[科普中國]-交流調(diào)速

所謂交流調(diào)速系統(tǒng),就是以交流電動(dòng)機(jī)作為一種“電能→機(jī)械能”的轉(zhuǎn)換裝置,并通過對(duì)電能（電壓、電流、頻率）的控制來產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。其中交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的最大不同之處就在于交流電動(dòng)機(jī)沒有直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器——整流子。其中，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)一周相關(guān)繞組線圈會(huì)兩次經(jīng)過同一定向磁場(chǎng)，這樣就會(huì)使該繞組中的感應(yīng)電流發(fā)生方向的改變，整流子的作用就是使輸出的電流方向不變。1

交流調(diào)速的發(fā)展與特點(diǎn)直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)是電氣調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分,兩者有類似的地方,交流調(diào)速采用交流電動(dòng)機(jī),在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)總量中,約90%都是交流電動(dòng)機(jī)。

在以往相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里,由于實(shí)現(xiàn)交流變頻困難,價(jià)格貴,而且交流電動(dòng)機(jī)中的同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速幾乎完全依賴于變頻方法,故交流調(diào)速只限于異步電動(dòng)機(jī)的變極、轉(zhuǎn)子回路串電阻等簡(jiǎn)單的調(diào)速方式,無法與具有良好啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能的直流調(diào)速競(jìng)爭(zhēng)。近20年來,隨著電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)和各類變頻裝置的迅速發(fā)展和應(yīng)用,使交流調(diào)速系統(tǒng)具有較寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可在四象限運(yùn)行等優(yōu)良性能,可與直流調(diào)速相媲美。此外,交流調(diào)速系統(tǒng)具有占地面積減少和維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),尤其是在大容量場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)更為明顯。因此交流調(diào)速系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用,時(shí)至今日,交流調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展到與直流調(diào)速系統(tǒng)平起平坐的局面。2

交流調(diào)速方法單相電動(dòng)機(jī)一般有兩種不同的起動(dòng)方式:采用起動(dòng)電容移相起動(dòng)和采用整流子換向起動(dòng),采用這種啟動(dòng)方式的電機(jī)一般是四極(兩對(duì)磁極)異步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速公式為:

其中f為電網(wǎng)頻率,p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

根據(jù)工作原理的不同,交流電動(dòng)機(jī)又分成交流異步電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī)兩種。在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門交流異步電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)占到交流電動(dòng)機(jī)的80%以上,單在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域交流異步電動(dòng)機(jī)也已占到90%以上的份額,。

異步電動(dòng)機(jī)所謂異步,是指定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率嚴(yán)格對(duì)應(yīng)稱為同步轉(zhuǎn)速,所以轉(zhuǎn)差率就是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差再除以定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)。對(duì)于異步機(jī),電機(jī)學(xué)沒有像直流機(jī)那樣利用理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降來表達(dá)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速的刻化是借助了同步轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)差率S。然而作為電動(dòng)機(jī)的一種,異步機(jī)轉(zhuǎn)速事實(shí)上同樣是由理想空載轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)速降△n構(gòu)成的,這是由電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的普遍規(guī)律所決定的,也是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的普遍表達(dá)形式。

式中,n1為同步轉(zhuǎn)速,n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

原理:定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流,轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),這個(gè)旋轉(zhuǎn)的方向與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致。無外力影響的情況下,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度低于定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的速度。定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度之差與定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度之比就是轉(zhuǎn)差率。

在實(shí)際使用中,往往要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,即調(diào)速,三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

式中,n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min),p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù),f為供電電源頻率(Hz),S為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

由轉(zhuǎn)速公式可知,通過改變定子電壓頻率f、極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)差率S都可以實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié),具體可以歸納為變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速三大類,而變轉(zhuǎn)差率調(diào)速又包括調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等,它們都屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速方法。3

變極調(diào)速變極調(diào)速通過改變磁極對(duì)數(shù)p來調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此種調(diào)速屬于有級(jí)調(diào)速,轉(zhuǎn)速不能連續(xù)調(diào)節(jié),其機(jī)械特性如右圖a所示。

變極調(diào)速只適用于變極電動(dòng)機(jī),在電動(dòng)機(jī)制造時(shí)安裝多套繞組,在運(yùn)行時(shí)通過外部開關(guān)設(shè)備控制繞組的連接方式來改變磁極對(duì)數(shù),從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其優(yōu)點(diǎn)是:在每一個(gè)轉(zhuǎn)速等級(jí)下,具有較硬的機(jī)械特性,穩(wěn)定性好。其缺點(diǎn)是:轉(zhuǎn)速只能在幾個(gè)速度級(jí)上改變,調(diào)速平滑性差;在某些接線方式下最大轉(zhuǎn)矩減小,只適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速;電動(dòng)機(jī)體積大,制造成本高。

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即以改變轉(zhuǎn)差率s來達(dá)到調(diào)速的目的。此種方法可通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：

