山東省輕工設計院   劉安堂  董平

前言：在工程設計中廣泛采用節能技術(shù)，尤其異步電動(dòng)機調速技術(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)知識及注意事項進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：節能 調速 負荷特性 匹配

一 、概述

構建節能型社會(huì )，就是動(dòng)員和推進(jìn)全社會(huì )在所有領(lǐng)域歷行節能，全面、深入、系統地提高能效，從而取得比常規節能大得多的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會(huì )效益。構建節能型社會(huì )，是改變經(jīng)濟增長(cháng)方式，提高經(jīng)濟增長(cháng)質(zhì)量的重要途經(jīng)。我國經(jīng)濟的高增長(cháng)仍然是靠消耗大量能源和原材料的低效益增長(cháng)。2003年我國消耗了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能耗相當于世間平均值得3.4倍。國家已經(jīng)決定加大能源建設投入，但強化節能是最現實(shí)、最經(jīng)濟的辦法。我國節能潛力十分巨大，可實(shí)現的節能潛力以及節能的成本效益遠遠超過(guò)新增生產(chǎn)力。

我國電動(dòng)機裝機容量大、耗電量占全社會(huì )總用電量的比例高、應用廣泛、能耗水平落后于國際先進(jìn)水平，節能潛力較大，采取必要的技術(shù)措施對生產(chǎn)企業(yè)不斷提高技術(shù)水平、提高電動(dòng)機效能、能效水平趕超國際先進(jìn)水平以及使電動(dòng)機高效率的運行，最終達到節約能源將起到有力的保障作用。根據我國的實(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，加快推廣應用高效節能產(chǎn)品，有效推動(dòng)高效節能電動(dòng)機在工程項目中得到廣泛的使用，杜絕高耗能產(chǎn)品在設計文件中出現，這些工作是每一個(gè)工程設計者最基本的并盡心盡力的責任。選用了高效節能產(chǎn)品僅是設計者做到的第一步，我們都知道不同的生產(chǎn)工藝對其驅動(dòng)電機有著(zhù)不同的要求，這使得電動(dòng)機與其負載類(lèi)型很難做到完全匹配，造成電動(dòng)機大部分時(shí)間處于低運行效率狀態(tài)，達不到節能的目的。因此，決不能簡(jiǎn)單地認為選用了高效節能電動(dòng)機就能達到節能的目的，應該正確地結合不同生產(chǎn)機械的負荷性質(zhì)，根據其轉矩、功率、轉速特性選定電動(dòng)機的起動(dòng)及控制方式，使電動(dòng)機的電氣特性與不同生產(chǎn)機械的負荷性質(zhì)達到最佳匹配。本文就電動(dòng)機的控制方式及其與生產(chǎn)機械的負載關(guān)系進(jìn)行初步地介紹，并就實(shí)際運用中注意事項進(jìn)行探討。

二 、生產(chǎn)機械的負載類(lèi)型

任何電動(dòng)機的調速控制器的選用均應當與負載的變化及性質(zhì)相適應，設計中了解和掌握負載的性質(zhì)至關(guān)重要。生產(chǎn)機械的的負載轉矩T1隨轉速n而變化的特性[T1=f(n)]稱(chēng)為負載特性，通常有以下三種類(lèi)型。

A．恒轉矩負載

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

B．恒功率負載

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

負載的恒功率和恒轉矩區對傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響，電動(dòng)機（無(wú)論是交流電動(dòng)機還是直流電動(dòng)機）在恒磁調速時(shí)最大輸出轉矩不變---恒轉矩調速；而在弱磁調速時(shí)，最大輸出轉矩與轉速成反比---恒功率調速。如果電機的恒功率和恒轉矩區調速范圍與負載的恒功率和恒轉矩區一致，電動(dòng)機及其供電裝置配套功率最??；但若負載恒功率區很寬，要繼續維持上述關(guān)系，將要求特殊的寬弱磁調速范圍電機，這給電機制造及控制帶來(lái)困難，成本反而增高，這時(shí)需尋找一個(gè)折衷方案，適當增大電機功率，減少弱磁調速范圍。

