　串级调速转子回路外加电势E_f的频率是要与转子的转动频率同步的，这在技术上实现有困难。采用整流器将转子电势变为直流电势，再在直流回路中串入一晶闸管直流电势，即可间接解决这一问题。这种串级调速系统的组成如图1-29所示。系统中的附加反电势E_f采用晶闸管元件组成的有源逆变电路来获得。改变β角的大小即调节了逆变电压值，亦就改变了直流附加电势E_f的值。转差功率P_S只是小部分在转子绕组本身的r₂上消耗掉，而大部分被串入的附加电势E_f所吸收，回馈到电网中。这种调速系统具有恒转矩特性。

②晶闸管超同步串级调速　在图1-29中，如将转子侧的6个整流二极管1UR改为晶闸管，则组成晶闸管超同步串级调速电路。前面讨论的晶闸管低同步串级调速电路中，转子侧的6个整流二极管1UR只能吸收转差功率，而由直流侧将其传送出去，回馈给电网。当转子侧采用可控的变流器后，如使1UR工作在逆变状态、2UR工作在整流状态，它可将电功率输出给电动机，此时，电动机轴上的输出功率为P_M=P_I+P_S，满足这个表达式的转差率S必须为负值，即电动机在超过同步速度的速度下运行（参考图1-2的曲线），实现超同步串级调速。这种系统可实现以下四种工作状态。

a.高于同步速度的电动状态（超同步状态）　1UR工作在逆变状态、2UR工作在整流状态，转速高于同步速度，电动机定子和转子同时输入功率。

b.低于同步速度的电动状态　1UR工作在整流状态、2UR工作在逆变状态。转速低于同步速度、电动机的转动方向与转矩方向相同。电动机定子输入功率，转子功率回馈到电网中。

c.高于同步速度的再生制动状态　此工作状态转子功率传送方向与低同步串级调速的方向是相同的，1UR工作在整流状态、2UR工作在逆变状态，只是电动机的转动方向与转矩方向相反。它一般是由运行过程中的状态转换形成的。电动机定子和转子功率同时回馈到电网中。

d.低于同步速度的再生制动状态　此工作状态转子功率传送方向与超同步串级调速的方向是相同的，1UR工作在逆变状态、2UR工作在整流状态，只是电动机的转动方向与转矩方向相反。它一般是由运行过程中的状态转换形成的。此时，由电动机的定子将电能回馈到电网中，转子向电动机输入功率。

以上介绍的只是这种串级调速系统的基本原理，实际的主回路和控制回路是很复杂的。

1.2.4　滑差电动机调速（电磁转差离合器调速）

图1-30为滑差电动机调速系统原理结构图。它主要由异步电动机电磁转差离合器、晶闸管整流电源等组成。通过改变晶闸管的控制角可以方便地实现改变输出直流电压的大小。转差离合器包括电枢和磁极两部分，两部分之间无机械联系，全靠磁力联系。电枢受异步电动机驱动旋转，称为主动部分。磁极与负载相连接，称为从动部分。磁极上绕有励磁绕组，由晶闸管整流电源供电而产生磁场。当电动机带动杯形电枢旋转时，电枢就会切割从动部分磁极产生的磁场的磁力线而感应出涡流，这涡流与磁场作用产生电磁力，此电磁力所形成的转矩将使磁极跟着电枢同方向旋转，从而带动工作机械旋转。在某一负载下，磁极的转速由其磁场的强弱而定。因此，只要改变励磁电流的大小，即可改变负载的转速。

转差离合器调速系统的机械特性就是离合器本身的机械特性，如图1-31所示。（理想）空载转速不变，随负载转矩的增加，转速下降得很快，机械特性很软。为提高调速性能，一般这类系统都要加入速度反馈，构成速度闭环系统。具有速度反馈的调速系统及机械特性曲线如图1-32所示。这种调速系统控制简单、价格低廉，广泛应用于一般的工业设备中。目前我国已有系列产品供应市场，功率为0.6～30kW。

图1-33为上海电气成套厂生产的JZT型转差离合器电动机控制装置。它由给定比较环节、单结晶体管触发电路、晶闸管整流电路等所组成。

晶闸管整流电路采用单相半波整流，输出给转差离合器的励磁绕组，并用压敏电阻RV及C₁R₁作过压保护。给定电压由电源变压器提供的38V电压整流后提供。它由电位器RP₁获得。测速机上输出的速度反馈信号经整流电路后由电位器RP₄提供。晶闸管的触发脉冲的移相角受给定与反馈信号的偏差控制，构成速度闭环系统。R₇、RP₁、C₆、C₇等元件构成电压微分反馈电路，用以改善系统的动态特性。

1.2.5　调压调速

由异步电动机的M-S关系式［式（1-7）、式（1-8）］可知，转矩与定子绕组电压U₁的平方成正比。参见图1-34，对于恒定负载M₁，当降低输入电压U₁时，可得到不同的转速，对于风机类负载从M₂可得到较大的调速范围。

实际调速系统的主回路可由：自耦变压器、可控饱和电抗器或晶闸管调压器组成。图1-35为采用晶闸管调压器的调速系统的主回路。

由图1-34特性曲线可见，为了在恒定负载下得到较大的调速范围，可加大转子绕组的电阻值，它的机械特性曲线见图1-36（参考图1-12的曲线）。这种电动机是特殊制造的，称为交流力矩电动机。它的转子电阻值较大，机械特性较软。

为了克服调速范围小或机械特性较软的缺点，可采用带转速负反馈的闭环系统。这种系统的方框图如图1-37所示。图中，TG为测速发电机，GT为晶闸管触发电路，ST为速度调节器。当负载增大时，转速下降，由于转速负反馈的作用，可使定子绕组电压U₁增大，最后使转速回升到近似于原来的设定转速。当负载减小时，调整过程类同。负反馈的结果使系统的机械特性变硬。