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据统计, 世界上有60%左右的发电量是电动机消耗的。 在我国, 各类电动机的装机容量已超过4 亿kW, 其中异步电动机约占90%, 而在4 亿kW 的电动机负载中, 约有50%是负载变动的, 其中的30%可以使用电动机调速。 因此, 就目前的市场容量考虑, 约有6 000万kW 的调速电动机市场。 我们知道, 电动机只有在额定负载下运行效率才高, 由于安全等方面的考虑, 电动机常常处于低效运行状态。 因此, 电动机调速一直被广泛关注。

直流调速由于换向困难、 维修不方便等缺点, 已经逐步被交流调速所取代。 自20 世纪60 年代开始, 随着电力电子技术、 大规模集成电路技术, 以及计算机技术的快速发展, 交流调速已经提高到了一个新的水平。

根据三相异步电动机原理可知, 电动机的转速表达式为:

由上式可知, 要想改变电动机转速n, 可以通过改变磁极对数p、 电源频率f 及转差率s 来实现, 这3 种方法分别称为变极调速、 变频调速和变转差率调速。 变极调速如前所述,这里对变频调速和变转差率调速做一下介绍。

1. 变频调速

变频调速是通过改变电动机定子电源的频率, 从而改变其同步转速的调速方法。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。 变频器可分成交-直-交变频器和交-交变频器两大类, 目前国内大都使用交-直-交变频器。 其优点是效率高、 调速过程中没有附加损耗; 应用范围广, 可用于三相笼型异步电动机; 调速范围大, 精度高。 缺点是技术复杂、 造价高、 维护检修困难。 变频调速主要适用于要求精度高、 调速性能较好的场合, 是风机、 泵类设备的最佳节能改造技术。

2. 变转差率调速

1) 变转差率调速的方法

变转差率调速的方法主要有以下几种。

(1) 调压调速。 三相异步电动机的转矩(在一定转差率下) 与定子电压的平方成正比,因此改变定子电压也就可以改变转矩及机械性能, 从而实现调速。 定子电压可通过晶闸管三相“交流开关” 来调节, 其调速范围较宽、 简单可靠、 价格便宜, 缺点是低速时功率因数低、 损耗大、 效率低、 发热严重。 这种调速方法调压范围有限、 输出特性软、 不能承受重载。

(2) 串电阻调速。 转子回路串联电阻可以改变转子电流, 从而改变其机械特性曲线,达到调速的目的。 这种方法调速性能较差、 机械特性软, 而且转差功率以热能的形式消耗在外接电阻上, 效率太低。 因此, 该方法已渐渐被其他节能调速所取代。

(3) 电磁转差离合器调速。 这种方法是通过改变与电动机相连的电磁转差离合器的励磁电流来实现调速的, 因此, 电动机本身在该方法中并不调速。 电磁转差离合器调速具有控制简单、 操作方便、 维护保养容易、 运行可靠、 调速精确、 价格便宜等优点, 但采用这种方法, 电动机低速运转时损耗大、 效率低。(www.xing528.com)

(4) 串级调速。 串级调速与变频调速均属于无级调速, 它是通过在转子回路引入附加电势的方法, 通过调节附加电势的大小, 来调节电动机的转矩和转数。 这种方法调速范围宽、 结构简单、 效率高、 可靠性高。 缺点是过载能力差(比原电动机降低17%), 功率因数较低, 谐波电流较大, 还需专门的启动设备。 1984 年研制出的斩波式逆变器串级调速方法,可以大大降低无功损耗, 提高功率因数, 减少高次谐波分量, 从而提高调速效率。

电动机变转差率调速的方法除了以上4 种外, 还有双馈调速、 斩波式内反馈调速等方法, 这里不再一一详述。

2) 调速系统的分类

根据对转差功率处理方法的不同, 调速系统可以分为如下3 种。

(1) 转差功率消耗型调速系统。 这种调速系统中的转差功率会全部被转化成热能消耗掉, 其特点是系统的效率低, 结构简单。 调压调速系统、 绕线式异步电动机串电阻调速系统、 电磁转差离合器调速系统均属于此类。

(2) 转差功率回馈型调速系统。 这种调速系统中的转差功率少部分被消耗掉, 大部分通过交流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用, 其特点是效率较高。 串级调速系统属于该类系统。

(3) 转差功率不变型调速系统。 这种调速系统在调速过程中, 转差功率基本不变, 其特点是效率相比其他方法最高。 变极调速系统、 变频调速系统均属此类。

思考与练习

1. 三相异步电动机的调速方法有哪些?

2. 变极调速的基本原理是什么?