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交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速及節(jié)能

日期：2006-06-13　

山東省輕工設(shè)計(jì)院劉安堂董平

前言：在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用節(jié)能技術(shù)，尤其異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)是每一個(gè)工程師必須了解的技術(shù)之一，本文就有關(guān)知識(shí)及注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：節(jié)能調(diào)速負(fù)荷特性匹配

一、概述

構(gòu)建節(jié)能型社會(huì)，就是動(dòng)員和推進(jìn)全社會(huì)在所有領(lǐng)域歷行節(jié)能，全面、深入、系統(tǒng)地提高能效，從而取得比常規(guī)節(jié)能大得多的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。構(gòu)建節(jié)能型社會(huì)，是改變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量的重要途經(jīng)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高增長(zhǎng)仍然是靠消耗大量能源和原材料的低效益增長(zhǎng)。2003年我國(guó)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(yīng)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(dāng)于世間平均值得3.4倍。國(guó)家已經(jīng)決定加大能源建設(shè)投入，但強(qiáng)化節(jié)能是最現(xiàn)實(shí)、最經(jīng)濟(jì)的辦法。我國(guó)節(jié)能潛力十分巨大，可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能潛力以及節(jié)能的成本效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)新增生產(chǎn)力。

我國(guó)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量大、耗電量占全社會(huì)總用電量的比例高、應(yīng)用廣泛、能耗水平落后于國(guó)際先進(jìn)水平，節(jié)能潛力較大，采取必要的技術(shù)措施對(duì)生產(chǎn)企業(yè)不斷提高技術(shù)水平、提高電動(dòng)機(jī)效能、能效水平趕超國(guó)際先進(jìn)水平以及使電動(dòng)機(jī)高效率的運(yùn)行，最終達(dá)到節(jié)約能源將起到有力的保障作用。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，從產(chǎn)品制造源頭抓起，進(jìn)一步提高主要耗能產(chǎn)品能效水平，淘汰落后，加快推廣應(yīng)用高效節(jié)能產(chǎn)品，有效推動(dòng)高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)在工程項(xiàng)目中得到廣泛的使用，杜絕高耗能產(chǎn)品在設(shè)計(jì)文件中出現(xiàn)，這些工作是每一個(gè)工程設(shè)計(jì)者最基本的并盡心盡力的責(zé)任。選用了高效節(jié)能產(chǎn)品僅是設(shè)計(jì)者做到的第一步，我們都知道不同的生產(chǎn)工藝對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著不同的要求，這使得電動(dòng)機(jī)與其負(fù)載類(lèi)型很難做到完全匹配，造成電動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間處于低運(yùn)行效率狀態(tài)，達(dá)不到節(jié)能的目的。因此，決不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為選用了高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)就能達(dá)到節(jié)能的目的，應(yīng)該正確地結(jié)合不同生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)荷性質(zhì)，根據(jù)其轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速特性選定電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及控制方式，使電動(dòng)機(jī)的電氣特性與不同生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)荷性質(zhì)達(dá)到最佳匹配。本文就電動(dòng)機(jī)的控制方式及其與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載關(guān)系進(jìn)行初步地介紹，并就實(shí)際運(yùn)用中注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

二、生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載類(lèi)型

任何電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制器的選用均應(yīng)當(dāng)與負(fù)載的變化及性質(zhì)相適應(yīng)，設(shè)計(jì)中了解和掌握負(fù)載的性質(zhì)至關(guān)重要。生產(chǎn)機(jī)械的的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1隨轉(zhuǎn)速n而變化的特性[T1=f(n)]稱(chēng)為負(fù)載特性，通常有以下三種類(lèi)型。

A．恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)，在任何轉(zhuǎn)速下，T1總保持恒定或大致恒定，這類(lèi)負(fù)載稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它多數(shù)呈反抗性的，即T1的極性隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變，見(jiàn)圖2-1，軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、機(jī)床等均屬此類(lèi)負(fù)載；還有一種位勢(shì)性轉(zhuǎn)矩負(fù)載，T1的極性不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變，見(jiàn)圖2-2，電梯、卷?yè)P(yáng)機(jī)、起重機(jī)均屬于此類(lèi)。

