交流異步電動機調速裝置發展淺析

車存仁

(阜新晶體管有限責任公司，遼寧 阜新 123000）

    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 no之 間 的 關 系 為 ：
    n=（ 1－ s） no=(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 ， Δ P1— 定 子 損 耗 功 率 （ 包 括 銅 損 和 鐵 損 ） ， P2— 轉 子 輸 入 功 率 ， Δ P2— 轉 子 損 耗 功 率 （ 包 括 銅 損 和 鐵 損 ） ， PS— 轉 差 功 率 ， Δ PS— 轉 差 功 率 變 換 過 程 中 損 耗 的 功 率 ， PB— 逆 變 器 反 饋 回 電 網 的 功 率 ， Δ PB— 逆 變 器 損 耗 功 率 ， PM— 機 械 功 率 ， Δ PM— 機械 損 耗 功 率 （ 包 括 磨 擦 和 其 它 附 加 損 耗 ） ， PSC— 電 機 輸 出 的 機 械 功 率 ， PTS— 調 速 裝 置 輸 入 功 率 ， Δ PTS— 調 速 裝 置 的 損 耗 功 率 ， PZC— 轉 差 離 合 器 輸 入 功 率 ， Δ PZC— 轉 差 離 合 器 的 損 耗 功 率 ， PTR— 變 壓 器 輸 入 功 率 ， Δ PTR— 變 壓 器 損 耗 功 率 ， Pe— 雙 饋 調 速 中 超 同 步 運 行 時 扣 除 損 耗 之 后 的 定 子 電 磁 功 率 。

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 PS。 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 PB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 。
    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 。

    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 PS（ 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 。

    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 Sc。 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 10 MW） 。 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 PSC之 間 的 功 率 差 PS， 即 轉 差 功 率 是 上 述 幾 種 節 能 調 速 的 著 眼 點 。

    轉 差 率 調 速 系 統 的 效 率 主 要 取 決 于 PS的 利 用 情 況 。 系 統 總 效 率 η =PSC/PW。 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 PS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 =PSC/PW≈ PSC/P2=n/no=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 Δ PTR。 其 效 率 可 達 90％ 以 上 ， 見 圖 6。

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 1 000～ 1 300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～ 630 kW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 。

參 考 文 獻

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