电力拖动自动控制系统课程综合训练——交、直流电动机调速技术历史、现状及发展趋势：王家琪16115746班级：越崎学院11-3班交直流电机调速技术历史、现状及发展趋势王家琪（中国矿业大学信息与电气工程学院，）摘要：本文摘录了国外相关文献对电机调速技术发展的资料，并结合作者本人的本科学习经验整理收录，对于交直流电机调速技术的发展作了扼要的介绍，对于本科阶段理解与掌握电机拖动调速技术有着一定的帮助。

关键词：直流电机、交流电机、原理、调速技术、历史、现状、发展趋势引言：人类社会发展的历史进程中，能源永远是人类赖以生存的物质基础，科学技术的进步更是和能源的获取变换利用紧密联系在一起。

由于电能的生产和利用更涉及机械能与电能两种形态能量之间的转换，电机作为机电能量转换的设备所处位置关键，使得电机技术的发展直接关系到能源的有效变换和利用以及能源的开发和节约。

而电机调速技术正是实现电机在工农业生产各领域展拳脚的前提保证。

现代工业生产中有两种情况需要实现电机的速度控制：（1）满足运动及生产工艺要求。

如对于电动车辆则要求低速恒转矩，高速恒功率；对于电梯机床纺织造纸等传动，特别是轧钢设备则要求正转反转电动制动四象限运行。

这是高性能调速技术的应用场合。

（2）实现调速节能。

主要针对拖动风机水泵的电机，过去电机恒速运行，依靠挡板或阀门调节风量或流量，致使大量能量耗费在挡板阀门上。

采用调节速度方式调节流量时，电机输入功率大大减少，产生高达20%-30% 的节能效果。

这是一般性能调速技术的重要应用场合。

一、直流电机调速技术1.简介按照电机类型的不同，电机的速度控制可区分为直流调速和交流调速。

直流调速即对直流电动机的速度控制。

由于直流电动机中产生转矩的两个要素-电枢电流和励磁磁通相互间没有耦合，并可通过相应电流分别控制，因此直流电动机调速时易获得良好的控制性能及快速的动态响应，在变速传动领域中过去一直占据主导地位。

然而由于直流电机需要设置机械换向器和电刷，因此直流调速存在固有的结构性缺陷：机械换向器结构复杂，成本增加，同时机械强度低，电刷容易磨损，需要经常维护，影响运行可靠性。

由于运行中电刷易产生火花，限制了使用场合，不能用于化工矿山炼油厂等有粉尘腐蚀易燃易爆物质或气体的恶劣环境。

由于存在换向问题，难于制造大容量高转速及高电压直流电机，其极限容量与转速乘积被限制在1000000kw.r/min，使得目前3000r/min左右的高速直流电动机。

最大容量只能达到（400-500）kw；低速直流电动机也只能到几千千瓦，远远不能适应现代工业生产向高速大容量化发展的需要。

直流电动机一般可分为电磁式和永磁式，电磁式电动机除了必须给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。

电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。

按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励﹑并励、串励﹑和复励等形式。

由于励磁方式不同，它们的特性也不同。

（1）他励电动机他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图1所示。

他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。

但这种电动机调速围很宽，多用于主机拖动中。

（2）并励电动机并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，如图2所示，这时电源提供的电流I等于电枢电流Ia和励磁电流If之和，即I=Ia+If。

并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、电流小。

这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压，这个电压通常较高。

励磁绕电阻大，可使If减小，从而减小损耗。

由于If较小，为了产生足够的主磁通，就应增加绕组的匝数。

由于If较小，可近似为I=Ia。

并励直流电动机的机械特性较好，在负载变时，转速变化很小，并且转速调节方便，调节围大，启动转矩较大。

因此应用广泛。

（3）串励电动机串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源，如图3所示。

串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia，这个电流一般比较大，所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。

串励电动机多于负载在较大围变化的和要求有较大起动转矩的设备中。

（4）复励电动机这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，如图4所示，所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点，所以也被广泛应用。

