交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置發(fā)展淺析??

摘要：對比分析了交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式，對近期出現(xiàn)的高效調(diào)速方式及發(fā)展進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速；節(jié)能

1??? 引言

??? 交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的研究始于20世紀(jì)60年代，已經(jīng)取得了許多可喜的成果。近年來，電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件,使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和控制提高到了一個(gè)新的水平。國內(nèi)外都十分重視開發(fā)研究交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)，目前在發(fā)達(dá)國家中，很多直流調(diào)速已經(jīng)被交流調(diào)速所取代，從而避免了直流電動(dòng)機(jī)換向困難、維修不便等缺點(diǎn)。世界上有60％左右的發(fā)電量是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國各類電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量已超過4億kW，其中異步電動(dòng)機(jī)約占90％，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵及壓縮機(jī)類機(jī)械的電動(dòng)機(jī)約1.3億kW。在目前4億kW的電動(dòng)機(jī)負(fù)載中，約有50％的負(fù)載是變動(dòng)的，其中的30％可以使用電動(dòng)機(jī)調(diào)速。因此，就目前的市場容量考慮，約有6000萬kW的調(diào)速電機(jī)市場。電動(dòng)機(jī)只有在額定負(fù)載下運(yùn)行效率才高，由于安全等方面的考慮，電動(dòng)機(jī)常常處于低效運(yùn)行狀態(tài)。因此，電機(jī)調(diào)速節(jié)能一直被廣泛關(guān)注。風(fēng)機(jī)和泵類采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置來代替閥門和擋板調(diào)節(jié)流量,有明顯節(jié)電效果。這是因?yàn)橛山涣麟妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和泵類都是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。它們的流量與轉(zhuǎn)速成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。即電機(jī)轉(zhuǎn)速降低1/2時(shí)，所需功率降至原來的1/8，由此可見調(diào)速節(jié)能的重要意義。

2??? 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法

??? 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n_o之間的關(guān)系為：

??? n=（1－s）n_o=(1－s)60f/p??? （1）

式中：s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

????? f為電網(wǎng)頻率；

????? p為極對數(shù)。

??? 式（1）說明，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法，就是改變轉(zhuǎn)差率s、改變頻率f、改變極對數(shù)p。由此產(chǎn)生了多種調(diào)速方法。目前幾種比較成熟的調(diào)速方法的主要特點(diǎn)、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(wǎng)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(zhuǎn)子輸入功率，ΔP₂—轉(zhuǎn)子損耗功率（包括銅損和鐵損），P_S—轉(zhuǎn)差功率，ΔP_S—轉(zhuǎn)差功率變換過程中損耗的功率，P_B—逆變器反饋回電網(wǎng)的功率，ΔP_B—逆變器損耗功率，P_M—機(jī)械功率，ΔP_M—機(jī)械損耗功率（包括磨擦和其它附加損耗），P_SC—電機(jī)輸出的機(jī)械功率，P_TS—調(diào)速裝置輸入功率，ΔP_TS—調(diào)速裝置的損耗功率，P_ZC—轉(zhuǎn)差離合器輸入功率，ΔP_ZC—轉(zhuǎn)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(diào)速中超同步運(yùn)行時(shí)扣除損耗之后的定子電磁功率。

表1??? 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法性能綜合比較表

2.1??? 改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方法

??? 1）調(diào)定子電壓調(diào)速??? 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（在一定轉(zhuǎn)差率下）與定子電壓的平方成正比。即M∝U²（M—電磁轉(zhuǎn)矩，U—定子電壓）。改變定子電壓就可以改變轉(zhuǎn)矩及機(jī)械性能，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。該方法采用晶閘管“交流開關(guān)”調(diào)節(jié)定子電壓。其調(diào)速范圍較寬，簡單可靠，價(jià)格便宜，但低速時(shí)功率因數(shù)低、損耗大、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重。輸出特性軟，不能承受重載。

??? 2）轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速??? 轉(zhuǎn)子回路串接電阻可以改變轉(zhuǎn)子電流，從而改變其機(jī)械特性曲線，達(dá)到調(diào)速的目的。但其調(diào)速性能不好，機(jī)械特性軟，而且轉(zhuǎn)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(jié)能調(diào)速所取代。

??? 3）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速??? 這種方法電機(jī)本身并不調(diào)速，而是通過改變與它相連的電磁離合器的勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。電磁轉(zhuǎn)差離合器控制筒單，運(yùn)行可靠，調(diào)速精確、價(jià)格便宜，而且能平滑調(diào)速。但其機(jī)械特性中存在失控區(qū)，特性軟。低速時(shí)損耗大、效率低。

