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交流電動機調速及節能

日期：2006-06-13　

山東省輕工設計院劉安堂董平

前言：在工程設計中廣泛采用節能技術，尤其異步電動機調速技術是每一個工程師必須了解的技術之一，本文就有關知識及注意事項進行介紹。

關鍵詞：節能調速負荷特性匹配

一、概述

構建節能型社會，就是動員和推進全社會在所有領域歷行節能，全面、深入、系統地提高能效，從而取得比常規節能大得多的經濟效益、環境效益和社會效益。構建節能型社會，是改變經濟增長方式，提高經濟增長質量的重要途經。我國經濟的高增長仍然是靠消耗大量能源和原材料的低效益增長。2003年我國消耗了2.6x10⁸噸鋼，1.5x10⁹噸煤和8.2x10⁸噸水泥，分別約占世界相應能源總耗量的25%、30%和50%。另外還消耗了2.5x10⁸噸石油，單位GDP能耗相當于世間平均值得3.4倍。國家已經決定加大能源建設投入，但強化節能是最現實、最經濟的辦法。我國節能潛力十分巨大，可實現的節能潛力以及節能的成本效益遠遠超過新增生產力。

我國電動機裝機容量大、耗電量占全社會總用電量的比例高、應用廣泛、能耗水平落后于國際先進水平，節能潛力較大，采取必要的技術措施對生產企業不斷提高技術水平、提高電動機效能、能效水平趕超國際先進水平以及使電動機高效率的運行，最終達到節約能源將起到有力的保障作用。根據我國的實際情況，從產品制造源頭抓起，進一步提高主要耗能產品能效水平，淘汰落后，加快推廣應用高效節能產品，有效推動高效節能電動機在工程項目中得到廣泛的使用，杜絕高耗能產品在設計文件中出現，這些工作是每一個工程設計者最基本的并盡心盡力的責任。選用了高效節能產品僅是設計者做到的第一步，我們都知道不同的生產工藝對其驅動電機有著不同的要求，這使得電動機與其負載類型很難做到完全匹配，造成電動機大部分時間處于低運行效率狀態，達不到節能的目的。因此，決不能簡單地認為選用了高效節能電動機就能達到節能的目的，應該正確地結合不同生產機械的負荷性質，根據其轉矩、功率、轉速特性選定電動機的起動及控制方式，使電動機的電氣特性與不同生產機械的負荷性質達到最佳匹配。本文就電動機的控制方式及其與生產機械的負載關系進行初步地介紹，并就實際運用中注意事項進行探討。

二、生產機械的負載類型

任何電動機的調速控制器的選用均應當與負載的變化及性質相適應，設計中了解和掌握負載的性質至關重要。生產機械的的負載轉矩T1隨轉速n而變化的特性[T1=f(n)]稱為負載特性，通常有以下三種類型。

A．恒轉矩負載

負載轉矩T1與轉速n無關，在任何轉速下，T1總保持恒定或大致恒定，這類負載稱為恒轉矩負載，它多數呈反抗性的，即T1的極性隨轉速方向的改變而改變，見圖2-1，軋鋼機、造紙機、運輸機、機床等均屬此類負載；還有一種位勢性轉矩負載，T1的極性不隨轉速方向的改變而改變，見圖2-2，電梯、卷揚機、起重機均屬于此類。

B．恒功率負載

某些機械如機床的切削，通常在粗加工時切削量大，同時阻轉矩也大，一般采用低速；而精加工時切削量小，同時阻轉矩也小，通常采用高速。負載轉矩T1與轉速n成反比，形成恒功率負載，見圖2-3。軋鋼機中的卷取機及開卷機要求恒張力軋制時也屬恒功率負載。負載的恒功率性質是就一定的速度變化范圍而言的，當速度很低時，受機械強度限制，T1不可能無限增大，在低轉速區轉為恒轉矩性質。

負載的恒功率和恒轉矩區對傳動方案的選擇有很大的影響，電動機（無論是交流電動機還是直流電動機）在恒磁調速時最大輸出轉矩不變---恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大輸出轉矩與轉速成反比---恒功率調速。如果電機的恒功率和恒轉矩區調速范圍與負載的恒功率和恒轉矩區一致，電動機及其供電裝置配套功率最小；但若負載恒功率區很寬，要繼續維持上述關系，將要求特殊的寬弱磁調速范圍電機，這給電機制造及控制帶來困難，成本反而增高，這時需尋找一個折衷方案，適當增大電機功率，減少弱磁調速范圍。

