可调速驱动器
可调速驱动器（Adjustable speed drive）简称ASD，也称为变速驱动器（Variable speed drive），简称VSD，是指可以调整机械速度的设备。许多工业设备（例如组装线）会针对不同的应用，运作在不同的速度。若制程条件需要调整泵或是风扇产生的流体流动，在许多控制流体流量的应用中，可以透过调整设备速度来节省能源。
若设备的速度可以从几个事先规划好的速度（例如高速、中速、低速）中选择一个，此驱动器称为是“可调速”（adjustable speed）。若设备速度可以在一定范围内自由调整，即可以称为“变速”（variable speed）。
可调速驱动器及变速驱动器可能是纯机械、机电、液压及电子的。
电动机
[编辑]交流电动机若以交流电源驱动运转，可以根据其定子极数及交流电源频率，会在固定的转速下运转。交流马达可以运作在“换极”的运作方式，重新调整定子绕组的方式，以调整定子的极数，可以得到二种或是三种的速度。例如一个八极电动机的机器，可以透过调整接线的方式，而是以4极或8极运作运转，假设工频为60Hz，对应的转速为1800RPM及900RPM。若不常需要有速度的变动，电动机可能一开始接线为某一种转速的模式，若制程条件变化，可以重新接线，或是透过电磁接触器在两个速度之间切换。要在超过三个速度之间切换就没有经济价值了。
可设定定速运转的速度组数随着极数增加而增加，因此也会受到成本的限制。若需要速度组数太多，或是需要无段变速，就需要其他的方法了。
直流马达可以调整串接场电流来调整速度，另一种调整直流马达速度的方式是改变电枢上的电压。
可调速驱动器可以用电动机以及调整电动机转速的控制器组成。若是定速电动机配合一个可以调整机械转速的机构，也可以称为可调速驱动器（电动机速度固定，但驱动负载的速度可变）。随着电力电子学技术的进步，许多传统的可调速驱动器技术已经被变频器（variable frequency drives）取代。
使用可调速驱动器的原因
[编辑]使用可调速驱动器的原因，主要会是为了过程控制及节约能源。一开始使用可调速驱动器的目的是为了过程控制，但后来节约能源成为同样重要的主题。
避免反复启动停止
[编辑]相较于传统定速运作模式，可调速控制器可以提供比下更平顺的运作。以污水抽水站为例，污水会因重力经由管路流到最下方的湿井中，接下来会将污水抽到处理制程中，若是用定速泵，会在湿井污水高过某一水位时开始抽水，低到某一水位后停止抽水。反复的开关泵浦会有在启动电动机时出现突波电流，在电动机及功率控制设备上会有电磁应力及热应力，泵浦及管路会有机械及液压应力，污水处理设备需要处理开关泵浦产生的突波。若使用可调速的驱动器，泵浦可以在湿井水位上升时平顺地加速运行，让所抽的污水量可以符合污水处理制程所需，制程也可以平顺运作。
节省能源
[编辑]在工业电动机的应用中，主要的能源消耗是在风扇和泵浦上。若定速风扇和泵浦要应用在变动制程的负载上时，需设法调整其流量，最简单变动流量的方式是在风扇的管路输出处增加挡板，或是在泵浦的管路输出处增加阀，增加其压力损失，因此降低其流量。不过增加的压力损失也就会形成能量的损失上。若可以用增加设备的方式，不让这些能量损耗，可能可以降低整体成本（电费及设备成本）。若是用可调速驱动器来驱动风扇或是泵浦，可以依需要调整速度，以避免额外的能源耗损。
若风扇是由定速电动机所驱动，在不加装挡板的情形下，其产生的风量是设计用在系统最大需求的条件下，可能会比当时需要的风量要大。风量可以用挡板来调整，但更有效率的作法是调整电动机的速度。根据流体机械相似定律，若风量为原来的50%，变速电动机的耗能会减为原来的20%，而定速电动机的耗能会是原来的85%。
可调速驱动器的种类
