交流異步電動機調速裝置發展淺析??

摘要：對比分析了交流異步電動機調速方式，對近期出現的高效調速方式及發展進行了重點闡述。

關鍵詞：異步電動機；調速；節能

1??? 引言

??? 交流異步電動機調速的研究始于20世紀60年代，已經取得了許多可喜的成果。近年來，電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的飛速發展，為交流調速技術的發展創造了有利條件,使交流電動機調速和控制提高到了一個新的水平。國內外都十分重視開發研究交流電動機的調速技術，目前在發達國家中，很多直流調速已經被交流調速所取代，從而避免了直流電動機換向困難、維修不便等缺點。世界上有60％左右的發電量是通過電動機消耗的。據統計，我國各類電動機的裝機容量已超過4億kW，其中異步電動機約占90％，拖動風機、水泵及壓縮機類機械的電動機約1.3億kW。在目前4億kW的電動機負載中，約有50％的負載是變動的，其中的30％可以使用電動機調速。因此，就目前的市場容量考慮，約有6000萬kW的調速電機市場。電動機只有在額定負載下運行效率才高，由于安全等方面的考慮，電動機常常處于低效運行狀態。因此，電機調速節能一直被廣泛關注。風機和泵類采用電動機調速裝置來代替閥門和擋板調節流量,有明顯節電效果。這是因為由交流電動機驅動的風機和泵類都是平方轉矩負載。它們的流量與轉速成正比、壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。即電機轉速降低1/2時，所需功率降至原來的1/8，由此可見調速節能的重要意義。

2??? 異步電動機調速方法

??? 電動機的轉速n與同步轉速n_o之間的關系為：

??? n=（1－s）n_o=(1－s)60f/p??? （1）

式中：s為電動機轉差率；

????? f為電網頻率；

????? p為極對數。

??? 式（1）說明，改變電動機的轉速有三種方法，就是改變轉差率s、改變頻率f、改變極對數p。由此產生了多種調速方法。目前幾種比較成熟的調速方法的主要特點、接線方式、輸出特性曲線、能量流圖等如表1所列。

??? 表1中和本文中的符號代表的意義如下：PW—電網提供的有功功率，P₁—定子輸入功率，ΔP₁—定子損耗功率（包括銅損和鐵損），P₂—轉子輸入功率，ΔP₂—轉子損耗功率（包括銅損和鐵損），P_S—轉差功率，ΔP_S—轉差功率變換過程中損耗的功率，P_B—逆變器反饋回電網的功率，ΔP_B—逆變器損耗功率，P_M—機械功率，ΔP_M—機械損耗功率（包括磨擦和其它附加損耗），P_SC—電機輸出的機械功率，P_TS—調速裝置輸入功率，ΔP_TS—調速裝置的損耗功率，P_ZC—轉差離合器輸入功率，ΔP_ZC—轉差離合器的損耗功率，P_TR—變壓器輸入功率，ΔP_TR—變壓器損耗功率，P_e—雙饋調速中超同步運行時扣除損耗之后的定子電磁功率。

表1??? 異步電動機調速方法性能綜合比較表

2.1??? 改變轉差率s的調速方法

??? 1）調定子電壓調速??? 異步電動機的轉矩（在一定轉差率下）與定子電壓的平方成正比。即M∝U²（M—電磁轉矩，U—定子電壓）。改變定子電壓就可以改變轉矩及機械性能，從而實現調速。該方法采用晶閘管“交流開關”調節定子電壓。其調速范圍較寬，簡單可靠，價格便宜，但低速時功率因數低、損耗大、效率低、發熱嚴重。輸出特性軟，不能承受重載。

??? 2）轉子串接電阻調速??? 轉子回路串接電阻可以改變轉子電流，從而改變其機械特性曲線，達到調速的目的。但其調速性能不好，機械特性軟，而且轉差功率以熱能的形式消耗在外接電阻上，效率太低。因此，漸漸被節能調速所取代。

??? 3）電磁轉差離合器調速??? 這種方法電機本身并不調速，而是通過改變與它相連的電磁離合器的勵磁電流來實現調速的。電磁轉差離合器控制筒單，運行可靠，調速精確、價格便宜，而且能平滑調速。但其機械特性中存在失控區，特性軟。低速時損耗大、效率低。

??? 4）串級調速??? 通過在轉子回路引入附加電勢的方法。調節附加電勢的大小，就可以調節電動機的轉矩和轉速。如圖1所示，通常轉子回路接有不可控的整流器，將轉子感應電勢經整流器變換成直流電勢，從轉子吸收轉差功率P_S。轉子側直流附加電勢由晶閘管逆變器產生（也有用直流電機等其它形式的）。逆變器所吸收的（扣除損耗的）轉差功率P_B經變壓器T反饋回電網。這種方法調速范圍寬、結構簡單、效率高、可靠性高。缺點是過載能力差（過載能力比原電動機降低17％），功率因數較低，諧波電流較大，還需專門的啟動設備。1984年研制出的斬波式逆變器串級調速方法，可以大大降低無功損耗、提高功率因數、減少高次諧波分量，從而提高了調速效率。

