调速电动机：调速电动机最常用的有交流变频电动机、磁阻电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机。

  一、交流变频电动机

交流电动机的转速与频率成正比见公式：

 

n：转速；f：频率；2p：极对数

从以上公式看，交流电动机的转速n只与频率成正比关系。90年代前，发电厂的频率(工频50HZ)无法改变，交流电动机的转速也不能改变，交流电动机如需调速，只能用以下性能很差的调速方式，如“滑差调速”、“液力耦合调速”和“机械齿轮调速”等方式，这几种调速方式效率低、特性软、刚性低、调速范围小。

由公式1可以看出：只要频率f改变，电机速度n就可以改变。

90年代，由于计算机技术的成熟，大功率半导体开关器件的出现，电厂发出的50HZ工频，可以由0~400HZ无极变化，这种装置称“变频调速器”，从而交流电动机的转速可以通过变频调速器进行无极调速。

注：4极交流变频电动机转速是与频率的同步转速

n=  

转速n是交流同步电动机每分钟转速，通过改变频率来达到改变交流电机转速的目的，称为“变频调速电动机”。

1. 变频电动机的特性曲线见图：

Pn：功率  Tm：转矩

Pn的单位：W、KW

Tm的单位：Nm

恒转矩：U/F=定值，保持电机内部磁通恒定。恒磁通就是恒转矩，电机磁通就是转矩。

2. 变频调速电机的控制方式

2.1 V/F控制（压频比VVVF）

2.2 电压矢量控制（空间矢量控制）

2.3 磁通矢量控制 

理论是想通过计算机软件把强耦合的交流电机解耦结成把q轴与Y轴两个磁场分开，然后再像直流电机一样控制一个磁场，软件设置是预先把转子的电感、电阻、惯量、质量输到高速32位CPU中去，然后通过测得三相电压和电流，进行高速计算，转出一个最佳的转矩，形成一个直接转矩控制方式，但是由于电机运行中转子发热后，预先输进去的参数都变了，所以结果总是不理想。

3．变频交流电动机的优缺点：

3.1优点：变频电机在风机、水泵、空压机等流体负载上面应用，节能效果最为显著。

例：水泥窑的风机节电：

流体负载电机转速与电机轴功率的关系:

a)      转速与流量成1次方关系

b)      转速与压力成2次方关系

c)      转速与电机的电功率成3次方关系

根据以上关系式可以看出，调整风机的转速，可以使电机轴功率成3次方关系变化，从而达到节能目的。

 比如：水泥厂立窑风机为控制燃烧带的平衡所需要的风压的大小问题。因过去用的萝茨风机不能用闸门控制，需要小风量时只能把风放掉，但是放出去的是能量，并伴随噪声和粉尘，所以会受到环保局罚款。而改用变频器来调速电机的转速，不但保证了工艺要求而且节能。如50HZ运行降到5HZ~45HZ运行，则风机节电下降了10%，节电27%左右，有时20 HZ左右运行，平均每年节电22万元。

3.2缺点

l      启动转矩小

从曲线上看，电机启动时，电压和频率都很低，这时转矩很小，为了加大启动转矩，启动时有意把电压调高（补偿曲线），这时电机内部的磁通不平衡，温度上升，电机启动完成后，又并到恒转矩的曲线上来，交流异步电机启动电流是额定电流的5~7倍。

l      低速性能差

由电动机电磁设计原理分析：

电动机电磁平衡式：

从公式上看，如果电机为较低速运转，按变频调速的理论，只有改变频率f，电机转速才能下降，如：原50HZ降到25HZ运行时，由于式中f的改变使电动机里的磁通不平衡，4.44常数、 体积、Ｋ系数都不能变，只有磁密φ变化，（Ф=高斯/平方厘米）如原设计φ等于每平方厘米通过8000高斯磁力线（根据硅钢片材质定），由于频率下降1倍，Ф增为16000高斯，磁通密度大了一倍，造成磁饱和，牺牲的是转矩，而且带来的磁饱和使铁芯发热，由此证明变频电机低速性能差。

l      体积大，效率低

为了适应变频电机低速运行，设计时就把电机体积加大了一个机座号，由于体积加大了，增加了铁耗和铜耗，从而降低了效率。另外，变频电机的效率是随负载降低而降低的，见效率-负载曲线：

