交流异步电动机调速装置发展浅析

该方法是在常规串级调速的直流回路中，加入并联型直流斩波器。利用它对转子整流后的直流电流进行脉宽调制。控制斩波器的占空比就能调节直流侧的短路电流，从而间接地控制了反馈给调节绕组的转差功率，达到调速的目的。关断桥S的作用是关断斩波晶闸管S_c。逆阻二极管D、电感L₂和电容C起隔离缓冲作用。加入斩波器使逆变器的触发角（β）不用调节，且固定在很小的角度，这样既大大提高了功率因数，减少了谐波电流对电网的污染，提高了系统的可靠性，又使逆变器的容量小很多（逆变器的容量=0.148P₁）。因此，它具有结构简单、效率高、成本低、谐波幅值低的优点。但它只能在同步转速以下运行，而且不能利用原有的电动机，需购置专用的内反馈电动机（但却省掉了昂贵的逆变变压器）。在高电压、大容量的水泵、风机用绕线电动机调速中，显示出突出的优势。

2.2 改变极对数p的调速方法

通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。这种方法效率高，操作筒单、成本低廉，机械特性硬。为得到好的调速精度与稳定性，常用速度反馈的控制方式。缺点是有级调速。它和调压调速结合起来形成“变极调压调速”。可以大大改善低速运行性能，扩大调速范围。

2.3 改变频率f的调速方法

变频调速是用变频电源改变电动机定子绕组的频率，从而改变同步转速来实现调速。这种方法具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。规格系列齐全，可以满足各种不同需求，因而被广泛采用，是最具发展前途的理想调速方法。它可分为两大类：

1）交－直－交变频调速电网中的交流电先被整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。根据直流滤波方式不同，又分为电压型（电容器滤波）和电流型（电感滤波）两种。

2）交－交变频调速由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低，造价较高。但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，常用于大容量的交流调速设备中（国外单台变频装置容量已超过10MW）。变频调速的不足之处是造价较高、结构复杂、低速时功率因数低、谐波较大。

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。

3.1 调速效率

图5是异步电动机能量流图。其中P₂和P_SC之间的功率差P_S，即转差功率是上述几种节能调速的着眼点。

图5 异步电动机能量流图

P_S=P₂－P_SC=Mn_o－Mn=M(n_o－n)=sP₂ (2)

转差率调速系统的效率主要取决于P_S的利用情况。系统总效率η=P_SC/P_W。参考图5，再比较表1中各种调速方式的能量流图不难看出，转子串电阻调速的效率最低，因为转差功率P_S都损耗在电阻发热上了。而且转差率s越大，效率越低（因为，若忽略定子损耗，则η=P_SC/P_W≈P_SC/P₂=n/n_o=1－s）。串级调速、双馈调速和斩波式内反馈调速的效率较高，是因为其转子功率P₂中都含有反馈功率，其中斩波式内反馈调速的效率最高，因为它少了一项逆变变压器损耗ΔP_TR。其效率可达90％以上，见图6。

图6 效率曲线η=f(s)

3.2 调速范围

电动机调速范围D=最高转数/最低转数。变频调速、定子调压调速和电磁转差离合器调速的调速范围较大(D=10)，其次是双馈调速。其它各种调速方法的调速范围都较小。但调速范围的选择要根据电动机运行工况来确定。

3.3 高次谐波

在变频调速和采用转子回路引入附加电势的3种调速方法中都使用功率器件变换器。电动机转子侧接有整流器和逆变器，因而电流波形发生畸变，畸变电流中含有高次谐波分量。这不但降低了功率因数，也增大了噪声和发热损耗、产生干扰、污染电网。谐波还会引起电动机机械脉振现象。因此,抑制和消除谐波也是此类调速的重要课题,采用并联斩波技术就是一种有效抑制谐波的方法。

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。