圖1??? 串級調速

??? 5）雙饋調速??? 也是采用在轉子回路引入附加電勢的方法。不同的是，它將能量分別饋入電動機的定子繞組和轉子繞組。定子繞組接入工頻電源，轉子繞組接到頻率、幅值、相位和相序都可以調節的獨立的交流變頻電源上。根據變頻電源頻率控制方法不同，雙饋調速分為自控式（圖3）和他控式（圖2）兩種。

圖2??? 他控式雙饋調速

圖3??? 自控式雙饋調速

??? 自控工作方式中，轉子側變頻電源的頻率是通過系統內的調節環節，根據電動機的運行狀態（由位置檢測器PS測出）自動控制的。該方式穩定性好，適用于軋鋼機之類的沖擊負荷。

??? 他控方式中，由專門的頻率給定裝置獨立地控制變頻器的輸出頻率。通常由獨立的頻率可調的低頻三相正弦信號發生器產生給定信號。每個控制信號的給定值，對應一個確定的轉速。

??? 改變轉子繞組電源的頻率、幅值和相位，就可以調節電動機的轉矩、轉速、和無功功率。雙饋調速不僅可以在低于同步轉速以下運轉，還可以在高于同步轉速以上運轉，具有優良的調速性能，過載能力大、轉動慣量小、效率要高于串級調速。它在很寬的調速范圍內都可以得到電動轉矩和制動轉矩。其突出優點就是在保證調速要求的同時，還可以獨立地調節電動機定子側的無功功率，使調速系統具有很高的功率因數。其功率轉換是采用交—交變頻器，直接進行能量交換，所以效率很高，是比較完善的調速裝置。適用于多種生產機械，發展前途非常廣闊。國外在20世紀80年代投入運行，我國上個世紀90年代開始應用。但它也存在諧波電流大的問題。

??? 6）斬波式內反饋調速這是我國獨有的，近十幾年才興起的新方法。它也是通過引入附加電勢改變轉差率的方法。它在串級調速的基礎上又有所突破，把著眼點放在調速主體——電動機上，在電動機定子槽中通過多層嵌套方式安裝了反饋調節繞組（這等于把逆變變壓器和電動機巧妙地結合在一起）。內反饋調速的實質在于將部分轉子功率P_S（轉差功率，見圖4），通過調速裝置反饋給電動機內部的調節繞組，反饋的功率越多，則軸輸出功率的就越少，電機轉速越低，即通過改變反饋的轉差功率的多少使電動機轉速得以連續調節。而調節繞組接受反饋功率則意味P1的減少，電能的節省。

圖4??? 斬波式內反饋調速裝置主電路原理圖

圖中：1KM、2KM、3KM—開關，L₁、L₂、L₃—電抗器，R—整流橋，

I—逆變橋，S—關斷橋，S_c—斬波晶閘管，R_f—啟動頻敏電阻，C—電容，

D—逆阻二極管，F—保險，Load—電動機負載。

??? 該方法是在常規串級調速的直流回路中，加入并聯型直流斬波器。利用它對轉子整流后的直流電流進行脈寬調制。控制斬波器的占空比就能調節直流側的短路電流，從而間接地控制了反饋給調節繞組的轉差功率，達到調速的目的。關斷橋S的作用是關斷斬波晶閘管S_c。逆阻二極管D、電感L₂和電容C起隔離緩沖作用。加入斬波器使逆變器的觸發角（β）不用調節，且固定在很小的角度，這樣既大大提高了功率因數，減少了諧波電流對電網的污染，提高了系統的可靠性，又使逆變器的容量小很多（逆變器的容量=0.148P₁）。因此，它具有結構簡單、效率高、成本低、諧波幅值低的優點。但它只能在同步轉速以下運行，而且不能利用原有的電動機，需購置專用的內反饋電動機（但卻省掉了昂貴的逆變變壓器）。在高電壓、大容量的水泵、風機用繞線電動機調速中，顯示出突出的優勢。

2.2??? 改變極對數p的調速方法

??? 通過改變定子繞組的接線來改變極對數，就改變了同步轉速。它可以獲得恒轉矩調速特性和恒功率調速特性。這種方法效率高，操作筒單、成本低廉，機械特性硬。為得到好的調速精度與穩定性，常用速度反饋的控制方式。缺點是有級調速。它和調壓調速結合起來形成“變極調壓調速”。可以大大改善低速運行性能，擴大調速范圍。

