异步电动机和直流电动机调速原理及特性分析

摘 要：随着社会不断的发展，对电动机的要求不断加深，也催生了电动机的飞速发展。同时，随着电子电力技术的不断向前发展，交流变频技术和直流变频技术得到更快速的发展，异步电动机相对传统永磁电机，具有对工作温度要求低、输出扭矩范围大、体积小、重量轻等优势，也已经在实践中得到了不断提高。

关键词：电动机；交流；变频调速

异步电动机是三相感应电动机，而非传统电动车所用的稀土永磁电机。永磁电动机是同步电动机。其转子使用永磁体，定子产生电磁转矩来推动转子的磁场围绕轴心线进行旋转，定子和转子的磁场是同步的。而感应电动机是异步电动机，是由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。过去异步电动机的最大的缺陷就是很难控制转子的旋转速度，但随着现代半导体控制技术的发展，这一问题已经被解决。

一、异步电动机的调速原理及特性

1.1单相异步电动机的调速原理及特性

单相电动机的调速原理及特性有变极调速，变频调速，调压调速三种方法，下面只对变频调速进行简单的描述。

（1）采用专用变频器

将单相电容运转式电动机绕组接入单相电源输入/单相输出变频器。若用一般的三相变频器对单相异步电动机调速，可将绕组接于变频器的输出端（U、V、W）的任意两端，进行控制。该方法要解决好高频对电容的危害以及影响副绕组的移相角度等问题，其中电容应使用耐高频耐高压的固定电容。电抗器用于隔离电容对变频器的危害作用，并对高频谐波起滤波作用。变频器在降低频率调速时，I1 增大，I2 减小，旋转磁场的椭圆度增大，电动机绕组的相位、转矩特性变差，可适当提高PWM占空比，对绕组电压进行补偿，改善电动机转矩特性。此方法调速成本虽低，但范围较小，低速转矩较差。对于起动回路按短时工作设计的单相电容起动式电动机，可将其改为电容运转式电动机后，同样适用上述方法，只不过转矩特性及控制方式要根据电动机性能适当改变。

（2）应用变频调速器将单相电动机改为双相电动机

将单相电容运转式和单相电容起动式电动机中的运行电容和起动电容全部去掉，离心起动开关也去掉，对主绕组和副绕组分别进行变频及变压控制。即把单相电动机主绕组和副绕组分别接入变频调速器，要求副绕组电流超前主绕组90°，且主、副绕组电压幅值比约等于其匝数比，从而使电动机的主、副绕组产生的磁势正交并且幅值相等，形成圆形旋转磁场。电动机起动与运行中的转矩大小，由主绕组和副绕组变频装置中的等效电压确定，只要分别调节主绕组和副绕组变频线路的PWM占空比大小，即可确定各绕组等效电压的高低。这样可保持或改善电动机的起动与运行转矩特性。将单相异步电动机改为双相电动机使用，由于去掉了电容和离心起动开关，应用变频器所需解决的难题得到有效解决，但由于采用了多个功率器件，因此成本较高。

若采用一般的三相变频器控制二相电动机，则主、副绕组电流相位差明显小于90°，虽然也能使电机旋转，但为了获得圆形旋转磁场和所希望的转矩特性，就需要改变触发脉冲控制，即修改变频器的参数，使得UWV超前UUV 90°。实现这样的控制方法虽好，但修改变频器较为复杂。目前，也有专用的单相电机控制器，配合电路，实现这种三相逆变桥对单相电机的控制，如采用ML4421芯片等。

1.2异步电动机的调速原理及特性

三相异步电动机的调速，就是人为的改变电动机的转速，以满足生产机械的需要。

调速的方法可以分为三类：1、变极调速；2、变频调速；3、改变转差率调速。三相异步电动机的调速大体和单相一样，没有根本区别，下面不在重复对此进行描述。异步电动机优势：能忍受大幅度的工作温度变化。而相反，温度大幅度变化会损坏永磁电动机。感应电动机的输出扭矩可以在大范围内调整，因此无需安装第二套乃至第三套传动机构。特斯拉设计的电机转速能达到6000转/分钟并且能产生最高为400牛顿米的扭矩，能在加速或爬坡时强制提高输出扭矩（虽然时间很短），而永磁电机的电动车要通过齿轮箱来输出更多的扭矩来实现提速。体积小、重量轻。一方面，由于对温度忍受范围大，异步电动机不需要像其他电动车那样安装散热器，冷却风扇、水泵及相关的管路等。另一方面，无需安装多余的传动机构。因此其电机体积和重量大大缩小。异步电动机体积类似西瓜，重量不过52公斤。

二、直流发电机的调速原理和特性分析

直流电动机的调速方法可以分为改变电枢回路电阻调速，改变磁通调速，改变电枢端电压调速。改变直流电动机的转向就必须改变电磁转矩的方向，方法有两种：或者改变磁通的方向，或者改变电流的方向。如果两者同时改变，则电动机转向保持不变。直流电机转速调节原理和实现方案 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为：

式中 Ua――电枢供电电压（V）； Ia ―电枢电流（A）； Ф―励磁磁通（Wb）； Ra―电枢回路总电阻（Ω）； CE―电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

调速方法：（1）改变电枢回路总电阻Ra；（2）改变电枢供电电压Ua； （3）改变励磁Ф。由第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机 产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。PWM基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。

小功率直流电机的调速原理：对于小功率电机的调速系统，使用单片机控制是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。因此，PWM又被成为“开关驱动装置”。

改变占空比的方法有三种：（1）定宽调频法，保持t1不变，只改变t2，这样周期T（或频率）也随之改变；（2）调宽调频法，保持t2不变，而改变 t1，这样也使周期T（或频率）改变；（3）定频调宽法，这种方法周期T（或频率）不变，而同时改变t1和t2。由于前两种方法都改变了周期（或频率），当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统采用的是定频调宽法。在买冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。

参考文献

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