交流调速

所谓交流调速系统,就是以交流电动机作为一种“电能→机械能”的转换装置,并通过对电能（电压、电流、频率）的控制来产生所需的转矩和转速。其中交流电动机与直流电动机的最大不同之处就在于交流电动机没有直流电动机的机械换向器——整流子。其中，电机在转动时，每转一周相关绕组线圈会两次经过同一定向磁场，这样就会使该绕组中的感应电流发生方向的改变，整流子的作用就是使输出的电流方向不变。

交流调速的发展与特点

直流调速系统和交流调速系统是电气调速自动控制系统的两个重要组成部分,两者有类似的地方,交流调速采用交流电动机,在运行的电动机总量中,约90%都是交流电动机。

在以往相当长的一段时间里,由于实现交流变频困难,价格贵,而且交流电动机中的同步电动机的调速几乎完全依赖于变频方法,故交流调速只限于异步电动机的变极、转子回路串电阻等简单的调速方式,无法与具有良好启动、制动和调速性能的直流调速竞争。近20年来,随着电力电子技术、大规模集成电路、计算机控制技术、矢量控制技术和各类变频装置的迅速发展和应用,使交流调速系统具有较宽的调速范围、较高的稳态精度、快速的动态响应以及可在四象限运行等优良性能,可与直流调速相媲美。此外,交流调速系统具有占地面积减少和维修费用低等优点,尤其是在大容量场合优势更为明显。因此交流调速系统得到越来越广泛的应用,时至今日,交流调速系统已发展到与直流调速系统平起平坐的局面。

交流调速方法

单相电动机一般有两种不同的起动方式:采用起动电容移相起动和采用整流子换向起动,采用这种启动方式的电机一般是四极(两对磁极)异步电动机,转速公式为:

其中f为电网频率,p为电机磁极对数。

根据工作原理的不同,交流电动机又分成交流异步电动机和交流同步电动机两种。在国民经济的各个部门交流异步电动机的台数占到交流电动机的80%以上,单在工业生产领域交流异步电动机也已占到90%以上的份额,。

异步电动机所谓异步,是指定子旋转磁场转速和转子转速不同。定子旋转磁场的转速和电网频率严格对应称为同步转速,所以转差率就是定子旋转磁场转速与转子转速之差再除以定子旋转磁场转速(同步转速)。对于异步机,电机学没有像直流机那样利用理想空载转速和转速降来表达转速,转速的刻化是借助了同步转速n1和转差率S。然而作为电动机的一种,异步机转速事实上同样是由理想空载转速n0和转速降△n构成的,这是由电动机机械特性的普遍规律所决定的,也是电动机转速的普遍表达形式。

式中,n1为同步转速,n为电动机转速。

原理:定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场,旋转磁场切割转子导体产生感应电动势,感应电动势在导体内产生电流,转子电流与定子磁场相互作用产生电磁力,带动转子旋转,这个旋转的方向与定子的旋转磁场的方向一致。无外力影响的情况下,转子旋转的速度低于定子磁场旋转的速度。定子磁场旋转的速度与转子旋转的速度之差与定子磁场的旋转速度之比就是转差率。

在实际使用中,往往要改变异步电动机的转速,即调速,三相交流异步电动机转速公式为：

式中,n为电动机的转速(r/min),p为电动机极对数,f为供电电源频率(Hz),S为异步电动机的转差率。

由转速公式可知,通过改变定子电压频率f、极对数p和转差率S都可以实现交流异步电动机的速度调节,具体可以归纳为变极调速、变转差率调速和变频调速三大类,而变转差率调速又包括调压调速、转子串电阻调速、串级调速等,它们都属于转差功率消耗型调速方法。

变极调速

变极调速通过改变磁极对数p来调节交流电动机的转速。此种调速属于有级调速,转速不能连续调节,其机械特性如图1a所示。

变极调速只适用于变极电动机,在电动机制造时安装多套绕组,在运行时通过外部开关设备控制绕组的连接方式来改变磁极对数,从而改变电动机的转速。其优点是:在每一个转速等级下,具有较硬的机械特性,稳定性好。其缺点是:转速只能在几个速度级上改变,调速平滑性差;在某些接线方式下最大转矩减小,只适用于风机、泵类负载调速;电动机体积大,制造成本高。

