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摘 要： 交流调速系统发展迅速的很大原因在于其本身的优点：没有电刷和换向器,结构简单,寿命长,近年以来大功率半导体器件,大规模集成电路,电子计算机技术的发展,加上交流电动机本身的优越特性,为交流调速提供广泛的应用前景.
关 键 词 ： 交流调速系统；变频调速；异步电动机；串级调速
中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210011－02
0 绪言
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势[1～2].深入了解交流传动与控制技术的走向,具有十分积极的意义[3].
1.交流调速系统
1.1 交流调速系统的特点
对于可调速的电力拖动系统,工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类.这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的,所谓交流调速系统,就是以交流电动机作为电能――机械能的转换装置,并对其进行控制以产生所需要的转速.
交流调速系统与直流调速系统相比较,具有如下特点：
1）容量大.
2）转速高且耐压.
3）交流电机的体积小,结构简单、经济可靠、惯性小.
4）交流电机坚固耐用,可在恶劣环境下使用.
5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标.
6）交流调速系统能显著的节能.
从各方面来看,交流调速系统最终将取代直流调速系统.
1.2 交流调速常用的调速方案
由电机学知,交流异步电动机的转速公式如下：
（1-1）
式中：n0为同步转速,单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率；s为电动机的转差率.
从式（1-1）中可以看出,异步交流电机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速[4].
1）改变电动机的磁极对数
由异步电动机的同步转速
可知,在供电电源频率f1不变的条件下,通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数P,即可改变异步电动机的同步转速n0,从而达到调速的目的.这种控制方式比较简单,适用于自动化程度不高,且只须有级调速的场合.
2）变频调速
从式（1-1）中可以看出,当异步电动机的磁极对数P一定,转差率s-定时,改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的,电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比,因此,平滑地调节供电电源的频率,就能平滑,无级地调节异步电动机的转速.采用变频起动能显著改善交流电动机的起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩.所以变频调速是交流电动机的理想调速方案[5].
3）变转差率调速
改变转差率调速的方法很多,常用的方案有：异步电动机定子调压调速,电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速,串级调速等.
定子调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载.为了能得到好的调速精度与能稳定运行,一般采用带转速负反馈的控制方式.所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机.
电磁转差离台器调速系统,是鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动,通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节.这种系统一般也采用转速闭环控制.
绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速,这种调速方法简单,但调速是有级的,串入较大附加电阻后,电动机的机械特性很软,低速运行损耗大,稳定性差.
绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef,只要改变这个附加的,同电动机转子电压同频率的反向电势Ef,就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速.Ef越大,电动机转速越低.
图1 双闭环串级调速系统的动态结构图
上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0,所以低速时,转差率s较大.
2.交流调速控制的几个问题
2.1 交流调速系统的主要发展方向
1）变频调速
变频调速是交流调速的主要研究内容,也是最有发展前途的一种交流调速方式,变频器的电力半导体器件向模块化、快速化、光控化、高电压、大电流、自关断和高可靠性方向发展；系统向高性能、高精度、大容量、微型化数字化发展.
2）串级调速
这是一种利用绕线式异步电机的转差功率（相当于转子附加电势）的一种比较经济的调速方法,我国串级调速技术比较成熟,有系列化产品.
3）双馈电机
又称超同步串级调速,绕线式异步电机的定子由电网电源供电,转子由变频器电源供电,可以在同步速度以上运行,不但可以运行在再生制动状态,还可以运行在电动状态.如采用矢量控制性能类同直流调速系统,并可改善系统功率因数,是一种很有前途的调速方式.
4）无换向器电机
又称晶体管电动机,它是具有位置检测器由变频器供电的同步电动机系统.采用位置检测器和晶闸管代替了相当于直流电动机的电刷和换向器,无换向器电机的原理、启制动和调速特性与直流电机相似.系统采用自控式,频率和转速永远保持同步方式,不会发生失步,完全克服了同步机的缺点,由兼有同步电机功率因数好的特点.有人甚至断言：如果说交流调速将取代直流拖动,那么无换向器电动机将取代其他交流调速方式.
5）高频化技术
交流电源的高频化可使交流变频电源的体积小、重量轻、性能好,并能节省电能.
6）无功补偿和谐波抑制
为了保证供电质量,国家对功率因数和谐波极限提出了要求,为了达到这些指标要求必须采取相应的措施：提高自然功率因数或采用无功补偿.以往通常采用移相电容器或同步调相机,最近发展的无功动态补偿是提高功率因数的一个有效途径.对于高次谐波抑制,可将整流器接成Y/△或△/Y型,增加整流器的脉冲次数,加装调谐滤波器[6].
2.2 交流调速系统的应用领域
主要有三个方面：
1）一般性能的节能调速
在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中,风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上.如果换成交流调速系统,把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来,每台风机、水泵平均都可以节约20%～30%以上的电能,效果是很可观的.但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高,只需要一般的调速性能.
2）高性能的交流调速系统
许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动,鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠,如果改成交流拖动,显然能够带来不少的效益.但是,由于交流电机原理上的原因,其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制.20世纪70年代初发明了矢量控制技术,或称磁场定向控制技术.可以获得和直流电机相仿的高动态性能,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展.其后,又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法,形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统.
3）特大容量、极高转速的交流调速
直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kWr/min,超过这一数值时,其设计与制造就非常困难了.交流电机没有换向器,不受这种限制,因此,特大容量的电力拖动设备,如厚板轧机、矿井卷扬机等,以及极高转速的拖动,如高速磨头、离心机等,都以采用交流调速为宜.
3.总结
随着电力电子器件,大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展,以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透,为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件.现在从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动,从单机传动到多机协调运转,已几乎都可采用交流调速传动.交流调速传动的客观发展趋势已表明,它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡,并有取代的趋势.