B．恒功率負(fù)載

某些機(jī)械如機(jī)床的切削，通常在粗加工時(shí)切削量大，同時(shí)阻轉(zhuǎn)矩也大，一般采用低速；而精加工時(shí)切削量小，同時(shí)阻轉(zhuǎn)矩也小，通常采用高速。負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1與轉(zhuǎn)速n成反比，形成恒功率負(fù)載，見(jiàn)圖2-3。軋鋼機(jī)中的卷取機(jī)及開(kāi)卷機(jī)要求恒張力軋制時(shí)也屬恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)是就一定的速度變化范圍而言的，當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度限制，T1不可能無(wú)限增大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)轉(zhuǎn)為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。

負(fù)載的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對(duì)傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響，電動(dòng)機(jī)（無(wú)論是交流電動(dòng)機(jī)還是直流電動(dòng)機(jī)）在恒磁調(diào)速時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩不變---恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時(shí)，最大輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比---恒功率調(diào)速。如果電機(jī)的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)調(diào)速范圍與負(fù)載的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)一致，電動(dòng)機(jī)及其供電裝置配套功率最小；但若負(fù)載恒功率區(qū)很寬，要繼續(xù)維持上述關(guān)系，將要求特殊的寬弱磁調(diào)速范圍電機(jī)，這給電機(jī)制造及控制帶來(lái)困難，成本反而增高，這時(shí)需尋找一個(gè)折衷方案，適當(dāng)增大電機(jī)功率，減少弱磁調(diào)速范圍。

C．風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載

在各種風(fēng)機(jī)、水泵、油泵中，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣、水、油對(duì)葉片的阻力在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大致與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，其特性曲線見(jiàn)圖2-4。圖中T10系機(jī)械傳動(dòng)部分的磨擦阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)起動(dòng)時(shí)速度低，阻力矩小易起動(dòng)；在額定速度附近，較小的n變化將使機(jī)械出力有較大的變化。

三、交流傳動(dòng)系統(tǒng)的常用調(diào)速方案比選

在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，隨著電力電子器件、微電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)和控制理論的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)也隨著發(fā)生了巨大的變化。電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)、晶閘管低同步串級(jí)調(diào)速裝置、變壓調(diào)速裝置、變頻調(diào)速控制器等新型調(diào)速系統(tǒng)在不同行業(yè)得到廣泛應(yīng)用；微型計(jì)算機(jī)、矢量變換控制技術(shù)在高性能交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越多、越來(lái)越成熟穩(wěn)定。歷來(lái)以恒速形式運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備，已大量的采用交流調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)，大量地節(jié)約了能源；傳統(tǒng)上采用直流傳動(dòng)的軋鋼、造紙、提升機(jī)械以及加工機(jī)床、機(jī)器人所用的伺服系統(tǒng)等，也已經(jīng)在用新型高效的交流調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)所取代。

交流異電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)一般均以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化為基本，交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f*(1-s)/p （3-1）

式中： p---極對(duì)數(shù) f---供電電源頻率（Hz）

s---轉(zhuǎn)差率（同步電動(dòng)機(jī)時(shí)s=0）

通過(guò)對(duì)公式分析，交流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方式：

（1）改變極對(duì)數(shù)p （2）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s (3) 改變供電電源頻率f

A.變極調(diào)速

變換異步電動(dòng)機(jī)繞組極數(shù)從而改變同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的稱(chēng)為變極調(diào)速。其速度的變化是按階躍方式進(jìn)行，而不具備連續(xù)平穩(wěn)的特點(diǎn)。變極調(diào)速方式主要用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)的極數(shù)改變主要有兩種方式：其一是轉(zhuǎn)換單繞組接線改變極數(shù)的電動(dòng)機(jī)；其二是同一鐵芯設(shè)置兩個(gè)以上極數(shù)不同繞組的電動(dòng)機(jī)。典型接線詳圖3-1。

