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1、交流异步电动机调速装置发展浅析交流异步电动机调速装置发展浅析摘要：对比分析了交流异步电动机调速方式，对近期出现的高效调速方式及发展进行了重点阐述。关键词：异步电动机:调速：节能1 引言交流异步电动机调速的研究始于20世纪60年代，已经取得了许多可喜的成果。近年来，电力电r技术、大规模集囱通和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造r有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平。国内外都十分重视开发研究交潦电动机的调速技术，目前在发达国家中，很多直流调速已经被交流谢速所取代，从而避免了直流电动机换向困难、维僮不便等缺点。世界上有60%左右的发电员是通过电动机消耗的。据统计，我国各类
2、电动机的装机容员已超过4亿kM其中异步电动机约占90%,拖动风机、水泵及压缩机类扭械的电动机约1.3亿k1.在目前4亿kN的电动机负载中，约有50%的负载是变动的，其中的30%可以使用电动机调速“因此，就目前的市场容量考虑，约有6000万k的调速电机市场.电动机只有在额定负载下运行效率才高，由于安全等方面的考虑，电动机常常处于低效运行状态。因此，电机调速节能一直被广泛关注。风机和泵类采用电动机调速装置来代替阀门和挡板调节流量,有明显节电效果。这是因为由交流电动机驱动的风机和泵类都是平方转矩负载。它们的流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比.即电机转速降低2时，所需功率
3、降至原来的1/8,由此可见调速节能的重要意义.2 异步电动机调速方法电动机的转速与同步转速仄之间的关系为：11=（15）氏=（I-S）60/7P（1）式中：S为电动机转差率；/.为电网频率：0为极对数.式（1）说明，改变电动机的转速有三种方法，就是改变转差率s、改变频率八改变极对数以由此产生J多种调速方法。日前几种比较成熟的调速方法的主要特点、接线方式、输出特性曲线、能量流图等如表1所列。表1中和本文中的符号代表的意义如下：RW电网提供的有功功率，力一定子输入功率，AR一定子损耗功率（包括铜损和铁损），月一转子输入功率，一转子损耗功率（包括铜损和铁损），R一转差功率，月一转差功率变换过程中损耗
4、的功率，耳一逆变器反馈回电网的功率，AR一逆变器损耗功率，R-机械功率，A月一机械损耗功率（包括磨擦和其它附加损耗），丹一电机输出的机械功率，调速装置输入功率，AA调速装置的损耗功率，凡一转差离介器输入功率，A七一转差离合罂的损耗功率，以一变乐器输入功率,A七一变版器损耗功率，月一双馈调速中超同步运行时扣除损耗之后的定子电窿功率。表1异步电动机调速方法性能统合比较表2.1 改变转差率S的调速方法D调定子电压调速异步电动机的转矩（在一定转差率卜D与定子电压的平方成正比。即止?（,V-电磁转矩，-定子电压）。改变定子电压就可以改变转矩及机械性能,从而实现调速。该方法采用品同望“交流开关”调节定子电
5、压。其调速范围较宽，简单可靠，价格便宜，但低速时功率因数低、损耗大、效率低、发热严亚。输出特性软，不能承受垂我。2）转子申接电阻调速调速的H的。但其调速性能不好,此，渐渐被节能调速所取代。转子回路串接电阻可以改变转子生筮，从而改变其机械特性曲线，达到机械特性软，而且转差功率以热能的形式消耗在外接电阻上，效率太低。因3）电磁转差离合器调速这种方法电机本身并不调速，而是通过改变与它相连的电磁离合器的励磁电流来实现调速的。电磁转差离合器控制筒堆，运行可靠，调速精确、价格便宜，而且能平滑调速。但其机械特性中存在失控区，特性软。低速时损耗大、效率低。4）串级调速通过在转子回路引入附加电势的方法。调节附加
