交流异步电动机调速装置发展浅析

摘要：对比分析了交流异步电动机调速方式，对近期出现的高效调速方式及发展进行了重点阐述。

关键词：异步电动机；调速；节能

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n_o之间的关系为：

n=（1－s）n_o=(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），P_S—转差功率，ΔP_S—转差功率变换过程中损耗的功率，P_B—逆变器反馈回电网的功率，ΔP_B—逆变器损耗功率，P_M—机械功率，ΔP_M—机械损耗功率（包括磨擦和其它附加损耗），P_SC—电机输出的机械功率，P_TS—调速装置输入功率，ΔP_TS—调速装置的损耗功率，P_ZC—转差离合器输入功率，ΔP_ZC—转差离合器的损耗功率，P_TR—变压器输入功率，ΔP_TR—变压器损耗功率，P_e—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

2.1 改变转差率s的调速方法

1）调定子电压调速 异步电动机的转矩（在一定转差率下）与定子电压的平方成正比。即M∝U²（M—电磁转矩，U—定子电压）。改变定子电压就可以改变转矩及机械性能，从而实现调速。该方法采用晶闸管“交流开关”调节定子电压。其调速范围较宽，简单可靠，价格便宜，但低速时功率因数低、损耗大、效率低、发热严重。输出特性软，不能承受重载。

2）转子串接电阻调速 转子回路串接电阻可以改变转子电流，从而改变其机械特性曲线，达到调速的目的。但其调速性能不好，机械特性软，而且转差功率以热能的形式消耗在外接电阻上，效率太低。因此，渐渐被节能调速所取代。

3）电磁转差离合器调速 这种方法电机本身并不调速，而是通过改变与它相连的电磁离合器的励磁电流来实现调速的。电磁转差离合器控制筒单，运行可靠，调速精确、价格便宜，而且能平滑调速。但其机械特性中存在失控区，特性软。低速时损耗大、效率低。

4）串级调速 通过在转子回路引入附加电势的方法。调节附加电势的大小，就可以调节电动机的转矩和转速。如图1所示，通常转子回路接有不可控的整流器，将转子感应电势经整流器变换成直流电势，从转子吸收转差功率P_S。转子侧直流附加电势由晶闸管逆变器产生（也有用直流电机等其它形式的）。逆变器所吸收的（扣除损耗的）转差功率P_B经变压器T反馈回电网。这种方法调速范围宽、结构简单、效率高、可靠性高。缺点是过载能力差（过载能力比原电动机降低17％），功率因数较低，谐波电流较大，还需专门的启动设备。1984年研制出的斩波式逆变器串级调速方法，可以大大降低无功损耗、提高功率因数、减少高次谐波分量，从而提高了调速效率。

图1 串级调速