交流異步電動機調速裝置發展淺析

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n_o之間的關系為：

n=（1－s）n_o=(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，ΔP₁—定子損耗功率（包括銅損和鐵損），P₂—轉子輸入功率，ΔP₂—轉子損耗功率（包括銅損和鐵損），P_S—轉差功率，ΔP_S—轉差功率變換過程中損耗的功率，P_B—逆變器反饋回電網的功率，ΔP_B—逆變器損耗功率，P_M—機械功率，ΔP_M—機械損耗功率（包括磨擦和其它附加損耗），P_SC—電機輸出的機械功率，P_TS—調速裝置輸入功率，ΔP_TS—調速裝置的損耗功率，P_ZC—轉差離合器輸入功率，ΔP_ZC—轉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—雙饋調速中超同步運行時扣除損耗之后的定子電磁功率。

表1 異步電動機調速方法性能綜合比較表

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P_S。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P_B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。

圖1 串級調速