[编辑]有些原动机（例如内燃机、往复式蒸气机、蒸气涡轮发动机、水轮等），速度在一定范围可以连续无段变化（可能是透过燃料供给速率或是其他方式）。不过在很高或是很低的速度范围下，效率可能会不佳，而且可能会有些系统因素，使系统无法运作在非常低或是非常高的速度。
在电动机发明前，会用机械式的调速器来调整水轮或是蒸气机产生的机械功。当开始使用电动机后，也同时出现了许多调整电动机速度的设备。现今在工业驱动器市场上，机械驱动器、液压驱动器及电子驱动器是彼此竞争的产品。
机械可调速驱动器
[编辑]机械可调速驱动器有两种：变节径驱动器及牵引驱动器。
变节径驱动器（variable pitch drive）是皮带轮带动的驱动器，其中一个或是两个皮带轮的节径可以调整。
牵引驱动器（traction drive）是用金属辊子（roller）在另一个配合的金属辊子上转动来传递能量。可以用移动辊轮，改变接触路径上的辊子直径，来调整入及输出的速度比。已有许多不同的辊子外形及相关机构设计。
液压可调速驱动器
[编辑]液压可调速驱动器有三种：静液压传动器、动液压传动器以及液压粘性传动器。
静液压传动器（hydrostatic drive）属于变速器的一种，包括一个液压泵浦以及液压马达。其中使用了正排量泵浦及马达，泵浦及马达旋转一圈会对应一定量的流体，这是依排量决定的，和速度及转矩无关。速度的调节是透过阀来调整流体的流量，或是调整泵浦或马达的排量。目前已有使用许多不同款式的设计。斜盘传动器采用了轴向活塞泵及（或）马达，可以调整斜盘角度来调整排量以及速度。
动液压传动器（Hydrodynamic drive）也称为液力耦合器，利用油在定速输入轴上的叶轮以及变速输出轴的转子之间传递扭矩。汽车自动变速器中的液力变矩器就属于动液压传动器
液压粘性传动器（hydroviscous drive）有一个或是多个连接到输入轴的碟片，与其平行的是另外一个或多个连接在输出轴的碟片上，两组碟片之间有油膜，用以传递转矩。之传递的力矩和输入轴及输出轴之间油的压力成正比，一般会用液压缸来控制其压力。此作用可以用在离合器上，例如Hele-Shaw离合器，也可以用作变速驱动器，例如Beier变比例齿轮箱。
无段自动变速器
[编辑]机械或是油压的可调速驱动器若应用在车辆、农业机械等设备上，也常称为变速器或无段自动变速器（CVT）。
电子可调速驱动器
[编辑]控制方式
[编辑]控制可以是自动的，也可以是手动的。手动的可以用电位器或是线性霍尔效应感测器（抗尘抗油污效果较好），自动的则可以利用旋转编码器量测转速，进行自动控制。
驱动器种类
[编辑]电子可调速驱动器，会依电动机及控制方式的不同，分为三种：直流电动机驱动器、VS马达驱动器以及交流电动机驱动器。每一种又有许多较细的分类。电子驱动器会包括电动机以及速度控制单元（或系统）。不过一般在电子电机领域提到驱动器（drive），多半只考虑控制器，不包括电动机。在电动机技术发展初期，有使用电机机械的控制系统，后来的电子控制器是使用真空管进行设计。在固态电子元件普及之后，新的控制器设备也就加入了最新的电子控制技术。
直流驱动器
[编辑]直流驱动器是指配合直流电动机的速度控制系统。直流电动机的速度和电枢电压成正比，和电动机磁通（场电流的函数）成反比，因此用电枢电压或是场电流都可以控制速度。有许多不同种类的直流电动机，其控制方式也有不同。
VS马达驱动器
[编辑]VS马达驱动器也称为涡电流驱动器（eddy current drive），有时也会依其主要厂牌称为Dynamatic驱动器（Dynamatic drive），其中会有一个定速电动机（多半会是异步电动机）以及涡电流的离合器。离合器中有定速的转子，另一侧是可调速的转子，两者之间有小的气隙。场绕线上的直流电流会产生磁场，此磁场会决定定速转子传递给可调速转子的力矩大小。VS马达内部会在可调速转子加装交流的转速表，以回授转速资讯。控制器会根据转速资讯，调整离合器电流以进行闭回路的速度控制。
