交流异步电动机调速装置发展浅析

摘要：对比分析了交流异步电动机调速方式，对近期出现的高效调速方式及发展进行了重点阐述。

关键词：异步电动机；调速；节能

1    引言

    交流异步电动机调速的研究始于20世纪60年代，已经取得了许多可喜的成果。近年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平。国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术，目前在发达国家中，很多直流调速已经被交流调速所取代，从而避免了直流电动机换向困难、维修不便等缺点。世界上有60％左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计，我国各类电动机的装机容量已超过4亿kW，其中异步电动机约占90％，拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。在目前4亿kW的电动机负载中，约有50％的负载是变动的，其中的30％可以使用电动机调速。因此，就目前的市场容量考虑，约有6000万kW的调速电机市场。电动机只有在额定负载下运行效率才高，由于安全等方面的考虑，电动机常常处于低效运行状态。因此，电机调速节能一直被广泛关注。风机和泵类采用电动机调速装置来代替阀门和挡板调节流量,有明显节电效果。这是因为由交流电动机驱动的风机和泵类都是平方转矩负载。它们的流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比。即电机转速降低1/2时，所需功率降至原来的1/8，由此可见调速节能的重要意义。

2    异步电动机调速方法

    电动机的转速n与同步转速n_o之间的关系为：

    n=（1－s）n_o=(1－s)60f/p    （1）

式中：s为电动机转差率；

      f为电网频率；

      p为极对数。

    式（1）说明，改变电动机的转速有三种方法，就是改变转差率s、改变频率f、改变极对数p。由此产生了多种调速方法。目前几种比较成熟的调速方法的主要特点、接线方式、输出特性曲线、能量流图等如表1所列。

    表1中和本文中的符号代表的意义如下：PW—电网提供的有功功率，P₁—定子输入功率，ΔP₁—定子损耗功率（包括铜损和铁损），P₂—转子输入功率，ΔP₂—转子损耗功率（包括铜损和铁损），P_S—转差功率，ΔP_S—转差功率变换过程中损耗的功率，P_B—逆变器反馈回电网的功率，ΔP_B—逆变器损耗功率，P_M—机械功率，ΔP_M—机械损耗功率（包括磨擦和其它附加损耗），P_SC—电机输出的机械功率，P_TS—调速装置输入功率，ΔP_TS—调速装置的损耗功率，P_ZC—转差离合器输入功率，ΔP_ZC—转差离合器的损耗功率，P_TR—变压器输入功率，ΔP_TR—变压器损耗功率，P_e—双馈调速中超同步运行时扣除损耗之后的定子电磁功率。

表1    异步电动机调速方法性能综合比较表

2.1    改变转差率s的调速方法

    1）调定子电压调速    异步电动机的转矩（在一定转差率下）与定子电压的平方成正比。即M∝U²（M—电磁转矩，U—定子电压）。改变定子电压就可以改变转矩及机械性能，从而实现调速。该方法采用晶闸管“交流开关”调节定子电压。其调速范围较宽，简单可靠，价格便宜，但低速时功率因数低、损耗大、效率低、发热严重。输出特性软，不能承受重载。

    2）转子串接电阻调速    转子回路串接电阻可以改变转子电流，从而改变其机械特性曲线，达到调速的目的。但其调速性能不好，机械特性软，而且转差功率以热能的形式消耗在外接电阻上，效率太低。因此，渐渐被节能调速所取代。

    3）电磁转差离合器调速    这种方法电机本身并不调速，而是通过改变与它相连的电磁离合器的励磁电流来实现调速的。电磁转差离合器控制筒单，运行可靠，调速精确、价格便宜，而且能平滑调速。但其机械特性中存在失控区，特性软。低速时损耗大、效率低。

    4）串级调速    通过在转子回路引入附加电势的方法。调节附加电势的大小，就可以调节电动机的转矩和转速。如图1所示，通常转子回路接有不可控的整流器，将转子感应电势经整流器变换成直流电势，从转子吸收转差功率P_S。转子侧直流附加电势由晶闸管逆变器产生（也有用直流电机等其它形式的）。逆变器所吸收的（扣除损耗的）转差功率P_B经变压器T反馈回电网。这种方法调速范围宽、结构简单、效率高、可靠性高。缺点是过载能力差（过载能力比原电动机降低17％），功率因数较低，谐波电流较大，还需专门的启动设备。1984年研制出的斩波式逆变器串级调速方法，可以大大降低无功损耗、提高功率因数、减少高次谐波分量，从而提高了调速效率。

