电气调速是指在同一负载下，改变电动机电气参数得到不同转速的方法。根据三相异步电动机转速公式：n=60f1(1-s)/p（f1—电源频率，s—转差率，p—电动机磁极对数）可知，三相异步电动机调速方法有变极调速、变差调速和变频调速三种。

　　所谓变极调速是指通过改变电动机磁极对数p对电动机调速的方法。单绕组双速电动机就是根据变极调速原理设计的可调速电动机。
　　1）双速电动机变极调速接线
　　图1是一台4/2磁极单绕组双速异步电动机定子绕组的变极调速示意图。电动机低速运转时，定子绕组的U1、V1、W1接线端接三相交流电源，而U2、V2、W2接线端不接，此时电动机定子绕组连接成三角形。该连接方式磁极对数p=2，所以转子同步转速：

图1 双速电动机定子绕组变极调速接线
a)三角形连接  b)双星形连接  

　　　　　　　　　　n=60f1(1-s)/p=60×50×（1-0）/2=1500r/min。
　　若电动机高速运转时，只需将电动机定子绕组的U2、V2、W2接线端接三相交流电源，而将U1、V1、W1接线端相互连接，此时电动机定子绕组接成双星形，磁极对数变为p=1，所以转子同步转速变换成3000r/min。
　　为保证单绕组双速异步电动机变极调速时转向不变，必须将三相电源线中的任意两相换接。
　　2）双速电动机变极调速线路
　　图2是用于小功率双速电动机的三角双星形变极调速控制线路。主电路中当KM1主触头闭合、KM2和KM3主触点断开，构成三角形接线；而当KM2主触头和KM3主触点闭合、KM1主触头断开，构成双星形连接。

图2 小功率双速电动机变极调速控制线路
a)主电路  b)控制线路  

　　控制线路中当按下SB2，KM1线圈通电，并通过KM1常开辅助触头自锁；KM2线圈和KM3线圈则断电，主电路中定子绕组接成三角形，电动机低速运转。
　　调速时，按下SB3，KM1线圈断电，并解除自锁，KM2线圈和KM3线圈则通电，并通过KM2常开辅助触头和KM3常开辅助触头自锁，主电路中定子绕组变换为双星形连接，电动机高速运转，完成变极调速。

图3 大功率双速电动机变极调速控制线路
a)主电路  b)控制线路

　　图3是用于大功率双速电动机的三角双星形变极调速控制线路。当SA由“停”位置拔到“低速”位置时，KM1线圈通电，主电路中定子绕组接成三角形，电动机低速运转。                                             

　　当SA由“停”位置，拔到“高速位置时”，而KT线圈通电，通过控制线路中的KT常开辅助触头的闭合使KM1线圈通电，主电路中KM1主触头闭合，电动机首先进行低速运转。
　　经过一段延时后，KM2线圈因所在支路中的KT常开延时闭合辅助触头的闭合而通电，KM3线圈随之通电，而KM1线圈因上方的KT常闭延时断开辅助触头的断开而断电，导致主电路中KM1主触头断开、KM2主触头和KM3主触头闭合，定子绕组换接成双星形连接，电动机高速运转，完成变极调速过程。

　　通过改变电动机的某些参数（例如定子电压、转子电阻、转差电压等）使转差率s改变，从而实现电动机调速的方法称为变差调速。
　　1）串电阻变差调速
　　图4是绕线转子三相异步电动机转子回路串电阻变差调速的控制线路。按下SB2，KM1线圈通电，并通过KM1常开辅助触头自锁，此时由于KM2线圈、KM3线圈、KM4线圈均处于断电状态。