??? 4）串級調(diào)速??? 通過在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢的方法。調(diào)節(jié)附加電勢的大小，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。如圖1所示，通常轉(zhuǎn)子回路接有不可控的整流器，將轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢經(jīng)整流器變換成直流電勢，從轉(zhuǎn)子吸收轉(zhuǎn)差功率P_S。轉(zhuǎn)子側(cè)直流附加電勢由晶閘管逆變器產(chǎn)生（也有用直流電機(jī)等其它形式的）。逆變器所吸收的（扣除損耗的）轉(zhuǎn)差功率P_B經(jīng)變壓器T反饋回電網(wǎng)。這種方法調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、可靠性高。缺點(diǎn)是過載能力差（過載能力比原電動(dòng)機(jī)降低17％），功率因數(shù)較低，諧波電流較大，還需專門的啟動(dòng)設(shè)備。1984年研制出的斬波式逆變器串級調(diào)速方法，可以大大降低無功損耗、提高功率因數(shù)、減少高次諧波分量，從而提高了調(diào)速效率。

圖1??? 串級調(diào)速

??? 5）雙饋調(diào)速??? 也是采用在轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。定子繞組接入工頻電源，轉(zhuǎn)子繞組接到頻率、幅值、相位和相序都可以調(diào)節(jié)的獨(dú)立的交流變頻電源上。根據(jù)變頻電源頻率控制方法不同，雙饋調(diào)速分為自控式（圖3）和他控式（圖2）兩種。

圖2??? 他控式雙饋調(diào)速

圖3??? 自控式雙饋調(diào)速

??? 自控工作方式中，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻電源的頻率是通過系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（由位置檢測器PS測出）自動(dòng)控制的。該方式穩(wěn)定性好，適用于軋鋼機(jī)之類的沖擊負(fù)荷。

??? 他控方式中，由專門的頻率給定裝置獨(dú)立地控制變頻器的輸出頻率。通常由獨(dú)立的頻率可調(diào)的低頻三相正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生給定信號。每個(gè)控制信號的給定值，對應(yīng)一個(gè)確定的轉(zhuǎn)速。

??? 改變轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、幅值和相位，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、和無功功率。雙饋調(diào)速不僅可以在低于同步轉(zhuǎn)速以下運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以在高于同步轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)，具有優(yōu)良的調(diào)速性能，過載能力大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率要高于串級調(diào)速。它在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都可以得到電動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其突出優(yōu)點(diǎn)就是在保證調(diào)速要求的同時(shí)，還可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的無功功率，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的功率因數(shù)。其功率轉(zhuǎn)換是采用交—交變頻器，直接進(jìn)行能量交換，所以效率很高，是比較完善的調(diào)速裝置。適用于多種生產(chǎn)機(jī)械，發(fā)展前途非常廣闊。國外在20世紀(jì)80年代投入運(yùn)行，我國上個(gè)世紀(jì)90年代開始應(yīng)用。但它也存在諧波電流大的問題。

??? 6）斬波式內(nèi)反饋調(diào)速這是我國獨(dú)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(zhuǎn)差率的方法。它在串級調(diào)速的基礎(chǔ)上又有所突破，把著眼點(diǎn)放在調(diào)速主體——電動(dòng)機(jī)上，在電動(dòng)機(jī)定子槽中通過多層嵌套方式安裝了反饋調(diào)節(jié)繞組（這等于把逆變變壓器和電動(dòng)機(jī)巧妙地結(jié)合在一起）。內(nèi)反饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于將部分轉(zhuǎn)子功率P_S（轉(zhuǎn)差功率，見圖4），通過調(diào)速裝置反饋給電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的調(diào)節(jié)繞組，反饋的功率越多，則軸輸出功率的就越少，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，即通過改變反饋的轉(zhuǎn)差功率的多少使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得以連續(xù)調(diào)節(jié)。而調(diào)節(jié)繞組接受反饋功率則意味P1的減少，電能的節(jié)省。

圖4??? 斬波式內(nèi)反饋調(diào)速裝置主電路原理圖

圖中：1KM、2KM、3KM—開關(guān)，L₁、L₂、L₃—電抗器，R—整流橋，

I—逆變橋，S—關(guān)斷橋，S_c—斬波晶閘管，R_f—啟動(dòng)頻敏電阻，C—電容，

D—逆阻二極管，F(xiàn)—保險(xiǎn)，Load—電動(dòng)機(jī)負(fù)載。

??? 該方法是在常規(guī)串級調(diào)速的直流回路中，加入并聯(lián)型直流斬波器。利用它對轉(zhuǎn)子整流后的直流電流進(jìn)行脈寬調(diào)制?？刂茢夭ㄆ鞯恼伎毡染湍苷{(diào)節(jié)直流側(cè)的短路電流，從而間接地控制了反饋給調(diào)節(jié)繞組的轉(zhuǎn)差功率，達(dá)到調(diào)速的目的。關(guān)斷橋S的作用是關(guān)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(fā)角（β）不用調(diào)節(jié)，且固定在很小的角度，這樣既大大提高了功率因數(shù)，減少了諧波電流對電網(wǎng)的污染，提高了系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低、諧波幅值低的優(yōu)點(diǎn)。但它只能在同步轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，而且不能利用原有的電動(dòng)機(jī)，需購置專用的內(nèi)反饋電動(dòng)機(jī)（但卻省掉了昂貴的逆變變壓器）。在高電壓、大容量的水泵、風(fēng)機(jī)用繞線電動(dòng)機(jī)調(diào)速中，顯示出突出的優(yōu)勢。