C．風機、水泵類負載

在各種風機、水泵、油泵中，隨著葉輪的轉動，空氣、水、油對葉片的阻力在一定轉速范圍內大致與轉速n的平方成正比，其特性曲線見圖2-4。圖中T10系機械傳動部分的磨擦阻轉矩，電機起動時速度低，阻力矩小易起動；在額定速度附近，較小的n變化將使機械出力有較大的變化。

三、交流傳動系統的常用調速方案比選

在交流傳動系統中，隨著電力電子器件、微電子技術、電動機和控制理論的發展，交流電動機調速傳動系統也隨著發生了巨大的變化。電磁調速異步電動機、晶閘管低同步串級調速裝置、變壓調速裝置、變頻調速控制器等新型調速系統在不同行業得到廣泛應用；微型計算機、矢量變換控制技術在高性能交流傳動控制系統中應用越來越多、越來越成熟穩定。歷來以恒速形式運轉的風機、泵類機械傳動設備，已大量的采用交流調速傳動控制系統，大量地節約了能源；傳統上采用直流傳動的軋鋼、造紙、提升機械以及加工機床、機器人所用的伺服系統等，也已經在用新型高效的交流調速傳動控制系統所取代。

交流異電動機調速傳動一般均以電動機轉速變化為基本，交流電動機轉速公式為：

n=60f*(1-s)/p （3-1）

式中： p---極對數 f---供電電源頻率（Hz）

s---轉差率（同步電動機時s=0）

通過對公式分析，交流電動機有三種基本調速方式：

（1）改變極對數p （2）調節轉差率s (3) 改變供電電源頻率f

A.變極調速

變換異步電動機繞組極數從而改變同步轉速進行調速的稱為變極調速。其速度的變化是按階躍方式進行，而不具備連續平穩的特點。變極調速方式主要用于鼠籠式異步電動機；電動機的極數改變主要有兩種方式：其一是轉換單繞組接線改變極數的電動機；其二是同一鐵芯設置兩個以上極數不同繞組的電動機。典型接線詳圖3-1。

變極調速是一種高效的交流傳動調速方案，控制簡單只需要轉換開關或接觸器控制，早期投資較少，維護比較方便；統過改變繞組的聯接方式，可適應不同負載特性的電動機，如恒功率、恒轉矩及可變轉矩等負載；缺點是它只能有級調速，不能適應速度控制精度比較高的場所；它最適用于只要求二三檔級差大的、調速不頻繁的場所；例如季節性調節流量的風機水泵，鍋爐本體的上煤機、除渣機等，可控電動機容量從幾千瓦到上千千瓦。

附表3-1 單繞組倍極比雙速電動機工作特性

電氣特性序號	極數（2p） I聯結方法	極數（2*2p） II聯結方法	轉矩比 TII/TI	功率比 PII/PI	輸出特性
1	2Y	Y	1	0.5	恒轉矩
2	2Y	2Y	2	1	恒功率
3	2Y	△	1.732	0.866	可變轉矩
4	△	2Y	2.3	1.15	可變轉矩
5	2△	Y	0.577	0.288	可變轉矩

B.串級調速

串級調速是在異步電動機的轉子側串接接入一個二極管或晶閘管整流橋電路，將轉差頻率電流轉變為直流電，再用直流電動機旋轉變流機組或電子逆變器將轉差功率變為機械能加以利用，或使其返回電源以進行調速的一種方式。其主要調速接線方式有：電氣串級調速方式，具有恒轉矩特性；電機串級調速方式，具有恒功率特性；其他還有低同步串級調速方式以及超同步串級調速方式。

在選擇晶閘管串級調速作為調速方式時，其配套電動機容量確定應特別如下因素的影響：

（1）最大轉矩的降低（2）電動機功率因數的降低

（3）轉子電流集膚效應和轉子損耗增大

確定電動機額定功率時，應充分考慮不利因素的影響，要有一定的富裕容量，其參照公式：

P=K*PM 式中： P---串級調速時電動機所需功率

PM---正常計算預選電動機功率

K----串級系數，一般取1.15左右

在選擇電動機額定轉速時,應比生產機械所需最高轉速高10%左右。

串級調速在早期的工業生產設備應用范圍較廣泛，隨微型計算機、矢量變換控制技術的發展其應用范圍相對縮小，本文僅就選用注意事項進行簡單介紹。

C.電磁調速異步電動機

電磁調速接線方式是在電動機和負載之間串接電磁耦合器，通過調節電磁耦合器的勵磁電流，改變轉差率進行速度調節的一種調速方式；其系統主要由異步電動機、電磁轉差離合器、晶閘管勵磁電源及其控制部分組成。該調速系統結構簡單，設備投資較少，運行可靠，對電網、電機均無影響，但在調速過程中轉差能量消耗在耦合器上，節電效率較低。適用于調速性能要求不高的小容量傳動系統中，如一般工業傳動和風機泵類機械的節能傳動。例如在造紙廠制漿車間圓網濃縮機和抄紙機上均有所應用。

