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維修技術(shù)
交流異步電動(dòng)機調速裝置發(fā)展淺析
內容簡(jiǎn)介:這是因為由交流電動(dòng)機驅動(dòng)的風(fēng)機和泵類(lèi)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(shí),所需功率降至原來(lái)的1/8,由此可見(jiàn)調速節能的重要意義。
1引言

    交流異步電動(dòng)機調速的研究始于20世紀60年代,已經(jīng)取得了許多可喜的成果。近年來(lái),電力電子技術(shù)、大規模集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,為交流調速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng )造了有利條件,使交流電動(dòng)機調速和控制提高到了一個(gè)新的水平。
    國內外都十分重視開(kāi)發(fā)研究交流電動(dòng)機的調速技術(shù),目前在發(fā)達國家中,很多直流調速已經(jīng)被交流調速所取代,從而避免了直流電動(dòng)機換向困難、維修不便等缺點(diǎn)。世界上有60%左右的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機消耗的。據統計,我國各類(lèi)電動(dòng)機的裝機容量已超過(guò)4億kW,其中異步電動(dòng)機約占90%,拖動(dòng)風(fēng)機、水泵及壓縮機類(lèi)機械的電動(dòng)機約1.3億kW。在目前4億kW的電動(dòng)機負載中,約有50%的負載是變動(dòng)的,其中的30%可以使用電動(dòng)機調速。因此,就目前的市場(chǎng)容量考慮,約有6000萬(wàn)kW的調速電機市場(chǎng)。
    電動(dòng)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(dòng)機常常處于低效運行狀態(tài)。因此,電機調速節能一直被廣泛關(guān)注。風(fēng)機和泵類(lèi)采用電動(dòng)機調速裝置來(lái)代替閥門(mén)和擋板調節流量,有明顯節電效果。這是因為由交流電動(dòng)機驅動(dòng)的風(fēng)機和泵類(lèi)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(shí),所需功率降至原來(lái)的1/8,由此可見(jiàn)調速節能的重要意義。

2異步電動(dòng)機調速方法

電動(dòng)機的轉速n與同步轉速no之間的關(guān)系為:

n=(1-s)no=(1-s)60f/p(1)

式中:s為電動(dòng)機轉差率;

f為電網(wǎng)頻率;

p為極對數。

式(1)說(shuō)明,改變電動(dòng)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(chǎn)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(diǎn)、接線(xiàn)方式、輸出特性曲線(xiàn)、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—轉子輸入功率,ΔP2—轉子損耗功率(包括銅損和鐵損),PS—轉差功率,ΔPS—轉差功率變換過(guò)程中損耗的功率,PB—逆變器反饋回電網(wǎng)的功率,ΔPB—逆變器損耗功率,PM—機械功率,ΔPM—機械損耗功率(包括磨擦和其它附加損耗),PSC—電機輸出的機械功率,PTS—調速裝置輸入功率,ΔPTS—調速裝置的損耗功率,PZC—轉差離合器輸入功率,ΔPZC—轉差離合器的損耗功率,PTR—變壓器輸入功率,ΔPTR—變壓器損耗功率,Pe—雙饋調速中超同步運行時(shí)扣除損耗之后的定子電磁功率。

表1異步電動(dòng)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(dòng)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(shí)現調速。該方法采用晶閘管“交流開(kāi)關(guān)”調節定子電壓。其調速范圍較寬,簡(jiǎn)單可靠,價(jià)格便宜,但低速時(shí)功率因數低、損耗大、效率低、發(fā)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(xiàn),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(guò)改變與它相連的電磁離合器的勵磁電流來(lái)實(shí)現調速的。電磁轉差離合器控制筒單,運行可靠,調速精確、價(jià)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(shí)損耗大、效率低。

4)串級調速通過(guò)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(dòng)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(jīng)整流器變換成直流電勢,從轉子吸收轉差功率PS。轉子側直流附加電勢由晶閘管逆變器產(chǎn)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PB經(jīng)變壓器T反饋回電網(wǎng)。這種方法調速范圍寬、結構簡(jiǎn)單、效率高、可靠性高。缺點(diǎn)是過(guò)載能力差(過(guò)載能力比原電動(dòng)機降低17%),功率因數較低,諧波電流較大,還需專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)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(wú)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   

5)雙饋調速也是采用在轉子回路引入附加電勢的方法。不同的是,它將能量分別饋入電動(dòng)機的定子繞組和轉子繞組。定子繞組接入工頻電源,轉子繞組接到頻率、幅值、相位和相序都可以調節的獨立的交流變頻電源上。根據變頻電源頻率控制方法不同,雙饋調速分為自控式(圖3)和他控式(圖2)兩種。 