VS马达驱动器是滑差控制的系统，而且滑差能量会变成热而散失，理论上VS马达驱动器的效率不会比交流/交流转换器为基础的驱动器要好。电动机以全速运作，并且产生负载所需要的转矩。输出轴会传递相同大小的转矩，但其速度较慢。因为功率是转速和转矩的乘积，输入功率等于电动机转速乘以转矩，而输出功率等于驱动器输出转速乘以转矩，电动机转速和输出转速的差称为“滑差转速”。从离合器耗散的热等于滑差转速乘以转矩。目前变频器已在大部分的应用中取代了VS马达驱动器，不过在耦合大惯量，常需要启动停止的设备（例如冲压机、输送带、起重机械或是大型机床）还是常使用VS马达驱动器，这类设备可以渐进启动，而VS马达驱动器的维护，比机械式离合器或液压可调速驱动器要简单。
交流驱动器
[编辑]交流驱动器是指配合交流电机的速度控制系统。
滑差控制绕线转子异步电动机（WRIM）驱动器在转子上有滑环，可以控制电动机的滑差，控制方式包括将滑差能量再回灌到定子上，或是用调整转子外加电阻的方式调整转子电流。调整转子电阻的驱动器效率也不如交流/交流转换器为基础的WRIM驱动器，因此也不再流行，只在一些特殊的应用中才会使用。
滑差能量回收系统可以将能量回收到定子侧，转换滑差能量，回收到定子侧的电源。若是调整转子电阻的驱动器，这部分的能量就会变成热散失了。滑差能量回收的可调速驱动器用在大型的风扇、泵浦，风力发电机，船舶推进系统，大型液压泵浦或发电机，或是能量储存用的飞轮中。早期滑差能量回收系统会用电机机械的设备来进行交流/交流转换器转换（例如包括整流器、直流电动机以及交流发电机的系统），这称为克拉莫驱动器（Kramer drive），最近的系统用变频器（VFD），称为静态克拉莫驱动器（static Kramer drive）。
一般而言，最基本组态的变频器可以进行异步电动机或是同步电动机的速度控制，方式是调整提供给电动机电源的频率
红色：V/f曲线以及各频率下的功率
蓝色：各频率下的转矩
在一些低阶的变频器中，会用V/f控制来控制异步电动机，其主要原理是将交流电动机电压除以频率的比值维持在一定值，因此在运行频率范围之间就可以改变其频率，并且调整其功率。此运行范围一般是在电动机基频以下，电动机在基频运转时，其电压会是额定电压。若在超过基频以上的频率运转时，其电压会维持定值，因此电压除以频率的比值会随频率增加而减少，其输出功率不变，但转矩会减低。
回昇型交流驱动器也是交流驱动器的一种，在负载速度比马达速度快时，回昇型交流驱动器可以将能量回收到交流供电系统中。
在变频器条目中有列出许多不同种类交流电动机使用的电子速度控制技术。
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- Spitzer, David W. Variable Speed Drives. Instrument Society of America. 1990. ISBN 1-55617-242-7.
- Campbell, Sylvester J. Solid-State AC Motor Controls. New York: Marcel Dekker, Inc. 1987. ISBN 0-8247-7728-X.
- Jaeschke, Ralph L. Controlling Power Transmission Systems. Cleveland, OH: Penton/IPC. 1978.
- Siskind, Charles S. Electrical Control Systems in Industry. New York: McGraw-Hill, Inc. 1963. ISBN 0-07-057746-3.