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