图4  绕线转子串电阻变差调速控制线路
a)主电路  b)控制线路

　　主回路中KM1主触头闭合，KM2、KM3、KM4等主触头均断开，三相转子绕组中都串接了电阻R1、R2和R3。由于转子绕组中串接电阻值最大，电动机以最低速运转。
　　之后当按下SB3，KM2线圈通电，并通过KM2常开辅助触头自锁。主电路中三相转子绕组中因短接，串接电阻减去了R1，使电动机转速调高一档。
　　当按下SB4，KM3线圈通电，通过KM3常开辅助触头自锁，并通过KM2线圈所在支路的KM3常闭辅助触头的断开而使KM2线圈断电。主电路中KM2主触头断开，KM3主触头闭合，三相转子绕组中串接电阻又减去了R2，电动机转速又被调高一档。
　　同理，按下SB5时，主电路KM4主触头闭合，三相转子绕组中已无任何串接电阻，电动机以最高转速运转。
　　2）电磁变差调速
　　图5是电磁调速异步电动机变差调速控制线路。由三相异步电动机、电磁转差离合器和控制装置三部分组成。
　　当异步电动机带动电磁离合器的主动部件电枢1旋转，并在磁极2的励磁绕组中通往直流电后。旋转中的电枢因切割磁场在电枢上形成涡流，并与磁场作用产生转矩，使电磁离合器的从动部件跟随旋转，其转速低于电枢转速。
　　磁极与电枢之间存在转差，才能产生涡流和电磁转矩。VC是晶闸管可控整流电源，其作用是将交流电变换为直流电，供给电磁转差离合器的转子绕组，电流大小则通过变阻器调节。该调速系统中输出转速：
　　　　　　　　　　n2 = n1-KT2/I4

图5 电磁变差调速异步电动机控制线路
1-电枢  2-磁极  3-滑环  4-电刷  5-负载  6-测速发电机

　　式中，n2—输出转速；n1—异步电动机转速；K—几何系数；T—输出转矩；I—励磁电流。

　　励磁电流I改变，输出转速n2随之改变；例如I越大，n2也越大，转差率s=（n1- n2）/ n1，也被调小，实现了变差调速。

　　变频调速是数控机床主轴速度控制常用方法，常用交直交变频器进行变频。
　　交直交变频器内部由整流调压电路、滤波电路及逆变器电路三部分组成，整流调压环节将电网的交流电整流成电压可调的直流电，经滤波后再将直流电供给逆变器，逆变器则将直流电变换调制为频率和幅值都可变的交流电。
　　图6是主轴变频器外围接线图。采用三相交流380V电源供电，速度指令通过电位器获得，在数控机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口经变频器的3、4输入接口输入，指令电压范围是直流0~10V。

图6 主轴变频器外围接线图

　　主轴电动机的起动、停止以及旋转方向由外部开关SB1、SB2控制，当SB1闭合时，电动机正转，当SB2闭合时电动机反转。若SB1和SB2同时断开或闭合，电动机则停转。根据实际需要也可以定义为SB1控制电动机的起动和停止，SB2控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。

　　电气保护环节用于保障长期工作条件下电气设备与操作人员的安全，是所有电气控制系统不可缺少的环节。常用的电气保护环节有短路保护、过电流保护、过载保护、电压保护、弱磁保护等。

　　电气控制线路中的电器或配线绝缘遭到损坏、负载短路、接线错误时，都将产生短路故障。短路时产生的瞬时故障电流是额定电流的十几至几十倍。电气设备或配电线路因短路电流产生的强大电动力可能损坏、产生电弧，甚至引起火灾。
　　短路保护要求在短路故障产生后的极短时间内切断电源，常用方法是在线路中串接熔断器或低压断路器。低压断路器动作电流整定为电动机起动电流的1.2倍。

　　过电流是指电动机或电器元件超过其额定电流的运行状态，过电流一般比短路电流小，在6倍额定电流以内。电气线路中发生过电流的可能性大于短路，特别是在电动机频繁起动和频繁正反转时。在过电流情况下，若能在达到最大允许温升之前电流值恢复正常，电器元件仍能正常工作，但是过电流造成的冲击电流会损坏电动机，所产生的瞬时电磁大转矩会损坏机械传动部件，因此要及时切断电源。
　　过电流保护常用过电流继电器实现。将过电流继电器线圈串接在被保护线路中，当电流达到其整定值，过电流继电器动作，其常闭触头串接在接触器线圈所在的支路中，使接触器线圈断电，再通过主电路中接触器的主触头断开，使电动机电源及时切断。