變極調(diào)速是一種高效的交流傳動(dòng)調(diào)速方案，控制簡(jiǎn)單只需要轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)或接觸器控制，早期投資較少，維護(hù)比較方便；統(tǒng)過(guò)改變繞組的聯(lián)接方式，可適應(yīng)不同負(fù)載特性的電動(dòng)機(jī)，如恒功率、恒轉(zhuǎn)矩及可變轉(zhuǎn)矩等負(fù)載；缺點(diǎn)是它只能有級(jí)調(diào)速，不能適應(yīng)速度控制精度比較高的場(chǎng)所；它最適用于只要求二三檔級(jí)差大的、調(diào)速不頻繁的場(chǎng)所；例如季節(jié)性調(diào)節(jié)流量的風(fēng)機(jī)水泵，鍋爐本體的上煤機(jī)、除渣機(jī)等，可控電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作特性

電氣特性序號(hào)	極數(shù)（2p） I聯(lián)結(jié)方法	極數(shù)（2*2p） II聯(lián)結(jié)方法	轉(zhuǎn)矩比 TII/TI	功率比 PII/PI	輸出特性
1	2Y	Y	1	0.5	恒轉(zhuǎn)矩
2	2Y	2Y	2	1	恒功率
3	2Y	△	1.732	0.866	可變轉(zhuǎn)矩
4	△	2Y	2.3	1.15	可變轉(zhuǎn)矩
5	2△	Y	0.577	0.288	可變轉(zhuǎn)矩

B.串級(jí)調(diào)速

串級(jí)調(diào)速是在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)串接接入一個(gè)二極管或晶閘管整流橋電路，將轉(zhuǎn)差頻率電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡儆弥绷麟妱?dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組或電子逆變器將轉(zhuǎn)差功率變?yōu)闄C(jī)械能加以利用，或使其返回電源以進(jìn)行調(diào)速的一種方式。其主要調(diào)速接線方式有：電氣串級(jí)調(diào)速方式，具有恒轉(zhuǎn)矩特性；電機(jī)串級(jí)調(diào)速方式，具有恒功率特性；其他還有低同步串級(jí)調(diào)速方式以及超同步串級(jí)調(diào)速方式。

在選擇晶閘管串級(jí)調(diào)速作為調(diào)速方式時(shí)，其配套電動(dòng)機(jī)容量確定應(yīng)特別如下因素的影響：

（1）最大轉(zhuǎn)矩的降低（2）電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的降低

（3）轉(zhuǎn)子電流集膚效應(yīng)和轉(zhuǎn)子損耗增大

確定電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)，應(yīng)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(jí)調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)所需功率

PM---正常計(jì)算預(yù)選電動(dòng)機(jī)功率

K----串級(jí)系數(shù)，一般取1.15左右

在選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí),應(yīng)比生產(chǎn)機(jī)械所需最高轉(zhuǎn)速高10%左右。

串級(jí)調(diào)速在早期的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用范圍較廣泛，隨微型計(jì)算機(jī)、矢量變換控制技術(shù)的發(fā)展其應(yīng)用范圍相對(duì)縮小，本文僅就選用注意事項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

C.電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)

電磁調(diào)速接線方式是在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間串接電磁耦合器，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁耦合器的勵(lì)磁電流，改變轉(zhuǎn)差率進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的一種調(diào)速方式；其系統(tǒng)主要由異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器、晶閘管勵(lì)磁電源及其控制部分組成。該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資較少，運(yùn)行可靠，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)均無(wú)影響，但在調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)差能量消耗在耦合器上，節(jié)電效率較低。適用于調(diào)速性能要求不高的小容量傳動(dòng)系統(tǒng)中，如一般工業(yè)傳動(dòng)和風(fēng)機(jī)泵類(lèi)機(jī)械的節(jié)能傳動(dòng)。例如在造紙廠制漿車(chē)間圓網(wǎng)濃縮機(jī)和抄紙機(jī)上均有所應(yīng)用。