6、电势的大小，就可以调节电动机的转矩和转速。如图1所示，通常转了回路接有不可控的整流器，将转了感应电势经整流器变换成直流电势.从转子吸收转差功率A-转子侧直流附加电势由晶闸管逆变器产生（也有用直流电机等其它形式的）逆变器所吸收的（扣除损耗的）转差功率片经变压器T反馈回电网。这种方法调速范围宽、结构简单、效率高、可靠性海。缺点是过我能力差（过我能力比原电动机降低17%）,功率因数较低，谐波电流较大，还需专门的启动设符。1984年研制出的斩波式逆变胧吊级调速方法，可以大大降低无功损耗、提高功率因数、减少高次谐波分量，从而提高J调速效率。图1串级调速5）双馈调速也是采用在转子回路引入附加电势的方法.不
7、同的是，它将能量分别馈入电动机的定子绕组和转子绕组。定子绕组接入工频电遮，转子绕组接到筑率、幅ffi、相位和相序都可以调节的独立的交流变频电源上。根据变频电源频率控制方法不同，双馈调速分为自控式（图3）和他控式（图2）两种。图2他控式双馈调速图3自控式双馈调速自控工作方式中，转子侧变频电源的频率是通过系统内的调节环节，根据电动机的运行状态（由位置检测器PS测出）臼动控制的。该方式稳定性好，适用于轧钢机之类的冲击负荷。他控方式中，由专门的频率给定装置独立地控制变频器的输出嫌率.通常由独立的频率可调的低频相正弦值般发生器产生给定信号。每个控制信号的给定值,对应个确定的转速。改变转子绕组电源的频率、
8、幅值和相位，就可以调节电动机的转矩、转速、和无功功率。双馈调速不仅可以在低于同步转速以下运转，还可以在高于同步转速以上运转，具石优良的调速性能，过我能力大、转动惯量小、效率要高丁出级调速.，它在很宽的调速范围内部可以得到电动转矩和制动转矩.其突出优点就是在保证调速要求的同时，还可以独立地调节电动机定子侧的无功功率，使调速系统具有很尚的功率因数。其功率转换是采用交一交变魏黑，直接进行能量交换，所以效率很高，是比较完善的调速装置。适用于多种生产机械，发展前途非常广阔。国外在20世纪80年代投入运行，我国上个世纪90年代开始应用。但它也存在谐波电流大的问题，6）斩波式内反馈调速这是我国独有的，近十几
9、年才兴起的新方法。它也是通过引入附加电势改变转差率的方法。它在小级调速的基础上乂有所突破，把着眼点放在调速主体电动机上,在电动机定了槽中通过多U嵌套方式安装J反馈调节绕组（这等于把逆变变压器和电动机巧妙地结合在一起）。内反馈调速的实质在于将部分转子功率K（转差功率，见图4）,通过调速装置反馈给电动机内部的调节绕组，反馈的功率越多，则轴输出功率的就越少，电机转速越低，即通过改变反馈的转差功率的多少使电动机转速得以连续调节。而调节绕组接受反馈功率则意味P1.的减少，电能的节省。图4折波式内反饿调速装附主电路原理图图中：1KM、2KM.3KM一开关，、0、Z1.-电抗器，R一整流桥,I一逆变桥，S一
10、大断桥，S,一斩波晶闸管，花一启动频敏虫闻，电容,D一逆阻二极管,F保险，1.o能一电动机负载。该方法是在常规串级调速的直流回路中，加入并联型直潦斩波器。利用它对转子整潦后的直潦电流进行脉宽调制。控制斩波器的占空比就能调节直流侧的短路电流，从而间接地控制了反馈给调节绕组的转差功率,达到调速的目的。关断桥S的作用是关断斩波晶闸管S,。逆阻二极管D、电感乙和电容C起隔离级冲作用加入斩波器使逆变器的触发角（B）不用调节，且固定在很小的角度，这样既大大提高J功率因数，减少了谐波电流对电网的污染，提而了系统的可靠性，又使逆变器的容量小很多（逆变器的容趾=0.148/1）。因此，它具有结构简雌、效率高、成
11、本低、谐波幅值低的优点。但它只能在同步转速以卜运行，而且不能利用原有的电动机,需购置专用的内反馈电动机（但却省掉了昂班的逆变变压器）。在高电压、大容员的水泵、风机用绕线电动机调速中，显示出突出的优势。2.2 改变极对数。的调速方法通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。这种方法效率高，操作简单、成本低廉，机械特性硬.为得到好的调速精度与稳定性，常用速度反馈的控制方式。缺点是有级调速“它和调压调速结合起来形成“变极调压调速”.可以大大改善低速运行性能，扩大调速范围。2.3 改变频率r的调速方法变频调速是用变频电源改变电动机定子绕组的频率,从
