交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置發(fā)展淺析

該方法是在常規(guī)串級(jí)調(diào)速的直流回路中，加入并聯(lián)型直流斬波器。利用它對(duì)轉(zhuǎn)子整流后的直流電流進(jìn)行脈寬調(diào)制。控制斬波器的占空比就能調(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(duì)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(jiǎn)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(gòu)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(shì)。

2.2 改變極對(duì)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(duì)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(jí)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(jí)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(guó)外單臺(tái)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(duì)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)=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?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)?，若忽略定子損耗，則η=P_SC/P_W≈P_SC/P₂=n/n_o=1－s）。串級(jí)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(shì)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(huì)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(yǔ)

變頻調(diào)速適用范圍廣泛，在多臺(tái)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)合。

串級(jí)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(jí)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。