一般情況下，電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性就是轉(zhuǎn)差離合器的機(jī)械特性，空載轉(zhuǎn)矩no不變，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速下降較多是軟特性。勵(lì)磁電流越小特性越軟，特性曲線詳圖3-3。這種機(jī)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(dòng)部分轉(zhuǎn)速 n2---離合器從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速

T---離合器轉(zhuǎn)矩 If ---勵(lì)磁電流

K---與離合器類(lèi)型有關(guān)的系數(shù)

采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效地改善其機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用是當(dāng)負(fù)載增加時(shí)引起從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速降低，由速度變化信號(hào)來(lái)控制勵(lì)磁電流的大小，從而使從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

D.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是基于利用異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨其輸入電源的頻率變化特性而進(jìn)行調(diào)速的系統(tǒng)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率進(jìn)行速度調(diào)節(jié)控制。變頻調(diào)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(fù)載換流）和強(qiáng)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(qiáng)迫換流范圍。

自然換流變頻器其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：以電源換流為基礎(chǔ)，不需要專(zhuān)門(mén)換流電路；易于實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)至電源側(cè)的功率回饋；沒(méi)有直流環(huán)節(jié)，直接換能，損耗較少效率高。但是其電路中晶閘管使用數(shù)量多，配套觸發(fā)電路極其復(fù)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(lái)極大的限制了其在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用范圍。

目前電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)大量使用的變頻器均為強(qiáng)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(lián)大容量的濾波電容，以提高直流電源質(zhì)量。輸出逆變器通常都是采用三相橋式逆變電路，通過(guò)改變快速晶閘管導(dǎo)通速率來(lái)控制輸出電源的頻率，從而達(dá)到控制電機(jī)速度的目的；換流電路是逆變器的核心，它對(duì)變頻裝置的性能指標(biāo)、工作可靠性以及裝置的造價(jià)、體積等方面起著決定性作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展變頻器生產(chǎn)廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種不同類(lèi)型的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同負(fù)載性質(zhì)的需要。在風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載的調(diào)速節(jié)能、輥道及抄紙機(jī)的多電機(jī)傳動(dòng)、軋鋼機(jī)及礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等低速大容量無(wú)齒輪傳動(dòng)，離心機(jī)及磨床等的高速傳動(dòng)均得到廣泛應(yīng)用。

變頻調(diào)速控制具有應(yīng)用范圍廣泛，技術(shù)性能先進(jìn)能夠適應(yīng)各種機(jī)械負(fù)載特性。然而由于其調(diào)速原理的原因，其本身存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：調(diào)速過(guò)程產(chǎn)生大量的高次諧波，回饋到電網(wǎng)對(duì)電源形成公害；由于輸出電源含有諧波成分較大，其傳導(dǎo)距離受到限制，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間間隔不宜過(guò)長(zhǎng)；電磁輻射易對(duì)周?chē)蹼娫O(shè)施造成干擾。因而施工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用諧波治理濾除設(shè)備；變頻器本身及配套電力電纜應(yīng)采取屏蔽措施，如選用屏蔽電纜等；與其相關(guān)的金屬構(gòu)件如電纜屏蔽層及變頻器外殼等做好接地保護(hù)，其接地阻值在滿足工頻阻值外（聯(lián)合接地阻小于1歐姆），還應(yīng)考慮諧波分量對(duì)接地的參數(shù)要求。

E.電動(dòng)機(jī)的校正

各種機(jī)械負(fù)荷配置調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)果都會(huì)引起配套電動(dòng)機(jī)電氣特性的變化，其輸出轉(zhuǎn)矩、功率及轉(zhuǎn)速都會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化；為了保證其特性的變化不能影響到機(jī)械負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)使電動(dòng)機(jī)工作在額定值以?xún)?nèi)，必須對(duì)調(diào)速狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行核算。

通常電動(dòng)機(jī)功率的確定是根據(jù)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求，計(jì)算出所需配套電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率Pl，依據(jù)計(jì)算值選擇電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m）

nN---電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min)

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定，在此基礎(chǔ)上在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)，其額定功率應(yīng)按最高工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行校正：

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

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