图1    串级调速

    5）双馈调速    也是采用在转子回路引入附加电势的方法。不同的是，它将能量分别馈入电动机的定子绕组和转子绕组。定子绕组接入工频电源，转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的独立的交流变频电源上。根据变频电源频率控制方法不同，双馈调速分为自控式（图3）和他控式（图2）两种。

图2    他控式双馈调速

图3    自控式双馈调速

    自控工作方式中，转子侧变频电源的频率是通过系统内的调节环节，根据电动机的运行状态（由位置检测器PS测出）自动控制的。该方式稳定性好，适用于轧钢机之类的冲击负荷。

    他控方式中，由专门的频率给定装置独立地控制变频器的输出频率。通常由独立的频率可调的低频三相正弦信号发生器产生给定信号。每个控制信号的给定值，对应一个确定的转速。

    改变转子绕组电源的频率、幅值和相位，就可以调节电动机的转矩、转速、和无功功率。双馈调速不仅可以在低于同步转速以下运转，还可以在高于同步转速以上运转，具有优良的调速性能，过载能力大、转动惯量小、效率要高于串级调速。它在很宽的调速范围内都可以得到电动转矩和制动转矩。其突出优点就是在保证调速要求的同时，还可以独立地调节电动机定子侧的无功功率，使调速系统具有很高的功率因数。其功率转换是采用交—交变频器，直接进行能量交换，所以效率很高，是比较完善的调速装置。适用于多种生产机械，发展前途非常广阔。国外在20世纪80年代投入运行，我国上个世纪90年代开始应用。但它也存在谐波电流大的问题。

    6）斩波式内反馈调速这是我国独有的，近十几年才兴起的新方法。它也是通过引入附加电势改变转差率的方法。它在串级调速的基础上又有所突破，把着眼点放在调速主体——电动机上，在电动机定子槽中通过多层嵌套方式安装了反馈调节绕组（这等于把逆变变压器和电动机巧妙地结合在一起）。内反馈调速的实质在于将部分转子功率P_S（转差功率，见图4），通过调速装置反馈给电动机内部的调节绕组，反馈的功率越多，则轴输出功率的就越少，电机转速越低，即通过改变反馈的转差功率的多少使电动机转速得以连续调节。而调节绕组接受反馈功率则意味P1的减少，电能的节省。

图4    斩波式内反馈调速装置主电路原理图

图中：1KM、2KM、3KM—开关，L₁、L₂、L₃—电抗器，R—整流桥，

I—逆变桥，S—关断桥，S_c—斩波晶闸管，R_f—启动频敏电阻，C—电容，

D—逆阻二极管，F—保险，Load—电动机负载。

    该方法是在常规串级调速的直流回路中，加入并联型直流斩波器。利用它对转子整流后的直流电流进行脉宽调制。控制斩波器的占空比就能调节直流侧的短路电流，从而间接地控制了反馈给调节绕组的转差功率，达到调速的目的。关断桥S的作用是关断斩波晶闸管S_c。逆阻二极管D、电感L₂和电容C起隔离缓冲作用。加入斩波器使逆变器的触发角（β）不用调节，且固定在很小的角度，这样既大大提高了功率因数，减少了谐波电流对电网的污染，提高了系统的可靠性，又使逆变器的容量小很多（逆变器的容量=0.148P₁）。因此，它具有结构简单、效率高、成本低、谐波幅值低的优点。但它只能在同步转速以下运行，而且不能利用原有的电动机，需购置专用的内反馈电动机（但却省掉了昂贵的逆变变压器）。在高电压、大容量的水泵、风机用绕线电动机调速中，显示出突出的优势。

2.2    改变极对数p的调速方法

    通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。这种方法效率高，操作筒单、成本低廉，机械特性硬。为得到好的调速精度与稳定性，常用速度反馈的控制方式。缺点是有级调速。它和调压调速结合起来形成“变极调压调速”。可以大大改善低速运行性能，扩大调速范围。