　　过载是指电动机运行电流超过其额定电流但小于1.5倍额定电流的运行状态，此运行状态在过电流运行状态范围内。若电动机长期过载运行，其绕组温升将超过允许值而绝缘老化或损坏。过载保护要求不受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，通常采用热继电器作过载保护元件。
　　当6倍以上额定电流通过热继电器时，需经5s后才动作，可能在热继电器动作前，热继电器的加热元件已烧坏，所以在使用热继电器作过载保护时，必须同时装有熔断器或低压断路器等短路保护装置。
　　电动机缺相保护可选用带断相保护的热继电器实现过载与缺相双重保护。

　　电动机应在额定电压下工作，电压过高、过低甚至因故障断电，都可能造成设备或人身事故，所以应根据要求设置失压保护、过电压保护和欠电压保护等环节
　　1）失压保护
　　电动机正常运转时如因为电源电压突然消失，电动机将停转。一旦电源电压恢复正常，有可能自行起动，从而造成机械设备损坏，甚至造成人身事故。失压保护是为防止电压恢复时电动机自行起动或电器元件自行投入工作而设置的保护环节。
　　采用接触器和按钮控制的起动、停止控制线路就具有失压保护作用。因为当电源电压突然消失时，接触器线圈就会断电而自动释放，从而切断电动机电源。当电源电压恢复时，由于接触器自锁触头已断开，所以不会自行起动。
　　但在采用不能自动复位的手动开关、行程开关控制接触器的线路中，就需采用专门的零电压继电器，一旦断电，零电压继电器释放，其自锁电路断开，电源恢复时，就不会自行起动。
　　2）欠电压保护
　　当电源电压降至60%~80%额定电压时，将电动机电源切断而停止工作的环节称为欠电压保护环节。除了采用接触器有按钮控制方式本身的欠电压保护作用外，还可采用欠电压继电器进行欠电压保护。
　　将欠电压继电器的吸合电压整定为0.8~0.85UN、释放电压整定为0.5~0.7 UN。欠电压继电器跨接在电源上，其常开触头串接在接触器线圈电路中，当电源电压低于释放值时，欠电压继电器动作使接触器释放，接触器主触头断开电动机电源实现欠电压保护。
　　3）过电压保护
　　电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等，在通断时会产生较高感应电动势造成电磁线圈击穿而损坏。过电压保护通常是在电磁线圈两端并联一个电阻、电阻串电容或二极管串电阻，以形成一个放电回路，实现过电压保护。

　　直流电动机在一定磁场强度下才能起动，如果磁场过弱，电动机起动电流就会很大。当直流电动机运行过程中磁场突然减弱或消失，其转速就会迅速升高，甚至发生“飞车”，因此需采用弱磁保护。
弱磁保护是通过电动机励磁回路中串接欠电流继电器，一旦励磁电流消失或降低过多，欠电流继电器释放，其触头切断接触器线圈，使主电路中的电动机电源切断而停转。

　　机电设备运行速度超过规定允许速度时，将造成设备损坏或人身事故，所以应设置超速保护装置控制电动机转速或及时切断电动机电源。
　　下表列出了常用电气保护环节保护内容及采用的保护元器件。

常用电气保护环节表

　　图2-27的电气控制线路中集中体现了常用的保护环节。其中起保护作用的各元件分别为：短路保护—熔断器FU1、FU2；过载保护—热继电器FR；过电流保护—过电流断电器KI1、KI2；零电压保护—中间继电器KA；欠电压保护—欠电压继电器KV；联锁保护—KM1、KM2互锁。
　　实际应用时不会采用全部保护区环节，但短路保护、过载保护、零电压保护是不可缺少的环节。

三、工作任务

　　叙述调速与控制保护环节的控制逻辑、完成调速与控制保护环节的接线与调试（选作）、设计调速与控制保护环节接线与调试实验方
案（选作）
　　资讯：叙述调速与控制保护环节的控制逻辑
　　决策：选择具体的调速或控制保护环节线路（选作）
　　计划：设计调速或控制保护环节接线与调试实验方案（选作） 实施：实验室完成调速或控制保护环节接线与调试（选作）
　　检查：通电前仔细检查接线的正确性（选作）
　　评估：教师分组评估（选作）