在变频器发明以前,电机是怎么进行调速的?

在变频器尚未发明之前，基本上是直流电机调速系统的天下，如果上个世纪60年代以前，晶闸管都没有诞生的时候，还是通过发电机来带动直流电机进行调速的，调整发电机励磁电流就可以控制发电机的输出电压，从而控制直流电机的转速。这些方法虽然在现代看来显得笨重，但在当时却是非常有效且成熟的技术。

一、直流电机调速系统

直流电机调速系统在变频器发明前占据了主导地位，尤其是在需要精确调速和位置控制的场合，如阿波罗登月计划中使用的直流伺服系统。这里说到的直流电机，当然说的是有刷直流电机，因为电机的磁场和电枢线圈是分开独立控制的，而且正交90°，并没有耦合问题，当励磁电流保持恒定的时候，定子励磁绕组磁链是不变的。



直流电机的调速原理基于调整电枢电流来控制电机的转矩和转速。

直流电机的转速公式为：



其中，

U是电枢电压，I是电枢电流，R是电枢内阻，K是常数，φ是励磁磁通。

由于直流电机的内阻非常小，转速几乎与电枢电压成正比关系。因此，通过调整发电机的励磁电流来改变输出电压，可以实现对直流电机的调速。这种方法虽然笨重，但调速范围宽、扭矩大且稳定可靠。



后来可控硅等器件发明出来了，通过全控桥或者半控桥，直接可以让交流电变成可控的直流电，电压大小可以任意快速可调，这样用来控制控制直流电机的电枢电压大小，从而改变电机的转速。



控制理论发展起来后，还对直流电机使用了串级系统来调速，也就是速度环在外边，速度偏差作为电流环的给定，电流环做为内环，两个环都使用PID调节器来完成控制，响应快，精度高，扭力大，调速范围宽。



除了恒扭矩调速外，还可以通过减少励磁电流来降低励磁磁通的方法来让直流电机运行在恒功率区域，这样扭矩是随着转速的增加而减少，功率不变，但是可以扩宽调速范围。

实际上，今天的变频器调速的矢量控制模式，就是模仿直流电机的调速方法来进行的，而且效果还没有直流调速系统的理想。

二、变极调速

异步电机除了变频调速外，还可以通过改变极对数的方法来实现变速。

例如，四极电机的转速为1500转/分钟，而八极电机的转速则为750转/分钟。这种调速方式通常称为双速电机，虽然只有两个转速段，但扭矩大且稳定，适用于一些只需要两段速的场合，如混料系统。

异步电机的转速公式为：

n=60f/p

其中，f是频率，p是极对数。



三、滑差调速

滑差调速通过电机和负载之间的“滑差头”来实现调速。滑差头可以理解为电磁离合器，通过控制磁场电流的大小来调整磁粉的黏连程度，从而控制负载的速度。这种方法虽然效率低下，但在低速时扭矩表现优异。

滑差调速的原理是利用电磁效应形成阻力，通过调节磁场电流来控制速度差，从而改变负载的速度。



因为是打滑的，所以肯定会摩擦发热，这样一部分电能会白白浪费，调速的效率低下。当然也有它的优点，它可以做成速度闭环控制，低速时候扭矩比变频器调速还要理想。

这些调速方法在变频器发明前为电机的应用提供了可靠的解决方案，虽然现代变频器调速系统在性能和维护方面更具优势，但这些传统方法在特定场合仍然具有重要的应用价值。

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