圖2他控式雙饋調速 



圖3自控式雙饋調速 

自控工作方式中,轉子側變頻電源的頻率是通過(guò)系統內的調節環(huán)節,根據電動(dòng)機的運行狀態(tài)(由位置檢測器PS測出)自動(dòng)控制的。該方式穩定性好,適用于軋鋼機之類(lèi)的沖擊負荷。  

他控方式中,由專(zhuān)門(mén)的頻率給定裝置獨立地控制變頻器的輸出頻率。通常由獨立的頻率可調的低頻三相正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生給定信號。每個(gè)控制信號的給定值,對應一個(gè)確定的轉速。 

改變轉子繞組電源的頻率、幅值和相位,就可以調節電動(dòng)機的轉矩、轉速、和無(wú)功功率。雙饋調速不僅可以在低于同步轉速以下運轉,還可以在高于同步轉速以上運轉,具有優(yōu)良的調速性能,過(guò)載能力大、轉動(dòng)慣量小、效率要高于串級調速。它在很寬的調速范圍內都可以得到電動(dòng)轉矩和制動(dòng)轉矩。其突出優(yōu)點(diǎn)就是在保證調速要求的同時(shí),還可以獨立地調節電動(dòng)機定子側的無(wú)功功率,使調速系統具有很高的功率因數。其功率轉換是采用交—交變頻器,直接進(jìn)行能量交換,所以效率很高,是比較完善的調速裝置。適用于多種生產(chǎn)機械,發(fā)展前途非常廣闊。國外在20世紀80年代投入運行,我國上個(gè)世紀90年代開(kāi)始應用。但它也存在諧波電流大的問(wèn)題。 

6)斬波式內反饋調速這是我國獨有的,近十幾年才興起的新方法。它也是通過(guò)引入附加電勢改變轉差率的方法。它在串級調速的基礎上又有所突破,把著(zhù)眼點(diǎn)放在調速主體——電動(dòng)機上,在電動(dòng)機定子槽中通過(guò)多層嵌套方式安裝了反饋調節繞組(這等于把逆變變壓器和電動(dòng)機巧妙地結合在一起)。內反饋調速的實(shí)質(zhì)在于將部分轉子功率PS(轉差功率,見(jiàn)圖4),通過(guò)調速裝置反饋給電動(dòng)機內部的調節繞組,反饋的功率越多,則軸輸出功率的就越少,電機轉速越低,即通過(guò)改變反饋的轉差功率的多少使電動(dòng)機轉速得以連續調節。而調節繞組接受反饋功率則意味P1的減少,電能的節省。 



圖4斬波式內反饋調速裝置主電路原理圖 

圖中:1KM、2KM、3KM—開(kāi)關(guān),L1、L2、L3—電抗器,R—整流橋, 

I—逆變橋,S—關(guān)斷橋,Sc—斬波晶閘管,RF—啟動(dòng)頻敏電阻,C—電容, 

D—逆阻二極管,F—保險,Load—電動(dòng)機負載。   

該方法是在常規串級調速的直流回路中,加入并聯(lián)型直流斬波器。利用它對轉子整流后的直流電流進(jìn)行脈寬調制。控制斬波器的占空比就能調節直流側的短路電流,從而間接地控制了反饋給調節繞組的轉差功率,達到調速的目的。關(guān)斷橋S的作用是關(guān)斷斬波晶閘管Sc。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)不用調節,且固定在很小的角度,這樣既大大提高了功率因數,減少了諧波電流對電網(wǎng)的污染,提高了系統的可靠性,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(jiǎn)單、效率高、成本低、諧波幅值低的優(yōu)點(diǎn)。但它只能在同步轉速以下運行,而且不能利用原有的電動(dòng)機,需購置專(zhuān)用的內反饋電動(dòng)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(fēng)機用繞線(xiàn)電動(dòng)機調速中,顯示出突出的優(yōu)勢。  
2.2改變極對數p的調速方法 

通過(guò)改變定子繞組的接線(xiàn)來(lái)改變極對數,就改變了同步轉速。它可以獲得恒轉矩調速特性和恒功率調速特性。這種方法效率高,操作筒單、成本低廉,機械特性硬。為得到好的調速精度與穩定性,常用速度反饋的控制方式。缺點(diǎn)是有級調速。它和調壓調速結合起來(lái)形成“變極調壓調速”。可以大大改善低速運行性能,擴大調速范圍。 

