Суть управления скоростью двигателя переменного тока заключается в регулировке ключевых входных параметров двигателя, таких как напряжение, частота, ток или магнитное поле, в зависимости от типа двигателя (асинхронный/синхронный) и условий применения (например, точности регулирования скорости, стоимости, энергопотребления). Ниже представлен подробный анализ основных методов управления, сгруппированных по уровню технической зрелости и области применения:

I. Регулирование скорости на основе «согласования напряжения и частоты» (основной метод для асинхронных двигателей)

1. Регулирование скорости с переменной частотой (VVVF, регулируемое напряжение и переменная частота)

• Принцип: Преобразовать переменный ток промышленной частоты (например, 220 В/50 Гц, 380 В/50 Гц) в переменный ток с «регулируемым напряжением и частотой» с помощью «преобразователя частоты» для удовлетворения требований двигателя к разным скоростям (увеличение частоты приводит к увеличению скорости, и наоборот).
• Ключевая логика: При фиксированном импедансе статора двигателя отношение U/f должно оставаться постоянным. В противном случае это приведёт к насыщению или недостаточности магнитного потока, что приведёт к перегоранию двигателя или снижению крутящего момента. Поэтому преобразователь частоты должен согласовывать напряжение и частоту в режиме реального времени.
• Классификация:
  • Скалярное управление: Регулирует только амплитуду напряжения и частоту. Имеет простую конструкцию и низкую стоимость, подходит для систем с низкими требованиями к точности регулирования скорости, таких как вентиляторы, водяные насосы (например, наружные блоки бытовых кондиционеров).
  • Контроль векторов: Разлагает ток двигателя на «ток возбуждения» и «ток крутящего момента» и точно управляет ими для достижения высокой динамической реакции, аналогичной реакции двигателей постоянного тока (например, станков с ЧПУ, тяговых машин лифтов).
  • Прямое управление крутящим моментом (DTC): Пропускает разложение тока и напрямую управляет крутящим моментом двигателя и потокосцеплением. Обеспечивает более высокую скорость отклика и подходит для высокодинамичных систем, таких как прокатные станы и сервосистемы.
• Преимущества: Широкий диапазон регулирования скорости (от 0 до номинальной скорости, даже превышающий номинальную скорость), высокий КПД (близкий к номинальному КПД) и стабильный крутящий момент.
• Недостатки: Высокая стоимость преобразователя частоты; на высоких частотах могут возникать гармонические помехи (необходимо добавить фильтр).

2. Регулировка скорости плавного пуска (вспомогательная регулировка скорости, прерывистая регулировка скорости)

• Принцип: Постепенно увеличивайте напряжение статора двигателя через тиристор (SCR), чтобы добиться плавного пуска и избежать больших токовых ударов во время запуска. Некоторые устройства плавного пуска поддерживают регулирование скорости с помощью напряжения (уменьшают коэффициент скольжения s за счёт снижения напряжения, что косвенно снижает скорость).
• Приложение: Применимо только для «фазы запуска» или «кратковременного снижения скорости с низкой точностью» (например, регулирования скорости конвейерных лент при небольшой нагрузке). Невозможно обеспечить плавное регулирование скорости в широком диапазоне (слишком низкое напряжение приведет к перегреву двигателя).
• Преимущества: Более низкая стоимость, чем преобразователи частоты; полный набор функций защиты (перегрузка по току, перегрузка).
• Недостатки: Узкий диапазон регулирования скорости (обычно может быть снижен только до 70% от номинальной скорости); низкий коэффициент мощности на низких скоростях.

II. Регулирование скорости на основе «регулировки полюсной пары» (регулировка скорости с переменным числом полюсов)

• Принцип: Согласно формуле скорости асинхронного двигателя n = 60f(1-s)/pСинхронная скорость двигателя напрямую изменяется путём изменения числа пар полюсов p статорной обмотки двигателя (например, 2 полюса → 4 полюса). При частоте 50 Гц синхронная скорость двухполюсного двигателя составляет 3000 об/мин, а четырёхполюсного — 1500 об/мин.
• Метод реализации: Измените направление тока обмотки с помощью «коммутационного переключателя» (например, переключение «звезда-треугольник», переключение «двойная звезда») обмотки двигателя, тем самым изменив количество пар полюсов.
• Приложение: Применимо только к схемам ступенчатого регулирования скорости (например, для пробивных прессов, компрессоров, вентиляторов). Двигатель должен быть рассчитан на поддержку нескольких пар полюсов (например, двухскоростные двигатели с 2/4 или 4/6 полюсами).
• Преимущества: Простая конструкция, низкая стоимость, надежная работа и отсутствие потери эффективности при регулировании скорости.
• Недостатки: Возможно только регулирование скорости с «фиксированной передачей» (например, 2 передачи, 3 передачи); непрерывное и плавное регулирование скорости невозможно.

III. Регулирование скорости на основе «регулировки коэффициента скольжения» (сценарии с низкой точностью и малой мощностью)

1. Регулировка напряжения статора Регулировка скорости

• Принцип: Уменьшите напряжение статора U с помощью регулятора напряжения (например, автотрансформатора, тиристорной схемы регулирования напряжения), что уменьшает момент двигателя T (T пропорционален U²). При неизменном моменте нагрузки коэффициент скольжения s увеличивается, а фактическая скорость уменьшается.
• Преимущества: Простая схема и чрезвычайно низкая стоимость.
• Недостатки: Узкий диапазон регулирования скорости (можно добиться снижения скорости только на 10–30%); сильный нагрев двигателя на низких скоростях (большие потери мощности на скольжение) и недостаточный крутящий момент.

2. Регулирование скорости с помощью последовательного сопротивления ротора (применимо только к асинхронным двигателям с фазным ротором)

• Принцип: Обмотка ротора асинхронного двигателя с фазным ротором может быть подключена к внешнему резистору. Увеличение сопротивления цепи ротора R2 увеличивает коэффициент скольжения s (s пропорционально R2), тем самым снижая фактическую скорость (синхронная скорость остаётся неизменной, а увеличение скольжения приводит к снижению фактической скорости).
• Приложение: Подходит для кратковременного регулирования скорости или регулирования пусковой скорости (например, краны, лебёдки). Для ручной или автоматической регулировки сопротивления требуется использование роторного реостата.
• Преимущества: Простая конструкция, низкая стоимость и стабильный крутящий момент при регулировании скорости (большой пусковой крутящий момент).
• Недостатки: Большие потери сопротивления ротора на низких скоростях (электрическая энергия преобразуется в тепловую), низкий КПД и плохая точность регулирования скорости (ограниченное сопротивление передач).