一般情況下，電磁調速電動機的機械特性就是轉差離合器的機械特性，空載轉矩no不變，隨負載轉矩增加，轉速下降較多是軟特性。勵磁電流越小特性越軟，特性曲線詳圖3-3。這種機械特性可用如下公式表示：

n2=n1-K*T*T/If (3-3)

式中： n1---離合器主動部分轉速 n2---離合器從動部分轉速

T---離合器轉矩 If ---勵磁電流

K---與離合器類型有關的系數

采用轉速負反饋閉環控制系統可以有效地改善其機械特性，轉速負反饋的作用是當負載增加時引起從動部分轉速降低，由速度變化信號來控制勵磁電流的大小，從而使從動部分轉速保持穩定。

D.變頻調速控制系統

變頻調速控制系統是基于利用異步電動機的同步轉速隨其輸入電源的頻率變化特性而進行調速的系統，通過改變電動機的供電電源頻率進行速度調節控制。變頻調速通常采用晶閘管作為控制元件，主要有自然換流（電源換流和負載換流）和強迫換流兩種方法，交流—交流變頻屬于自然換流，而交流—直流—交流變頻屬于強迫換流范圍。

自然換流變頻器其特點主要表現在如下幾個方面：以電源換流為基礎，不需要專門換流電路；易于實現負載側至電源側的功率回饋；沒有直流環節，直接換能，損耗較少效率高。但是其電路中晶閘管使用數量多，配套觸發電路極其復雜；最主要的是其輸出波形的頻率f2低于電源頻率f1，由此而來極大的限制了其在工程項目中的應用范圍。

目前電氣傳動調速系統大量使用的變頻器均為強迫換流形式，它由電源整流器及輸出逆變器兩部分組成，在直流電源母線段并聯大容量的濾波電容，以提高直流電源質量。輸出逆變器通常都是采用三相橋式逆變電路，通過改變快速晶閘管導通速率來控制輸出電源的頻率，從而達到控制電機速度的目的；換流電路是逆變器的核心，它對變頻裝置的性能指標、工作可靠性以及裝置的造價、體積等方面起著決定性作用。隨著計算機技術的發展變頻器生產廠家已經開發了各種不同類型的產品，以適應不同負載性質的需要。在風機泵類負載的調速節能、輥道及抄紙機的多電機傳動、軋鋼機及礦井卷揚機等低速大容量無齒輪傳動，離心機及磨床等的高速傳動均得到廣泛應用。

變頻調速控制具有應用范圍廣泛，技術性能先進能夠適應各種機械負載特性。然而由于其調速原理的原因，其本身存在一定的不足，主要表現在：調速過程產生大量的高次諧波，回饋到電網對電源形成公害；由于輸出電源含有諧波成分較大，其傳導距離受到限制，變頻器與電動機之間間隔不宜過長；電磁輻射易對周圍弱電設施造成干擾。因而施工設計時應采用諧波治理濾除設備；變頻器本身及配套電力電纜應采取屏蔽措施，如選用屏蔽電纜等；與其相關的金屬構件如電纜屏蔽層及變頻器外殼等做好接地保護，其接地阻值在滿足工頻阻值外（聯合接地阻小于1歐姆），還應考慮諧波分量對接地的參數要求。

E.電動機的校正

各種機械負荷配置調速控制系統的結果都會引起配套電動機電氣特性的變化，其輸出轉矩、功率及轉速都會在一定范圍內發生變化；為了保證其特性的變化不能影響到機械負荷的正常運轉，同時使電動機工作在額定值以內，必須對調速狀態的電動機進行核算。

通常電動機功率的確定是根據機械負載轉矩及轉速的要求，計算出所需配套電動機的負載功率Pl，依據計算值選擇電動機的額定功率PN略大于Pl。一般用以下公式：

PN>Pl= Tl*nN/9565 (kW) (3-4)

式中 Tl---折算到電動機軸上的負載轉矩(N.m）

nN---電動機的額定轉速(r/min)

當負載轉矩恒定，在此基礎上在電動機基速以上調速時，其額定功率應按最高工作轉速進行校正：

PN>Tl*nmax/9565 (kW) &nbs