交流異步電動機調(diào)速裝置發(fā)展淺析

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行脈寬調(diào)制?？刂茢夭ㄆ鞯恼伎毡染湍苷{(diào)節(jié)直流側的短路電流，從而間接地控制了反饋給調(diào)節(jié)繞組的轉(zhuǎn)差功率，達到調(diào)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(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，它具有結構簡單、效率高、成本低、諧波幅值低的優(yōu)點。但它只能在同步轉(zhuǎn)速以下運行，而且不能利用原有的電動機，需購置專用的內(nèi)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(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。缺點是有級調(diào)速。它和調(diào)壓調(diào)速結合起來形成“變極調(diào)壓調(diào)速”?？梢源蟠蟾纳频退龠\行性能，擴大調(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機定子繞組的頻率，從而改變同步轉(zhuǎn)速來實現(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(diào)速設備中（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較高、結構復雜、低速時功率因數(shù)低、諧波較大。

3 調(diào)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(diào)節(jié)來實現(xiàn)調(diào)速，雖具有轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，但也具有功率因數(shù)低、諧波電流大的缺點。所以，提高調(diào)速效率、提高功率因數(shù)、減少高次諧波、提高性能價格比始終是人們關注的重點。

3.1 調(diào)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(zhuǎn)差功率是上述幾種節(jié)能調(diào)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)=sP₂ (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，因為轉(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(diào)速、雙饋調(diào)速和斬波式內(nèi)反饋調(diào)速的效率較高，是因為其轉(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(diào)速范圍

電動機調(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)電動機運行工況來確定。

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。電動機轉(zhuǎn)子側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)。諧波還會引起電動機機械脈振現(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)斬波技術就是一種有效抑制諧波的方法。

4 結語

變頻調(diào)速適用范圍廣泛，在多臺電動機同頻拖動，或者調(diào)速范圍大的低速大容量拖動系統(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(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(比普通籠型電動機約高220元/kW)。

定子調(diào)壓調(diào)速適用于小容量的短時與重復短時作深調(diào)速運行的負載。

雙饋調(diào)速目前多用于超同步、高速運行的電動機或?qū)鲃拥膭?、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)矩負載調(diào)速中應用較廣（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)和計算機技術的發(fā)展，更高性能的新型電動機調(diào)速系統(tǒng)必將不斷涌現(xiàn)出來。新世紀的電動機調(diào)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(fā)展。