12、而改变同步转速来实现调速。这种方法具有高效率、究范围和高精度的调速性能。规格系列齐全，可以满足各种不同需求，因而被广泛采用，是最具发展前途的理想调速方法。它可分为两大类：1）交一直一交变频调速电网中的交流电先被整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。根据直流灌波方式不同，又分为电压型（电容器滤波）和电流型（电感灌波）两种.2）交一交变频调速由丁它只有一级功率变换，省去f直潦环节，减少/损耗，进一步提高了效率.也因此结构夏杂、额定工作频率较低，造价较育.但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，常用于大容量的交流调速设备中（国外单台变频装巴容量已超过10阳）.变频调速的不足之
13、处是造价较高、结构复杂、低速时功率因数低、谐波较大。3 调速性能分析通过半导体电力变流器对电动机的电压、频率、功率进行调节来实现调速，虽具有转换效率高的优点，但也具有功率因数低、谐波电流大的缺点。所以，提调速效率、提裔功率因数、减少高次谐波、提高性能价格比始终是人们关注的重点。4 .1调速效率图5是异步电动机能量流图。其中2和4之间的功率差N，即转差功率是上述几种节能调速的着眼点。图5异步电动机能量流图E=E一只口-松口一.M1.S一力=s2（2）转差率调速系统的效率主要取决于A的利用情况。系统总效率11=o参考图5.再比较表1中各种调速方式的能量流图不难看出，转子小电阻调速的效率最低，因为转
14、差功率K都损耗在电阳发热上广而且转差率S越大，效率越低（因为，若忽略定子损耗，则=I-S）。串级调速、双馈调速和斩波式内反馈调速的效率较高，是因为其转子功率月中都含有反馈功率，其中斩波式内反馈调速的效率最高，因为它少了项逆变变压器损耗A其效率可达90%以上，见图6。1 .2调速范围电动机调速范围上最高转数/最低转数.变频调速、定子调压调速和电磁转差离合器调速的调速范围较大（庐10）,其次是双循调速。其它各种调速方法的调速能囹都较小。但调速范围的选择要根据电动机运行工况来确定。3 .3i次谐波在变频调速和采用转子回路引入附加电势的3种调速方法中都使用功率器件变换器,电动机转子侧接有整流器和逆变器
15、，因而电流波形发生畸变，畸变电流中含有高次谐波分故。这不但降低了功率因数，也增大了噪声和发热损耗、产生干扰、污染电网。谐波还会引起电动机机械脉振现象。因此,抑制和消除谐波也是此类调速的重要课题,采用并联斩波技术就是种有效抑制谐波的方法。4 结语变频调速适用范用广泛，在多台电动机同频拖动，或者调速范圉大的低速大容量拖动系统中发挥着不可替代的作用。其谓速范围广（Io0%0%）,调速精度高（05%）,节电效果好（多数为25%50%）,性能是其它各种交流调速技术所不能比拟的。但变频器的价格较高（股为100O1300元kW,大容量、高精度调速还要高些）。变极调速用于小容量、非平滑调速场合，需要增加的投资
16、少（平均50元/kD,节电30%左右。电磁转差离合器调速适用于要求有一定调速范围，又经常用于高速的场合。容量在0.55630kW范围内,它的初始投资不高（比普通笼型电动机约高220元/kW）。定子调压调速适用于小容量的短时与重复短时作深调速运行的负载。双馈调速目前多用于超同步、高速运行的电动机或对传动的动、静态特性要求高的场合。事级调速和斩波式内反馈调速在高电压、大中容量的平方转矩负载调速中应用较广（调速范围W2）。它们的节电率比变频调速稍低，价格也低于变频调速（串级调速大于】Ooo元/kk斩波式内反馈调速小于1000元/WO.随着新的控制理论（如矢量变换控制）和计算机技术的发展，更高性能的新型电