 

 

 

 

 

 

l      噪声大

因为变频输出电机波形不是纯正的正弦波，是等效正弦波-等副不等宽的开关波形（如图3所示），谐波成分很多，加大了谐波损耗，所以增大了谐波的噪声。为了减小噪声加大了电机的气隙，因气隙大能吸收谐波，但是也加大了漏磁损耗，降低了电动机的效率。

二．   有刷串励直流电动机

直流电机的转速与电压成正比见：

               n= V·K

   　   V:电压；  K:控制电压系数

1．有刷直流串励电动机的优点：

调速性能好、转矩大，适合低速大转矩负载。

2．有刷直流串励电动机的缺点：

2.1效率低

有刷直流电机结构如下图：

直流电机由磁场、电枢、换向器、电刷组成。换向器展开见下图：

 

为了使电机旋转时不断电，电刷必须短接两个换向片，造成匝间短路，为了减小短路电流，只能把电刷的电阻做大。

由于电刷的电阻加大带来的是短路损耗I²R=Ps ，而且电机的电流都是通过电刷传到电枢上的，根据功率计算公式Ps=I²R可以看出电刷损耗也很大。由于有刷直流电机的机械换相结构和电刷，使直流电机的效率一般不超过65%。

2.2维行量大，适应环境差

由于直流电机换向器和电刷大部分都设计为开放式结构，而换向器由裸铜制成，裸露在空气中，空气潮湿对电机的换向器造成侵害，使电刷和换向器产生火花，这种恶性循环致使电刷换向器很快损坏、腐蚀，如不经常维修，可能会使电机报废。

三．稀土永磁无刷直流电机

由于稀土钕铁硼的发明，计算机技术的成熟和大功率半导体开关器件的出现，可以把机械换向转换为电子换相，电子换相的损耗很小，只是开关管的管压降，效率一般能达到94-97.% ,因此，高效、大转矩的无刷直流电机诞生了。其特点如下：

1.    效率高

1.1无刷直流电机的优化设计：

无刷直流电机主要有两大损耗：铜耗和铁耗。根据效率计算公式 可知，若要高效率，必须减小铜耗和铁耗两大损耗。

铜耗-有功损耗      Ps=I²R

以120KW电机为例，经过优化设计为一匝(其它电机很难设计为1匝)φ1.3×84并饶,112平方，铜阻与导线长度成正比，与导线截面积成反比。线圈相电阻为1.4mΩ，614²×1.4mΩ=376996×0.0014=527.8w。

铁耗-无功损耗:  铁耗是按铁心重量和材质来决定的，交流变频电机用的硅钢片DW-470-0.5,代表每公斤损耗47W，永磁无刷直流电机用的是DW-250-0.35硅钢片，每公斤损耗25W，硅钢片的厚度0.35mm，硅钢片越薄涡流损耗越小，比变频电机损耗小了4倍多。

    两大损耗的降低决定了无刷直流电机的效率达到59-97%

1.2电子换向：

由于机械换向存在着损耗大、维修量大、适应环境差的缺陷，阻碍了有刷直流电机的发展。近年来由于计算机技术的成熟、大功率半导体开关器件的出现使电子换向技术能代替机械换向，从而弥补了直流电机以上的缺陷，同时利用了80年代出现的钕铁硼磁钢，形成了我公司现在的“稀土永磁无刷直流电动机”。

电子换向原理详见下图:

上图380VAC（或220VAC）交流电源经三相整流（或电池），通过限流电阻R