2.2??? 改變極對數(shù)p的調(diào)速方法

??? 通過改變定子繞組的接線來改變極對數(shù)，就改變了同步轉(zhuǎn)速。它可以獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性和恒功率調(diào)速特性。這種方法效率高，操作筒單、成本低廉，機(jī)械特性硬。為得到好的調(diào)速精度與穩(wěn)定性，常用速度反饋的控制方式。缺點(diǎn)是有級調(diào)速。它和調(diào)壓調(diào)速結(jié)合起來形成“變極調(diào)壓調(diào)速”?？梢源蟠蟾纳频退龠\(yùn)行性能，擴(kuò)大調(diào)速范圍。

2.3??? 改變頻率f的調(diào)速方法

??? 變頻調(diào)速是用變頻電源改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的頻率，從而改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。規(guī)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(fā)展前途的理想調(diào)速方法。它可分為兩大類：

??? 1）交－直－交變頻調(diào)速電網(wǎng)中的交流電先被整流成直流電，再通過逆變器逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。根據(jù)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(diào)速由于它只有一級功率變換，省去了直流環(huán)節(jié)，減少了損耗，進(jìn)一步提高了效率。也因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、額定工作頻率較低，造價(jià)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(yùn)行，常用于大容量的交流調(diào)速設(shè)備中（國外單臺變頻裝置容量已超過10MW）。變頻調(diào)速的不足之處是造價(jià)較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、低速時(shí)功率因數(shù)低、諧波較大。

3??? 調(diào)速性能分析

??? 通過半導(dǎo)體電力變流器對電動(dòng)機(jī)的電壓、頻率、功率進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，雖具有轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但也具有功率因數(shù)低、諧波電流大的缺點(diǎn)。所以，提高調(diào)速效率、提高功率因數(shù)、減少高次諧波、提高性能價(jià)格比始終是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

3.1??? 調(diào)速效率

??? 圖5是異步電動(dòng)機(jī)能量流圖。其中P₂和P_SC之間的功率差P_S，即轉(zhuǎn)差功率是上述幾種節(jié)能調(diào)速的著眼點(diǎn)。

圖5??? 異步電動(dòng)機(jī)能量流圖

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

??? 轉(zhuǎn)差率調(diào)速系統(tǒng)的效率主要取決于P_S的利用情況。系統(tǒng)總效率η=P_SC/P_W。參考圖5，再比較表1中各種調(diào)速方式的能量流圖不難看出，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的效率最低，因?yàn)檗D(zhuǎn)差功率P_S都損耗在電阻發(fā)熱上了。而且轉(zhuǎn)差率s越大，效率越低（因?yàn)椋艉雎远ㄗ訐p耗，則η=P_SC/P_W≈P_SC/P₂=n/n_o=1－s）。串級調(diào)速、雙饋調(diào)速和斬波式內(nèi)反饋調(diào)速的效率較高，是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子功率P₂中都含有反饋功率，其中斬波式內(nèi)反饋調(diào)速的效率最高，因?yàn)樗倭艘豁?xiàng)逆變變壓器損耗ΔP_TR。其效率可達(dá)90％以上，見圖6。

圖6??? 效率曲線η=f(s)

3.2??? 調(diào)速范圍

??? 電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍D=最高轉(zhuǎn)數(shù)/最低轉(zhuǎn)數(shù)。變頻調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的調(diào)速范圍較大(D=10)，其次是雙饋調(diào)速。其它各種調(diào)速方法的調(diào)速范圍都較小。但調(diào)速范圍的選擇要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況來確定。

3.3??? 高次諧波

??? 在變頻調(diào)速和采用轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢的3種調(diào)速方法中都使用功率器件變換器。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接有整流器和逆變器，因而電流波形發(fā)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(shù)，也增大了噪聲和發(fā)熱損耗、產(chǎn)生干擾、污染電網(wǎng)。諧波還會引起電動(dòng)機(jī)機(jī)械脈振現(xiàn)象。因此,抑制和消除諧波也是此類調(diào)速的重要課題,采用并聯(lián)斬波技術(shù)就是一種有效抑制諧波的方法。

4??? 結(jié)語

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

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

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

??? 定子調(diào)壓調(diào)速適用于小容量的短時(shí)與重復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)行的負(fù)載。

??? 雙饋調(diào)速目前多用于超同步、高速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)或?qū)鲃?dòng)的動(dòng)、靜態(tài)特性要求高的場合。

??? 串級調(diào)速和斬波式內(nèi)反饋調(diào)速在高電壓、大中容量的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速中應(yīng)用較廣（調(diào)速范圍D≤2）。它們的節(jié)電率比變頻調(diào)速稍低，價(jià)格也低于變頻調(diào)速（串級調(diào)速大于1000元/kW、斬波式內(nèi)反饋調(diào)速小于1000元/kW）。

??? 隨著新的控制理論(如矢量變換控制)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，更高性能的新型電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必將不斷涌現(xiàn)出來。新世紀(jì)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)將向著高效率、高性能、高精度、智能化、綠色化的方向發(fā)展。