交流电动机调速技术

交流电动机调速技术

（一）技术概述

交流电动机调速技术是将电动机对工作机械的拖动功能与工作机械负载的调节功能一体化，通过负载调节技术达到提高电力拖动的系统运行效率，从而实现节电降耗的目的。从节能角度讲，交流电机的调速装置可分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速含：变极调速、变频调速、串级调速、无换向器电机调速等。低效调速含：定子调压调速、电磁滑差离合器调速、转子串电阻调速等。下面重点介绍最常用的两项交流电动机调速技术：

1、变频调速技术

变频调速技术作为电力需求侧管理重点技术之一，是交流电动机调速的重点技术，该技术主要是通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的，其突出优点是调速效率高，启动能耗低、调速范围宽，可实现无极调速，动态调速快，调速精度很高，操作简便，且易实现生产工艺控制自动化。变频调速技术广泛适用于电力、市政供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸、建材等。产品电压等级包括3kV、6kV、10kV以及油田专用潜油电泵使用的1600V-2400V产品。

（1）技术原理

对电动机有矢量、磁场、直接转矩控制；有滑模变结构，模型参考自适应技术；有模糊控制、神经元网络，专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

实现高水平的控制

基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

开发清洁电能的变流器

所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。

缩小装置的尺寸

紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。

高速度的数字控制

以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

模拟与计算机辅助设计(CAD)技术

电机模拟器、负载模拟器，以及各种CAD软件的引入，对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。采用先进的电力电子大功率器件和多种拓扑电路和PWM调制策略，通过高速数字信号处理器DSP控制等数字控制技术和系统控制技术。

（2）技术效果、效益

根据负载转速的变化要求，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的，以获得合理的电机运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机的负载设备的工作精细度，实践证明，变频技术用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，普遍节电达到30-50%。

假设风机一台，配用30kW电机，实际工作中风量12小时是全速另外12小时是只需30%。假设风量在100%-30%之间变化，设电机全速供风量为Qn，空载损耗为0.1(Y0≈cosnt)。每天总供风量为65%Qn，则全速Pp=(30－30×0.1)kW=27kW。

变频时只需功率

P m2=30×0.1+(65%)3×27kW=10.4kW

节约的功率：Pj=27－10.4kW=16.6kW

如果电费按0.6元/kW小时计算，每年节约的电费：

16.6kW×24h×365×0.6元/kWh=8.7万元

由以上估算情况可知，半年内可轻易收回投资。

2、高压变频调速技术

（1）技术原理

高压变频调速技术采用单元串联多电平技术或者IGBT元件直接串联高压变频器等技术，实现变频调速系统的高输出功率（功率因数>0.95），同时消除对电网谐波的污染。对中高压、大功率风机、水泵的节电降耗作用明显，平均节电率在30%以上。

目前高压大容量的变频器主要有两种结构：一种是采用升降压变压器的“高―低―高”式变频器，亦称间接高压变频器；另一种是无输出变压器的“高―高”式变频器，亦称直接高压变频器。

“高―低―高”式高压变频器，即间接高压变频器装置由输入、输出变压器及低压变频器组成。输入变压器为降压变压器，它将高压电源电压降至变频器允许的电压，经低压变频器后，再经输出变压器即升压变压器升压，供给高压电动机。此方案由于两次电压变换增加了损耗，影响了节能效果，并且占地面积稍大，还产生大量的高次谐波，有较明显的缺陷。由于这种系统技术难度相对小，投资相对低，适用于功率小于200kW的高压电动机。

“高―高”式高压变频器，即直接高压变频调速装置，一般由输入侧隔离变压器和多个功率单元串联组成，由于省掉了输出变压器，因而减少了损耗，提高了效率，减少了占地面积，容量越大直接高压变频器的优势越明显，直接高压变频器是大容量电动机调速驱动发展的方向。

（2）技术效果、效益

高压变频系统，设计上采用直接“高―高”变换方式，其主要优点是：

电磁兼容性好，无谐波污染，纯净功率输入，能满足IEEE519―1992的严格要求；

对中高压、大功率风机、水泵的节电降耗作用明显，平均节电率在30%以上。

变频器效率高达98%以上；

功率因数高达0.95以上；

采用模块化结构，具有热备份和带载热插拔功能；

性能价格比高。

（二）技术应用情况

在冶金行业的应用主要有板材和线材的轧机、卷取机、风机、料浆泵等。2006年我国冶金行业的中低压变频器市场约7亿元，其中中压产品的市场容量约1.5亿元左右。

电力行业也是变频器产品重要的应用领域之一。2006年我国电力行业中低压变频器的市场容量约5亿元。

中压变频器在煤炭行业应用最多，以2006年国内中压变频器8.9亿元的市场容量来看，其中约有4亿元是集中在煤炭行业；另外低压变频器在煤炭行业也有3亿左右的市场容量。2006年煤炭行业中低压变频器的市场总容量约7亿元。

石化行业是一个国家经济发展的动脉。2006年石化行业的变频器市场容量约为4亿元，其中中压变频器约3000万元左右，其余大部分是低压变频器。

变频器在塑胶行业主要应用在各类加工机械中，包括注塑机、挤出机、中空成型机等。注塑机用电量最大的是与其配套的油泵电机，占注塑机用电量的80％以上。2006年塑胶行业的变频器市场容量约3亿元，主要是低压变频器。

变频器产品在我国食品饮料行业主要应用于生产设施、传输设备和包装设备，以小功率变频器产品为主。2006年食品饮料行业的变频器市场容量约3亿元，主要是低压变频器。