2.3改變頻率f的調速方法 

變頻調速是用變頻電源改變電動(dòng)機定子繞組的頻率,從而改變同步轉速來(lái)實(shí)現調速。這種方法具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能。規格系列齊全,可以滿(mǎn)足各種不同需求,因而被廣泛采用,是最具發(fā)展前途的理想調速方法。它可分為兩大類(lèi): 

1)交-直-交變頻調速電網(wǎng)中的交流電先被整流成直流電,再通過(guò)逆變器逆變?yōu)轭l率可調的交流電。根據直流濾波方式不同,又分為電壓型(電容器濾波)和電流型(電感濾波)兩種。 

2)交-交變頻調速由于它只有一級功率變換,省去了直流環(huán)節,減少了損耗,進(jìn)一步提高了效率。也因此結構復雜、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,可以四象限運行,常用于大容量的交流調速設備中(國外單臺變頻裝置容量已超過(guò)10MW)。變頻調速的不足之處是造價(jià)較高、結構復雜、低速時(shí)功率因數低、諧波較大。 

3調速性能分析 

通過(guò)半導體電力變流器對電動(dòng)機的電壓、頻率、功率進(jìn)行調節來(lái)實(shí)現調速,雖具有轉換效率高的優(yōu)點(diǎn),但也具有功率因數低、諧波電流大的缺點(diǎn)。所以,提高調速效率、提高功率因數、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調速效率 

圖5是異步電動(dòng)機能量流圖。其中P2和PSC之間的功率差PS,即轉差功率是上述幾種節能調速的著(zhù)眼點(diǎn)。 



圖5異步電動(dòng)機能量流圖 

 PS=P2-PSC=Mno-Mn=M(no-n)=sP2(2) 

轉差率調速系統的效率主要取決于PS的利用情況。系統總效率η=PSC/PW。參考圖5,再比較表1中各種調速方式的能量流圖不難看出,轉子串電阻調速的效率最低,因為轉差功率PS都損耗在電阻發(fā)熱上了。而且轉差率s越大,效率越低(因為,若忽略定子損耗,則η=PSC/PW≈PSC/P2=n/no=1-s)。串級調速、雙饋調速和斬波式內反饋調速的效率較高,是因為其轉子功率P2中都含有反饋功率,其中斬波式內反饋調速的效率最高,因為它少了一項逆變變壓器損耗ΔPTR。其效率可達90%以上,見(jiàn)圖6。  



圖6效率曲線(xiàn)η=f(s) 

3.2調速范圍 

電動(dòng)機調速范圍D=最高轉數/最低轉數。變頻調速、定子調壓調速和電磁轉差離合器調速的調速范圍較大(D=10),其次是雙饋調速。其它各種調速方法的調速范圍都較小。但調速范圍的選擇要根據電動(dòng)機運行工況來(lái)確定。 

3.3高次諧波 

在變頻調速和采用轉子回路引入附加電勢的3種調速方法中都使用功率器件變換器。電動(dòng)機轉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,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)機機械脈振現象。因此,抑制和消除諧波也是此類(lèi)調速的重要課題,采用并聯(lián)斬波技術(shù)就是一種有效抑制諧波的方法。 

4結語(yǔ) 

變頻調速適用范圍廣泛,在多臺電動(dòng)機同頻拖動(dòng),或者調速范圍大的低速大容量拖動(dòng)系統中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。其調速范圍廣(100%~0%),調速精度高 (±0.5%),節電效果好(多數為25%~50%),性能是其它各種交流調速技術(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、高精度調速還要高些)。 

變極調速用于小容量、非平滑調速場(chǎng)合,需要增加的投資少(平均50元/kW),節電30%左右。 

電磁轉差離合器調速適用于要求有一定調速范圍,又經(jīng)常用于高速的場(chǎng)合。容量在0.55~630kW范圍內,它的初始投資不高(比普通籠型電動(dòng)機約高220元/kW)。 

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

雙饋調速目前多用于超同步、高速運行的電動(dòng)機或對傳動(dòng)的動(dòng)、靜態(tài)特性要求高的場(chǎng)合。 

串級調速和斬波式內反饋調速在高電壓、大中容量的平方轉矩負載調速中應用較廣(調速范圍D≤2)。它們的節電率比變頻調速稍低,價(jià)格也低于變頻調速(串級調速大于1000元/kW、斬波式內反饋調速小于1000元/kW)。 

隨著(zhù)新的控制理論(如矢量變換控制)和計算機技術(shù)的發(fā)展,更高性能的新型電動(dòng)機調速系統必將不斷涌現出來(lái)。新世紀的電動(dòng)機調速技術(shù)將向著(zhù)高效率、高性能、高精度、智能化、綠色化的方向發(fā)展。  
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