1、調(diào)壓調(diào)速：改變異步電動(dòng)機(jī)端電壓進(jìn)行調(diào)速,其機(jī)械特性如右圖b所示。調(diào)壓調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差功率損耗在轉(zhuǎn)子里或外接電阻上,效率較低,僅用于特殊籠型和繞線轉(zhuǎn)子等小容量電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。由特性曲線看出,當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子電壓改變時(shí),可以使工作點(diǎn)處于不同的工作曲線上,從而改變電動(dòng)機(jī)的工作速度。降壓調(diào)速的特點(diǎn)是調(diào)速范圍窄;機(jī)械特性軟;適用范圍窄。為改善調(diào)速特性,一般使用閉環(huán)工作方式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速：在轉(zhuǎn)子外電路上接入可變電阻,以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速,其機(jī)械特性如右圖c所示。

串電阻調(diào)速適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),通過在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入不同阻值的電阻,人為改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度,從而改變?cè)谀撤N負(fù)載特性下的轉(zhuǎn)速。其優(yōu)點(diǎn)是:設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、易于實(shí)現(xiàn)、操作方便,既可實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速,也可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。其缺點(diǎn)是:轉(zhuǎn)差功率損耗在電阻上,效率隨轉(zhuǎn)差率增加而等比下降,在低速時(shí)機(jī)械特性軟,靜差率大。

3、轉(zhuǎn)子申附加電動(dòng)勢(shì)調(diào)速(串級(jí)調(diào)速)：在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中附加電動(dòng)勢(shì),從而改變轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)速的一種方式,其機(jī)械特性如右圖d所示：

串級(jí)調(diào)速方式是轉(zhuǎn)子回路串電阻方式的改進(jìn),基本工作方式也是通過改變轉(zhuǎn)子回路的等效阻抗從而改變電動(dòng)機(jī)的工作特性,達(dá)到調(diào)速的目的。實(shí)現(xiàn)方式是：在轉(zhuǎn)子回路中串入一個(gè)可變的直流電動(dòng)勢(shì)Ead,從而改變轉(zhuǎn)子回路的回路電流,進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。相比于其他調(diào)速方式,串級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是:可以通過某種控制方式,使轉(zhuǎn)子回路的能量回饋到電網(wǎng),從而提高效率;在適當(dāng)?shù)目刂品绞较?可以實(shí)現(xiàn)低同步或高同步的連續(xù)調(diào)速。缺點(diǎn)是:只能適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),且控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。

4、應(yīng)用電磁離合器調(diào)速(轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī))：在籠型異步電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間串接電磁轉(zhuǎn)差離合器,通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)差離合器的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)速。

這種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差能量損耗在耦合器上,效率低,僅適用于調(diào)速性能要求不高的小容量傳動(dòng)控制系統(tǒng)中。

變頻調(diào)速變頻調(diào)速是利用電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性,通過改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速的一種方法,其機(jī)械特性如右圖e所示。

從特性曲線可以看出,如果能連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率,就可以連續(xù)地改變其同步轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)連續(xù)地改變。從調(diào)速特性上看,變頻調(diào)速的任何一個(gè)速度段的硬度均接近自然機(jī)械特性,調(diào)速特性好;如果能有一個(gè)可變頻率的交流電源,就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速,且平滑性好。這種調(diào)速方法可適用于籠型電動(dòng)機(jī),因而應(yīng)用范圍廣。

交流異步電動(dòng)機(jī)作為電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的設(shè)備,最重要的性能之一是機(jī)械特性,由于變頻調(diào)速在運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、調(diào)速的平滑性、調(diào)速的機(jī)械特性這幾個(gè)方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì),因此它是交流異步電動(dòng)機(jī)比較理想的一種調(diào)速方法,也是交流調(diào)速的首選方法。4

交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本類型以交流電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象來完成各種生產(chǎn)加工過程的裝置叫交流調(diào)速系統(tǒng),使用以上不同調(diào)速方法的交流調(diào)速系統(tǒng)可具體成變極調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)等。通過考察這些系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)如何處理轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm。(從交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理知道：電動(dòng)機(jī)從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分成兩部分,一部分Pd=(1-s)Pm,是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率;另一部分Ps=sPm,是轉(zhuǎn)差功率),是消耗掉還是回饋給電網(wǎng),從而可衡量此系統(tǒng)效率的高低。一般按轉(zhuǎn)差功率是否消耗,把交流調(diào)速系統(tǒng)分為三大類：

轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)在能量傳遞過程中轉(zhuǎn)差功率全部都轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉,比如降電壓調(diào)速系統(tǒng)、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)。這類調(diào)速系統(tǒng)效率最低,是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低。但這類調(diào)速系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,在性能要求不高的小容量場(chǎng)合還有一定應(yīng)用。

轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉了,大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械能予以利用,轉(zhuǎn)速越低時(shí)回收的功率也越多,比如繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速屬于這一類。用這種調(diào)速方法組成的系統(tǒng)效率最高,結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,不容易實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)這類系統(tǒng)中無論轉(zhuǎn)速的高低,轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變,比如變頻調(diào)速、變極調(diào)速均屬于這一類。其中變極對(duì)數(shù)p的調(diào)速方法,只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速,應(yīng)用場(chǎng)合有限。而變頻調(diào)速方法效率很高,性能最優(yōu),應(yīng)用最多、最廣,能取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速,最有發(fā)展前途,是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向,是21世紀(jì)的主流。