2.3    改变频率f的调速方法

    变频调速是用变频电源改变电动机定子绕组的频率，从而改变同步转速来实现调速。这种方法具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。规格系列齐全，可以满足各种不同需求，因而被广泛采用，是最具发展前途的理想调速方法。它可分为两大类：

    1）交－直－交变频调速电网中的交流电先被整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。根据直流滤波方式不同，又分为电压型（电容器滤波）和电流型（电感滤波）两种。

    2）交－交变频调速由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低，造价较高。但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，常用于大容量的交流调速设备中（国外单台变频装置容量已超过10MW）。变频调速的不足之处是造价较高、结构复杂、低速时功率因数低、谐波较大。

3    调速性能分析

    通过半导体电力变流器对电动机的电压、频率、功率进行调节来实现调速，虽具有转换效率高的优点，但也具有功率因数低、谐波电流大的缺点。所以，提高调速效率、提高功率因数、减少高次谐波、提高性能价格比始终是人们关注的重点。

3.1    调速效率

    图5是异步电动机能量流图。其中P₂和P_SC之间的功率差P_S，即转差功率是上述几种节能调速的着眼点。

图5    异步电动机能量流图

    P_S=P₂－P_SC=Mn_o－Mn=M(n_o－n)=sP₂    (2)

    转差率调速系统的效率主要取决于P_S的利用情况。系统总效率η=P_SC/P_W。参考图5，再比较表1中各种调速方式的能量流图不难看出，转子串电阻调速的效率最低，因为转差功率P_S都损耗在电阻发热上了。而且转差率s越大，效率越低（因为，若忽略定子损耗，则η=P_SC/P_W≈P_SC/P₂=n/n_o=1－s）。串级调速、双馈调速和斩波式内反馈调速的效率较高，是因为其转子功率P₂中都含有反馈功率，其中斩波式内反馈调速的效率最高，因为它少了一项逆变变压器损耗ΔP_TR。其效率可达90％以上，见图6。

图6    效率曲线η=f(s)

3.2    调速范围

    电动机调速范围D=最高转数/最低转数。变频调速、定子调压调速和电磁转差离合器调速的调速范围较大(D=10)，其次是双馈调速。其它各种调速方法的调速范围都较小。但调速范围的选择要根据电动机运行工况来确定。

3.3    高次谐波

    在变频调速和采用转子回路引入附加电势的3种调速方法中都使用功率器件变换器。电动机转子侧接有整流器和逆变器，因而电流波形发生畸变，畸变电流中含有高次谐波分量。这不但降低了功率因数，也增大了噪声和发热损耗、产生干扰、污染电网。谐波还会引起电动机机械脉振现象。因此,抑制和消除谐波也是此类调速的重要课题,采用并联斩波技术就是一种有效抑制谐波的方法。

4    结语

    变频调速适用范围广泛，在多台电动机同频拖动，或者调速范围大的低速大容量拖动系统中发挥着不可替代的作用。其调速范围广(100％～0％)，调速精度高(±0.5％)，节电效果好(多数为25％～50％)，性能是其它各种交流调速技术所不能比拟的。但变频器的价格较高(一般为1000～1300元/kW，大容量、高精度调速还要高些)。

    变极调速用于小容量、非平滑调速场合，需要增加的投资少（平均50元/kW），节电30％左右。

    电磁转差离合器调速适用于要求有一定调速范围，又经常用于高速的场合。容量在0.55～630kW范围内，它的初始投资不高(比普通笼型电动机约高220元/kW)。

    定子调压调速适用于小容量的短时与重复短时作深调速运行的负载。

    双馈调速目前多用于超同步、高速运行的电动机或对传动的动、静态特性要求高的场合。

    串级调速和斩波式内反馈调速在高电压、大中容量的平方转矩负载调速中应用较广（调速范围D≤2）。它们的节电率比变频调速稍低，价格也低于变频调速（串级调速大于1000元/kW、斩波式内反馈调速小于1000元/kW）。

    随着新的控制理论(如矢量变换控制)和计算机技术的发展，更高性能的新型电动机调速系统必将不断涌现出来。新世纪的电动机调速技术将向着高效率、高性能、高精度、智能化、绿色化的方向发展。