C．風(fēng)機、水泵類(lèi)負載

在各種風(fēng)機、水泵、油泵中，隨著(zhù)葉輪的轉動(dòng)，空氣、水、油對葉片的阻力在一定轉速范圍內大致與轉速n的平方成正比，其特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2-4。圖中T10系機械傳動(dòng)部分的磨擦阻轉矩，電機起動(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變化將使機械出力有較大的變化。

三 、交流傳動(dòng)系統的常用調速方案比選

在交流傳動(dòng)系統中，隨著(zhù)電力電子器件、微電子技術(shù)、電動(dòng)機和控制理論的發(fā)展，交流電動(dòng)機調速傳動(dòng)系統也隨著(zhù)發(fā)生了巨大的變化。電磁調速異步電動(dòng)機、晶閘管低同步串級調速裝置、變壓調速裝置、變頻調速控制器等新型調速系統在不同行業(yè)得到廣泛應用；微型計算機、矢量變換控制技術(shù)在高性能交流傳動(dòng)控制系統中應用越來(lái)越多、越來(lái)越成熟穩定。歷來(lái)以恒速形式運轉的風(fēng)機、泵類(lèi)機械傳動(dòng)設備，已大量的采用交流調速傳動(dòng)控制系統，大量地節約了能源；傳統上采用直流傳動(dòng)的軋鋼、造紙、提升機械以及加工機床、機器人所用的伺服系統等，也已經(jīng)在用新型高效的交流調速傳動(dòng)控制系統所取代。

交流異電動(dòng)機調速傳動(dòng)一般均以電動(dòng)機轉速變化為基本，交流電動(dòng)機轉速公式為：

n=60f*(1-s)/p             （3-1）

式中：     p---極對數                 f---供電電源頻率（Hz）

           s---轉差率（同步電動(dòng)機時(shí)s=0）

通過(guò)對公式分析，交流電動(dòng)機有三種基本調速方式：

（1） 改變極對數p      （2） 調節轉差率s    (3) 改變供電電源頻率f

A.變極調速

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

變極調速是一種高效的交流傳動(dòng)調速方案，控制簡(jiǎn)單只需要轉換開(kāi)關(guān)或接觸器控制，早期投資較少，維護比較方便；統過(guò)改變繞組的聯(lián)接方式，可適應不同負載特性的電動(dòng)機，如恒功率、恒轉矩及可變轉矩等負載；缺點(diǎn)是它只能有級調速，不能適應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差大的、調速不頻繁的場(chǎng)所；例如季節性調節流量的風(fēng)機水泵，鍋爐本體的上煤機、除渣機等，可控電動(dòng)機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)機工作特性

B.串級調速

串級調速是在異步電動(dòng)機的轉子側串接接入一個(gè)二極管或晶閘管整流橋電路，將轉差頻率電流轉變?yōu)橹绷麟?，再用直流電?dòng)機旋轉變流機組或電子逆變器將轉差功率變?yōu)闄C械能加以利用，或使其返回電源以進(jìn)行調速的一種方式。其主要調速接線(xiàn)方式有：電氣串級調速方式，具有恒轉矩特性；電機串級調速方式，具有恒功率特性；其他還有低同步串級調速方式以及超同步串級調速方式。

在選擇晶閘管串級調速作為調速方式時(shí)，其配套電動(dòng)機容量確定應特別如下因素的影響：

（1）最大轉矩的降低           （2）電動(dòng)機功率因數的降低

（3）轉子電流集膚效應和轉子損耗增大

確定電動(dòng)機額定功率時(shí)，應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---串級調速時(shí)電動(dòng)機所需功率

        PM---正常計算預選電動(dòng)機功率

        K----串級系數，一般取1.15左右

在選擇電動(dòng)機額定轉速時(shí),應比生產(chǎn)機械所需最高轉速高10%左右。

串級調速在早期的工業(yè)生產(chǎn)設備應用范圍較廣泛，隨微型計算機、矢量變換控制技術(shù)的發(fā)展其應用范圍相對縮小，本文僅就選用注意事項進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

