交流異步電動機調速裝置發展淺析

該方法是在常規串級調速的直流回路中，加入并聯型直流斬波器。利用它對轉子整流后的直流電流進行脈寬調制。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，它具有結構簡單、效率高、成本低、諧波幅值低的優點。但它只能在同步轉速以下運行，而且不能利用原有的電動機，需購置專用的內反饋電動機（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速中，顯示出突出的優勢。

2.2 改變極對數p的調速方法

通過改變定子繞組的接線來改變極對數，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。缺點是有級調速。它和調壓調速結合起來形成“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機定子繞組的頻率，從而改變同步轉速來實現調速。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，可以滿足各種不同需求，因而被廣泛采用，是最具發展前途的理想調速方法。它可分為兩大類：

1）交－直－交變頻調速電網中的交流電先被整流成直流電，再通過逆變器逆變為頻率可調的交流電。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，省去了直流環節，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速設備中（國外單臺變頻裝置容量已超過10MW）。變頻調速的不足之處是造價較高、結構復雜、低速時功率因數低、諧波較大。

3 調速性能分析

通過半導體電力變流器對電動機的電壓、頻率、功率進行調節來實現調速，雖具有轉換效率高的優點，但也具有功率因數低、諧波電流大的缺點。所以，提高調速效率、提高功率因數、減少高次諧波、提高性能價格比始終是人們關注的重點。

3.1 調速效率

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，即轉差功率是上述幾種節能調速的著眼點。

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)

轉差率調速系統的效率主要取決于P_S的利用情況。系統總效率η=P_SC/P_W。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P_S都損耗在電阻發熱上了。而且轉差率s越大，效率越低（因為，若忽略定子損耗，則η=P_SC/P_W≈P_SC/P₂=n/n_o=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 調速范圍

電動機調速范圍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機運行工況來確定。

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。電動機轉子側接有整流器和逆變器，因而電流波形發生畸變，畸變電流中含有高次諧波分量。這不但降低了功率因數，也增大了噪聲和發熱損耗、產生干擾、污染電網。諧波還會引起電動機機械脈振現象。因此,抑制和消除諧波也是此類調速的重要課題,采用并聯斬波技術就是一種有效抑制諧波的方法。

4 結語

變頻調速適用范圍廣泛，在多臺電動機同頻拖動，或者調速范圍大的低速大容量拖動系統中發揮著不可替代的作用。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、高精度調速還要高些)。

變極調速用于小容量、非平滑調速場合，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，又經常用于高速的場合。容量在0.55～630kW范圍內，它的初始投資不高(比普通籠型電動機約高220元/kW)。

定子調壓調速適用于小容量的短時與重復短時作深調速運行的負載。

雙饋調速目前多用于超同步、高速運行的電動機或對傳動的動、靜態特性要求高的場合。

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）。

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