技术讲解：基于交流异步电动机调速装置发展浅析

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no之间的关系为：

n=(1-s)no=(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)，PS—转差功率，ΔPS—转差功率变换过程中损耗的功率，PB—逆变器反馈回电网的功率，ΔPB—逆变器损耗功率，PM—机械功率，ΔPM—机械损耗功率(包括磨擦和其它附加损耗)，PSC—电机输出的机械功率，PTS—调速装置输入功率，ΔPTS—调速装置的损耗功率，PZC—转差离合器输入功率，ΔPZC—转差离合器的损耗功率，PTR—变压器输入功率，ΔPTR—变压器损耗功率，Pe—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

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。

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。