（5）永磁电动机这种直流电动机沒有励磁绕组﹐直接以永久磁铁建立磁场來使转子转动。

这种电动机在许多小型电子产品上得到了广泛应用。

在以上几种类型的直流电动机中，以并励直流电动机和他励直流电动机应用最为广泛。

2.原理直流电动机的等效电路如图5所示。

La图5 直流电动机等效图电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为:E I L I R U a aa a a a dt d ++= (1- 2)Ω--=ΩK T T D l e dt d J (1 - 3)式中 Ua 电源电压;Ia-电枢电流 ;Ra-电枢电阻(包括电刷、换向器以及两者之间的电阻);La-电枢电感;Ea-电枢反电动势;J-转动惯量;Ω-转动的角速度;Te-电磁转距;Tl-负载转距;K D -转动部分的阻尼系数.永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为:Ea=Ke*Ω(1 - 4) 式中 Ke-反电动势常数.电磁转矩为: Te=K T *Ia(1 - 5) 式中K T -磁转矩常数。

动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。

将式 (1-2)、式(1-3)、式(1-4)和式(1-5)作拉氏变换，得到如下函数:Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)JS Ω(s)=Te(s)一Tl(s)一K D S Ω(s)Ea(s)= Ke Ω(s)Te(s)=K T Ia(s)上面的式子可以用下面的方框图表示。

图6 直流电机系统方框图直流电机转速n 的表达式为:Φ-=K IR U n (1 - 1)式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻Φ-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速n 的控制方法有三种:(1)调节电枢电压U 。

改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大围无级平滑调速的系统;(2)改变电机主磁通。

只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速围小;(3)改变电枢电路电阻R 。

在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。

改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速围不大，往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主。

2.发展（历史、现状、趋势）直流电机原理较为简单，调速技术也较为单一，自发明以来，调速技术的突破主要在于电枢直流电压源的发展与应用，而变电枢电压技术的发展主要经历了三个阶段:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。

(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M 系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。

G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。

(2)20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。

采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。

进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。

V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。

(3) 脉宽调制(PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。

现如今，绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。

开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。

二、交流电机调速技术1.简介交流调速即对交流电动机的速度控制。

交流电机，尤其是笼型异步电动机，由于结构简单，制造方便，造价低廉，坚固耐用，无需维护，运行可靠，更可用于恶劣的环境之中，特别是能做成高速大容量，因此在工农业生产中得到了极为广泛的应用。

但是交流电动机调速，控制比较困难，这是由于同步电动机的气隙磁场有电枢电流和励磁电流共同产生，其磁通值不仅决定于这两个电流的大小，还与工作状态有关；异步电动机则电枢与励磁同在一个绕组，两者间存在强烈的耦合，不能简单地通过控制电枢电压或电流来准确控制气隙磁通进而控制电磁转矩，因而不能有效地实现电机的运动控制。

由于交流电机种类繁多，但日常使用的交流电机多以异步电机为主，故本文将着重介绍交流异步电机的原理及发展。

2．原理（1）异步电动机旋转原理1）磁场以n 0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流2)通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力3)电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同。

（2）旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。

这三个交变磁场应满足：1）在空间位置上互差2π/3 rad电度角。

这一点，由定子三相绕组的布置来保证2）在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）。

这一点，由通入的三相交变电流来保证。

（3）电动机转速产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。

因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n 0，两者之差称为转差：Δn＝n 0－n转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：s＝Δn / n 0同步转速n 0由下式决定：n 0＝60 f / p式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。

由此可得转子的转速：n＝60 f（1－s）/ p（4）异步电动机调速由转速n＝60 f（1－s）/ p可知异步电动机调速有以下几方法：1）改变磁极对数p （变极调速）定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。

所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。

通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。

变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。

2）改变转差率s （变转差率调速）以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。

（i）定子调压调速当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；上互差π/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差π/2 rad相位角（或1/2周期）两相交变电流也可产生旋转磁场。