变转差率调速

变转差率调速即以改变转差率s来达到调速的目的。此种方法可通过以下几种方式实现：

1、调压调速：改变异步电动机端电压进行调速,其机械特性如图1b所示。调压调速过程中的转差功率损耗在转子里或外接电阻上,效率较低,仅用于特殊笼型和绕线转子等小容量电动机调速系统中。由特性曲线看出,当电动机定子电压改变时,可以使工作点处于不同的工作曲线上,从而改变电动机的工作速度。降压调速的特点是调速范围窄;机械特性软;适用范围窄。为改善调速特性,一般使用闭环工作方式,系统结构复杂。

2、转子串电阻调速：在转子外电路上接入可变电阻,以改变电动机的转差率实现调速,其机械特性如图1c所示。

串电阻调速适用于绕线转子异步电动机,通过在电动机转子回路中串入不同阻值的电阻,人为改变电动机机械特性的硬度,从而改变在某种负载特性下的转速。其优点是:设备简单、价格便宜、易于实现、操作方便,既可实现有级调速,也可实现无级调速。其缺点是:转差功率损耗在电阻上,效率随转差率增加而等比下降,在低速时机械特性软,静差率大。

3、转子申附加电动势调速(串级调速)：在异步电动机的转子回路中附加电动势,从而改变转差率进行调速的一种方式,其机械特性如图d1所示：

串级调速方式是转子回路串电阻方式的改进,基本工作方式也是通过改变转子回路的等效阻抗从而改变电动机的工作特性,达到调速的目的。实现方式是：在转子回路中串入一个可变的直流电动势Ead,从而改变转子回路的回路电流,进而改变电动机转速。相比于其他调速方式,串级调速的优点是:可以通过某种控制方式,使转子回路的能量回馈到电网,从而提高效率;在适当的控制方式下,可以实现低同步或高同步的连续调速。缺点是:只能适用于绕线转子异步电动机,且控制系统相对复杂。

4、应用电磁离合器调速(转差电动机)：在笼型异步电动机和负载之间串接电磁转差离合器,通过调节电磁转差离合器的励磁电流进行调速。

这种调速系统的优点：结构简单,价格便宜。缺点：在调速过程中转差能量损耗在耦合器上,效率低,仅适用于调速性能要求不高的小容量传动控制系统中。

变频调速

变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性,通过改变电动机的供电频率进行调速的一种方法,其机械特性如图1e所示。

从特性曲线可以看出,如果能连续地改变电动机的电源频率,就可以连续地改变其同步转速,电动机的转速则可以在一个较宽的范围内连续地改变。从调速特性上看,变频调速的任何一个速度段的硬度均接近自然机械特性,调速特性好;如果能有一个可变频率的交流电源,就可以实现连续调速,且平滑性好。这种调速方法可适用于笼型电动机,因而应用范围广。

交流异步电动机作为电能与机械能转换的设备,最重要的性能之一是机械特性,由于变频调速在运行的经济性、调速的平滑性、调速的机械特性这几个方面都具有明显的优势,因此它是交流异步电动机比较理想的一种调速方法,也是交流调速的首选方法。

交流异步电动机调速系统的基本类型

以交流电动机作为控制对象来完成各种生产加工过程的装置叫交流调速系统,使用以上不同调速方法的交流调速系统可具体成变极调速系统、交流调压调速系统、绕线转子异步电动机转子串电阻调速系统、串级调速系统、电磁转差离合器调速系统、变频调速系统等。通过考察这些系统在调速时如何处理转差功率Ps=sPm。(从交流异步电动机的工作原理知道：电动机从定子传入转子的电磁功率Pm可分成两部分,一部分Pd=(1-s)Pm,是拖动负载的有效功率;另一部分Ps=sPm,是转差功率),是消耗掉还是回馈给电网,从而可衡量此系统效率的高低。一般按转差功率是否消耗,把交流调速系统分为三大类：

转差功率消耗型调速系统

转差功率消耗型调速系统在能量传递过程中转差功率全部都转换成热能而消耗掉,比如降电压调速系统、电磁转差离合器调速系统、绕线转子异步电动机转子串电阻调速系统。这类调速系统效率最低,是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低。但这类调速系统组成的结构最简单,在性能要求不高的小容量场合还有一定应用。