2.3??? 改變頻率f的調速方法

??? 變頻調速是用變頻電源改變電動機定子繞組的頻率，從而改變同步轉速來實現調速。這種方法具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能。規格系列齊全，可以滿足各種不同需求，因而被廣泛采用，是最具發展前途的理想調速方法。它可分為兩大類：

??? 1）交－直－交變頻調速電網中的交流電先被整流成直流電，再通過逆變器逆變為頻率可調的交流電。根據直流濾波方式不同，又分為電壓型（電容器濾波）和電流型（電感濾波）兩種。

??? 2）交－交變頻調速由于它只有一級功率變換，省去了直流環節，減少了損耗，進一步提高了效率。也因此結構復雜、額定工作頻率較低，造價較高。但它能夠提供比較逼近正弦的交流電流，可以四象限運行，常用于大容量的交流調速設備中（國外單臺變頻裝置容量已超過10MW）。變頻調速的不足之處是造價較高、結構復雜、低速時功率因數低、諧波較大。

3??? 調速性能分析

??? 通過半導體電力變流器對電動機的電壓、頻率、功率進行調節來實現調速，雖具有轉換效率高的優點，但也具有功率因數低、諧波電流大的缺點。所以，提高調速效率、提高功率因數、減少高次諧波、提高性能價格比始終是人們關注的重點。

3.1??? 調速效率

??? 圖5是異步電動機能量流圖。其中P₂和P_SC之間的功率差P_S，即轉差功率是上述幾種節能調速的著眼點。

圖5??? 異步電動機能量流圖

??? P_S=P₂－P_SC=Mn_o－Mn=M(n_o－n)=sP_2??? (2)

??? 轉差率調速系統的效率主要取決于P_S的利用情況。系統總效率η=P_SC/P_W。參考圖5，再比較表1中各種調速方式的能量流圖不難看出，轉子串電阻調速的效率最低，因為轉差功率P_S都損耗在電阻發熱上了。而且轉差率s越大，效率越低（因為，若忽略定子損耗，則η=P_SC/P_W≈P_SC/P₂=n/n_o=1－s）。串級調速、雙饋調速和斬波式內反饋調速的效率較高，是因為其轉子功率P₂中都含有反饋功率，其中斬波式內反饋調速的效率最高，因為它少了一項逆變變壓器損耗ΔP_TR。其效率可達90％以上，見圖6。

圖6??? 效率曲線η=f(s)

3.2??? 調速范圍

??? 電動機調速范圍D=最高轉數/最低轉數。變頻調速、定子調壓調速和電磁轉差離合器調速的調速范圍較大(D=10)，其次是雙饋調速。其它各種調速方法的調速范圍都較小。但調速范圍的選擇要根據電動機運行工況來確定。

3.3??? 高次諧波

??? 在變頻調速和采用轉子回路引入附加電勢的3種調速方法中都使用功率器件變換器。電動機轉子側接有整流器和逆變器，因而電流波形發生畸變，畸變電流中含有高次諧波分量。這不但降低了功率因數，也增大了噪聲和發熱損耗、產生干擾、污染電網。諧波還會引起電動機機械脈振現象。因此,抑制和消除諧波也是此類調速的重要課題,采用并聯斬波技術就是一種有效抑制諧波的方法。

4??? 結語

??? 變頻調速適用范圍廣泛，在多臺電動機同頻拖動，或者調速范圍大的低速大容量拖動系統中發揮著不可替代的作用。其調速范圍廣(100％～0％)，調速精度高(±0.5％)，節電效果好(多數為25％～50％)，性能是其它各種交流調速技術所不能比擬的。但變頻器的價格較高(一般為1000～1300元/kW，大容量、高精度調速還要高些)。

??? 變極調速用于小容量、非平滑調速場合，需要增加的投資少（平均50元/kW），節電30％左右。

??? 電磁轉差離合器調速適用于要求有一定調速范圍，又經常用于高速的場合。容量在0.55～630kW范圍內，它的初始投資不高(比普通籠型電動機約高220元/kW)。

??? 定子調壓調速適用于小容量的短時與重復短時作深調速運行的負載。

??? 雙饋調速目前多用于超同步、高速運行的電動機或對傳動的動、靜態特性要求高的場合。

??? 串級調速和斬波式內反饋調速在高電壓、大中容量的平方轉矩負載調速中應用較廣（調速范圍D≤2）。它們的節電率比變頻調速稍低，價格也低于變頻調速（串級調速大于1000元/kW、斬波式內反饋調速小于1000元/kW）。

??? 隨著新的控制理論(如矢量變換控制)和計算機技術的發展，更高性能的新型電動機調速系統必將不斷涌現出來。新世紀的電動機調速技術將向著高效率、高性能、高精度、智能化、綠色化的方向發展。