电动机调速、交流电动机变频调速

电动机调速、交流电动机变频调速
1．电动机为什么要调速？
电动机需要调速主要是由于电动机所服务的对象不同而提出的要求，因为不同的生产机械要求有不同的运行运度，甚至一台生产机械在不同的生产过程时需要不同的运行速度。

例如，轧制不同钢种或不同规格的钢材时，要求以不同的速度进行轧制，这就要求我们根据生产工艺的要求，来改变电机拖动系统的运转速度；例如，中央空调系统根据制冷或制热量的不同，要求调节压缩机的运转速度，等等。

这些也就是工程上所讲的调速问题。

联系到我们熟悉的风机和水泵，按生产和工艺要求，希望调节风量与流量，按理讲应该调节电动机的转速，但我们在许多场合中看到的是利用挡板阀门或者放空的办法来调节风量或流量，为什么不能调节电动机的转速，这是牵涉到很复杂的技术问题。

2．电动机调速与节能的关系
以大家熟悉的风机和水泵为例，来说明电动机调速与节能之间的关系。

风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：
上述式子中Q1、H1、P1分别代表转运n1时的流量、压力、功率。

Q2、H2、P2、分别代表转速n2时的流量、压力、功率。

即流量与转速的一次方成正比：压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。

由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。

例如：当转速降派到80％时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的（80％）3≈51％：若流量需减少到40％，则转速相应减少到40％，此时轴功率下降到额定功率的（40%）3≈6.4％。

从下图所示调节流量的H－Q特性曲线上也能清楚地看出调速与节能的关系。

风机（水泵）原来工作在A点，风量为Q1、风压为H1、转速为n1。

现需将风量由Q1调到Q2。

要实现此调节，无外乎两种方法：第一种方法是保持电机转速不变，通过调节风门来调节流量。

此时风机的对H-Q诗性曲线不变，仍为H1-Q。

而风门发生变化，即管路的阻
力特性发生了变化，回原来的h1-Q调至h2-Q（即管路阻力增加）。

由图可知，工作点由A 移动至B，相应的流量、风压分别为Q2、H2，此时消耗的功率正比与BH2OQ2所围的面积。

第二种方法是管路的阻力特性h1-Q保持不变（即风门不变），通过调节电机的转速来调节流量。

电机转速由n1调至n2，则风机的H-Q特性曲线由H1-Q变为H2-Q，该由线与阻力特性曲线h1-Q相交于C点，即为新的工作点，相应的流量、风压分别为Q2、H3，此时消耗的功率正比与CH3OQ2所围的面积。

显然第二种方法通过改变转速来调节流量所消耗的功率要小得多。

由以上分析可知，调运控制是风机、水泵节能的相当有效的措施。

我国曾在八十年代作过不完全统计，全国风机、水泵的年耗电量约占全部用电总量的三分之一，占全国工业用电的40～50％。

主要行业的调查数据见下表。

风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。

表风机水泵耗电量
3．如何调节电动机的转速
众所周知，电动机有两大类，一类是直流电动机：另一类是交流电动机。

交流电动机中用得最多的是异步电动机（感应电动机），转别是鼠笼式异步电动机。

两类电动机有不同的调速方法：
（1）直流电动机调速
直流电动机是指将直流电送到直流电动机，把直流电动机的电能转换成机械能。

这里首先要介绍如何将市电的交流电转换成需要的直流电。

六十年代以前采用的是发电机--电动机系统，这种方法只有在电动机由专用的发电机供电时才有可能。

另一种可控硅--电动机系统
（SCR-D）。

两种系统的原理示意图如下：
直流电动机的调速还比较方便，可以通过调节电枢供电电压，电枢中串联电阻，激磁回路串
联电阻来实现，其机械特性如图3所示：
可见直流动机调速有三种方法，而且调节电枢供电电压的方法容易实现平滑、无级、宽范围、低损耗的要求。

尽管直流电动机调速，就其性能而言，可以相当满意，但因其结构夏杂，惯量大，维护麻烦，不适宜在恶劣环境中运行，不易实现大容量化、高压化、高速化、价格昂贵。

（2）交流电动机调速
交流电动机刚好相反。

电动机结构简单、惯量小、维护方便，可在恶劣环境中运行，容易实现大容量化，高压化、高速化、价格低廉。

从节能的角度，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。

高效调速装置的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差动率回馈至电网。

低效调速装置的特点是：调速时改变转差，增加转差损耗。

a、具体的交流调还装置的分类如下：
高效调速包括：
变极对数调速——鼠笼式电机
变频调速——鼠笼式电机
串级调速——绕线式电机
天换向器电机调速——同步电机
低效调速包括：
定子调压调速——鼠笼式电机
电磁滑差离合器调速——鼠笼式电机
转子串电阻调速——绕线式电机
b、各种调速装置的特点
（1）变极对数调速
优点：①无附加差基损耗，效率高；
②控制电路简单，易维修，价格低；
③与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。

缺点：①有级调速，不能实现无级平滑的调速。

且由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2～3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。

（2）变频调速
优点：①无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；
②对于低负载运行时间较多，或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。

缺点：①技术较复杂，价格较高。

（3）天换向器电机调速
优点：①具有交流同步电动机结构简单和直流电动机良好的调速性能：
②低速时用电源电压、高速时用电机反电势自然换流，运行可靠；
③无附加转差损耗，效率高，适用于高速大容量同步电动机的启动和调速。

缺点：①过载能力较低，原有电机的容量不能充分发挥。

（4）串级调速
优点：①可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。

效率高；
②装置容量与调速范围成正比，适用于70％～95％的调速。

缺点：①功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。

（5）定子调压调速
优点：①线路简单，装置体积小，价格便宜；
②使用维修方便。

缺点：①调速过程中增加转差功率，且此功率全部用于转子发热，效率较低；
②调速范围比较小：
③要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一段适用于55kW 以下的异步电动机。

（6）电磁转差离合器调速
优点：①结构简单，控制装置容量小，价值便宜。

②运行可靠，维修容易。

③无谐波干扰。

缺点：①速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转运的80％～90％；
②调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。

（7）转子串电阻调速
优点：①技术要求较低，易于掌握；
②设备费用低；
③无电磁谐波干扰。

缺点：①串铸铁电阻只能进行有级调速。

若用液体电阻进行无级调速，则维护保养要求较高；
②调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低。

③调速范围不大。

综上所述，交流电动机最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。

随着电力电子技术的飞速发展，变频调速的性能指标完全可以达到甚至超过直流电
动机调速系统，它的机械特性如图4所示。

但是交流电动机的电源来自市电50Hz，无法改变，要实现变频调速，势必要设计一台专用的变频器，任务很清楚，且是，自从第一台交流电动机在1885年问世以后，人们一直致力于变频器的研究开发工作，终究未能取得突破性进展，夏到本世纪60年代以前，交流拖动主要只能用在恒速拖动，调速拖动可以说是直流电动机拖动一统天下，交流电动机尽管结构简单，价格低廉，但不能实现象直流电机那样调速性能的缺憾经历了将近一个世纪。