對(duì)比以上交流調(diào)速系統(tǒng)的效率、性能和結(jié)構(gòu),可以看出,隨著電力電子器件及單片機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用,交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)已成為驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的首選系統(tǒng)。4

交流調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)交流調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是考評(píng)交流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)劣的依據(jù),在衡量交流調(diào)速系統(tǒng)性能好壞時(shí)應(yīng)依據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐的需求,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度全面評(píng)價(jià),下面介紹評(píng)價(jià)交流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)：

調(diào)速效率無論何種應(yīng)用,都希望調(diào)速效率越高越好,尤其是為了節(jié)能而采用的調(diào)速,對(duì)調(diào)速效率要求更加嚴(yán)格。調(diào)速系統(tǒng)的效率應(yīng)該分為調(diào)速電動(dòng)機(jī)本身的效率以及調(diào)速控制裝置的效率兩個(gè)部分,而通常由電力半導(dǎo)體構(gòu)成的調(diào)速控制裝置,效率都在95%以上,因此系統(tǒng)的效率重點(diǎn)表現(xiàn)在異步電動(dòng)機(jī)上。

調(diào)速平滑性在調(diào)速范圍內(nèi),以相鄰兩檔轉(zhuǎn)速的差值為標(biāo)志,差值越小調(diào)速越平滑。調(diào)速平滑性這個(gè)指標(biāo)表明系統(tǒng)可以獲得的轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度,通常用有級(jí)和無級(jí)來衡量。有級(jí)調(diào)速是階梯型的,各個(gè)調(diào)速速度之間不連續(xù);而無級(jí)調(diào)速則是直線型的,在調(diào)速范圍之內(nèi),速度點(diǎn)之間是連續(xù)的,大多數(shù)生產(chǎn)實(shí)踐都要求實(shí)現(xiàn)平滑性好的調(diào)速,這樣可以滿足各種生產(chǎn)條件的需求。

調(diào)速范圍調(diào)速范圍定義為最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比,但也可以反過來定義。調(diào)速范圍應(yīng)該依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要科學(xué)地確定,不要盲目追求過大范圍,因?yàn)閿U(kuò)大調(diào)速范圍通常要付出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的代價(jià)。同時(shí)調(diào)速范圍也受調(diào)速的方法約束,有些調(diào)速方法,例如改變磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速方法或轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速方法,無論如何也不能將調(diào)速范圍擴(kuò)得很大。這里所說的調(diào)速范圍(是指理論上能夠達(dá)到的),是相對(duì)地越大越好。

功率因數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)包含異步電動(dòng)機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)部分的功率因數(shù),并希望功率因數(shù)接近于1。

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí),輸出機(jī)械功率Pd=(1-s)Pm減小,輸入有功功率P1也多隨之減小,此時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)關(guān)鍵取決于勵(lì)磁無功功率Q1是否減小,如果Q1不變,調(diào)速的功率因數(shù)必然降低,如果Q1也減小,功率因數(shù)將得到改善。

調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù),主要與功率變頻裝置(變頻主電路)的結(jié)構(gòu)形式、控制電路的控制方式有關(guān)。功率變頻裝置(變頻主電路)如采用晶閘管變頻器,則功率因數(shù)較低;如采用SPWM變頻器,則功率因數(shù)較高。

諧波含量調(diào)速系統(tǒng)中的電力電子裝置都屬于產(chǎn)生畸變的非線性電路,因此調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生電流諧波是必然的。由于諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)和電源會(huì)產(chǎn)生不利影響,因此要求調(diào)速系統(tǒng)的諧波要小。

調(diào)速的工作特性調(diào)速的工作特性有兩個(gè)方面:靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性主要反映的是調(diào)速過程中機(jī)械特性的硬度。對(duì)于絕大多數(shù)負(fù)載來說,機(jī)械特性越硬,則負(fù)載變化時(shí)速度變化越小,工作越穩(wěn)定。所以希望機(jī)械特性越硬越好。動(dòng)態(tài)特性即在暫態(tài)過程中表現(xiàn)出來的特性,主要指標(biāo)有兩個(gè)方面：一是升速(包括起動(dòng))和降速(包括制動(dòng))過程是否快捷而平穩(wěn)：二是當(dāng)負(fù)載突然增、減或電壓突然變化時(shí),系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速能否迅速地恢復(fù)。

以上性能指標(biāo)過于科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、專業(yè)化,對(duì)于大多數(shù)以節(jié)能為目標(biāo)的用戶和生產(chǎn)技術(shù)人員,簡(jiǎn)單、通俗的考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更實(shí)用,為此,可以將上述的內(nèi)容凝練成以下三性:①節(jié)能性。節(jié)能性主要考核調(diào)速系統(tǒng)的效率,平均不低于85%。②可靠性?？煽啃愿叩囊笫请妱?dòng)機(jī)和控制裝置的故障率低,過載能力強(qiáng)。③經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性高的表現(xiàn)是價(jià)格相對(duì)低廉,維護(hù)費(fèi)用小，投資回期短。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)