C.電磁調速異步電動(dòng)機

電磁調速接線(xiàn)方式是在電動(dòng)機和負載之間串接電磁耦合器，通過(guò)調節電磁耦合器的勵磁電流，改變轉差率進(jìn)行速度調節的一種調速方式；其系統主要由異步電動(dòng)機、電磁轉差離合器、晶閘管勵磁電源及其控制部分組成。該調速系統結構簡(jiǎn)單，設備投資較少，運行可靠，對電網(wǎng)、電機均無(wú)影響，但在調速過(guò)程中轉差能量消耗在耦合器上，節電效率較低。適用于調速性能要求不高的小容量傳動(dòng)系統中，如一般工業(yè)傳動(dòng)和風(fēng)機泵類(lèi)機械的節能傳動(dòng)。例如在造紙廠(chǎng)制漿車(chē)間圓網(wǎng)濃縮機和抄紙機上均有所應用。

一般情況下，電磁調速電動(dòng)機的機械特性就是轉差離合器的機械特性，空載轉矩no不變，隨負載轉矩增加，轉速下降較多是軟特性。勵磁電流越小特性越軟，特性曲線(xiàn)詳圖3-3。這種機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)部分轉速    n2---離合器從動(dòng)部分轉速

          T---離合器轉矩             If ---勵磁電流

K---與離合器類(lèi)型有關(guān)的系數

     采用轉速負反饋閉環(huán)控制系統可以有效地改善其機械特性，轉速負反饋的作用是當負載增加時(shí)引起從動(dòng)部分轉速降低，由速度變化信號來(lái)控制勵磁電流的大小，從而使從動(dòng)部分轉速保持穩定。

D.變頻調速控制系統

變頻調速控制系統是基于利用異步電動(dòng)機的同步轉速隨其輸入電源的頻率變化特性而進(jìn)行調速的系統，通過(guò)改變電動(dòng)機的供電電源頻率進(jìn)行速度調節控制。變頻調速通常采用晶閘管作為控制元件，主要有自然換流（電源換流和負載換流）和強迫換流兩種方法，交流—交流變頻屬于自然換流，而交流—直流—交流變頻屬于強迫換流范圍。

自然換流變頻器其特點(diǎn)主要表現在如下幾個(gè)方面：以電源換流為基礎，不需要專(zhuān)門(mén)換流電路；易于實(shí)現負載側至電源側的功率回饋；沒(méi)有直流環(huán)節，直接換能，損耗較少效率高。但是其電路中晶閘管使用數量多，配套觸發(fā)電路極其復雜；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目中的應用范圍。

目前電氣傳動(dòng)調速系統大量使用的變頻器均為強迫換流形式，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(xiàn)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)改變快速晶閘管導通速率來(lái)控制輸出電源的頻率，從而達到控制電機速度的目的；換流電路是逆變器的核心，它對變頻裝置的性能指標、工作可靠性以及裝置的造價(jià)、體積等方面起著(zhù)決定性作用。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種不同類(lèi)型的產(chǎn)品，以適應不同負載性質(zhì)的需要。在風(fēng)機泵類(lèi)負載的調速節能、輥道及抄紙機的多電機傳動(dòng)、軋鋼機及礦井卷?yè)P機等低速大容量無(wú)齒輪傳動(dòng)，離心機及磨床等的高速傳動(dòng)均得到廣泛應用。

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

E.電動(dòng)機的校正

各種機械負荷配置調速控制系統的結果都會(huì )引起配套電動(dòng)機電氣特性的變化，其輸出轉矩、功率及轉速都會(huì )在一定范圍內發(fā)生變化；為了保證其特性的變化不能影響到機械負荷的正常運轉，同時(shí)使電動(dòng)機工作在額定值以?xún)?，必須對調速狀態(tài)的電動(dòng)機進(jìn)行核算。

通常電動(dòng)機功率的確定是根據機械負載轉矩及轉速的要求，計算出所需配套電動(dòng)機的負載功率Pl，依據計算值選擇電動(dòng)機的額定功率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)機軸上的負載轉矩(N.m）

          nN---電動(dòng)機的額定轉速(r/min)

當負載轉矩恒定，在此基礎上在電動(dòng)機基速以上調速時(shí)，其額定功率應按最高工作轉速進(jìn)行校正：

PN>Tl*nmax/9565        (kW)   &nbs