转差功率回馈型调速系统

转差功率的一部分消耗掉了,大部分则通过变流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用,转速越低时回收的功率也越多,比如绕线转子异步电动机串级调速属于这一类。用这种调速方法组成的系统效率最高,结构最复杂,不容易实现。

转差功率不变型调速系统

这类系统中无论转速的高低,转差功率的消耗基本不变,比如变频调速、变极调速均属于这一类。其中变极对数p的调速方法,只能实现有级调速,应用场合有限。而变频调速方法效率很高,性能最优,应用最多、最广,能取代直流电动机调速,最有发展前途,是交流调速的主要发展方向,是21世纪的主流。

对比以上交流调速系统的效率、性能和结构,可以看出,随着电力电子器件及单片机的大规模应用,交流异步电动机变频调速系统已成为驱动交流异步电动机运行的首选系统。

交流调速系统的主要性能指标

交流调速系统的主要性能指标是考评交流调速系统优劣的依据,在衡量交流调速系统性能好坏时应依据生产实践的需求,从技术和经济角度全面评价,下面介绍评价交流调速系统的技术性能指标：

调速效率

无论何种应用,都希望调速效率越高越好,尤其是为了节能而采用的调速,对调速效率要求更加严格。调速系统的效率应该分为调速电动机本身的效率以及调速控制装置的效率两个部分,而通常由电力半导体构成的调速控制装置,效率都在95%以上,因此系统的效率重点表现在异步电动机上。

调速平滑性

在调速范围内,以相邻两档转速的差值为标志,差值越小调速越平滑。调速平滑性这个指标表明系统可以获得的转速的准确度,通常用有级和无级来衡量。有级调速是阶梯型的,各个调速速度之间不连续;而无级调速则是直线型的,在调速范围之内,速度点之间是连续的,大多数生产实践都要求实现平滑性好的调速,这样可以满足各种生产条件的需求。

调速范围

调速范围定义为最高转速与最低转速之比,但也可以反过来定义。调速范围应该依据实际生产需要科学地确定,不要盲目追求过大范围,因为扩大调速范围通常要付出技术和经济的代价。同时调速范围也受调速的方法约束,有些调速方法,例如改变磁极对数的调速方法或转差功率消耗型的调速方法,无论如何也不能将调速范围扩得很大。这里所说的调速范围(是指理论上能够达到的),是相对地越大越好。

功率因数

调速系统的功率因数包含异步电动机和调速系统两个部分的功率因数,并希望功率因数接近于1。

对于异步电动机,当转速下降时,输出机械功率Pd=(1-s)Pm减小,输入有功功率P1也多随之减小,此时的异步电动机功率因数关键取决于励磁无功功率Q1是否减小,如果Q1不变,调速的功率因数必然降低,如果Q1也减小,功率因数将得到改善。

调速系统的功率因数,主要与功率变频装置(变频主电路)的结构形式、控制电路的控制方式有关。功率变频装置(变频主电路)如采用晶闸管变频器,则功率因数较低;如采用SPWM变频器,则功率因数较高。

谐波含量

调速系统中的电力电子装置都属于产生畸变的非线性电路,因此调速系统产生电流谐波是必然的。由于谐波对电动机和电源会产生不利影响,因此要求调速系统的谐波要小。

调速的工作特性

调速的工作特性有两个方面:静态特性和动态特性。静态特性主要反映的是调速过程中机械特性的硬度。对于绝大多数负载来说,机械特性越硬,则负载变化时速度变化越小,工作越稳定。所以希望机械特性越硬越好。动态特性即在暂态过程中表现出来的特性,主要指标有两个方面：一是升速(包括起动)和降速(包括制动)过程是否快捷而平稳：二是当负载突然增、减或电压突然变化时,系统的转速能否迅速地恢复。

以上性能指标过于科学、严谨、专业化,对于大多数以节能为目标的用户和生产技术人员,简单、通俗的考评标准会更实用,为此,可以将上述的内容凝练成以下三性:①节能性。节能性主要考核调速系统的效率,平均不低于85%。②可靠性。可靠性高的要求是电动机和控制装置的故障率低,过载能力强。③经济性。经济性高的表现是价格相对低廉,维护费用小，投资回期短。

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