1、電動機調速、交流電動機變頻調速黃學良（東南大學）一、電動機為什么要調速？電動機需要調速主要是由于電動機所服務的對象不同而提出的要求，因為不同的生產機械要求有不同的運行運度，甚至一臺生產機械在不同的生產過程時需要不同的運行速度。例如，軋制不同鋼種或不同規格的鋼材時，要求以不同的速度進行軋制，這就要求我們根據生產工藝的要求，來改變電機拖動系統的運轉速度；例如，中央空調系統根據制冷或制熱量的不同，要求調節壓縮機的運轉速度，等等。這些也就是工程上所講的調速問題。聯系到我們熟悉的風機和水泵，按生產和工藝要求，希望調節風量與流量，按理講應該調節電動機的轉速，但我們在許多場合中看到的是利用擋板閥門或者放空的

2、辦法來調節風量或流量，為什么不能調節電動機的轉速，這是牽涉到很復雜的技術問題。二、電動機調速與節能的關系以大家熟悉的風機和水泵為例，來說明電動機調速與節能之間的關系。風機和水泵都是流體機械，流體機械的轉速變化與其流量、壓力和功率之間的變化有如下的關系：上述式子中 Q1、H1、P1 分別代表轉運 n1 時的流量、壓力、功率。 Q2、H2、P2、分別代表轉速與轉速的一次方成正比：壓力與轉速的平方成正比；功率與轉速的三次方成正比。n2 時的流量、壓力、功率。即流量由此可見， 當通過降低轉速以減少流量來達到節流目的時，所消耗的功率將降低很多。例如：當轉速降到80%時，流量減少到80%，而軸功率卻下降到

3、額定功率的（80%）3 51%；若流量需減少到40%，則轉速相應減少到40%，此時軸功率下降到額定功率的（40%） 36.4%。從下圖所示調節流量的HQ 特性曲線上也能清楚地看出調速與節能的關系。風機（水泵）原來工作在A 點，風量為Q1、風壓為 H1、轉速為n1。現需將風量由Q1調到 Q2。要實現此調節，無外乎兩種方法：第一種方法是保持電機轉速不變，通過調節風門來調節流量。此時風機的對 H-Q詩性曲線不變，仍為管路的阻力特性發生了變化，回原來的 h1-Q 調至 h2-Q（即管路阻力增加）。由圖可知，工作點由 A 移動至為 Q2、H2，此時消耗的功率正比與 BH2OQ2所圍的面積。H1-Q。而風

4、門發生變化，即B，相應的流量、風壓分別第二種方法是管路的阻力特性h1-Q保持不變（即風門不變），通過調節電機的轉速來調節流量。電機轉速由n1調至n2，則風機的 H-Q特性曲線由 H1-Q 變為 H2-Q，該由線與阻力特性曲線時消耗的功率正比與 CH3OQ2所圍的面積。h1-Q 相交于C 點，即為新的工作點，相應的流量、風壓分別為Q2、H3，此顯然第二種方法通過改變轉速來調節流量所消耗的功率要小得多。由以上分析可知，調運控制是風機、水泵節能的相當有效的措施。我國曾在八十年代作過不完全統計，全國風機、 水泵的年耗電量約占全部用電總量的三分之一，占全國工業用電的4050%。主要行業的調查數據見下表。

5、風機、水泵一方面由于在生產中具有面廣、量大、耗電多的特點，另一方面由于節能潛力大的特點，故此類電機的節能具有廣闊的前景，且意義重大。表 風機水泵耗電量全部風機用電量 （億全部水泵用電量 （億整個部門用電量 （億風機水泵用電所占工農業部門千瓦時）千瓦時）千瓦時）比例 %電力工業36.580160.8772.5化肥工業29.115524276煤炭工業17.039.78169.0333.6石油工業煉油4.51533.5358石油工業油田45.872.4563農業排灌183155.3389三、如何調節電動機的轉速眾所周知，電動機有兩大類，一類是直流電動機：另一類是交流電動機。交流電動機中用得最多的是異

6、步電動機（感應電動機），轉別是鼠籠式異步電動機。兩類電動機有不同的調速方法：1、直流電動機調速直流電動機是指將直流電送到直流電動機，把直流電動機的電能轉換成機械能。這里首先要介紹如何將市電的交流電轉換成需要的直流電。六十年代以前采用的是發電機- 電動機系統，這種方法只有在電動機由專用的發電機供電時才有可能。另一種可控硅- 電動機系統（ SCR-D）。兩種系統的原理示意圖如下：直流電動機的調速還比較方便，可以通過調節電樞供電電壓，電樞中串聯電阻，激磁回路串聯電阻來實現，其機械特性如圖3 所示：可見直流動機調速有三種方法，而且調節電樞供電電壓的方法容易實現平滑、無級、寬圍、低損耗的要求。盡管直流電

7、動機調速，就其性能而言，可以相當滿意，但因其結構夏雜，慣量大，維護麻煩，不適宜在惡劣環境中運行，不易實現大容量化、高壓化、高速化、價格昂貴。2、交流電動機調速交流電動機剛好相反。電動機結構簡單、慣量小、維護方便，可在惡劣環境中運行，容易實現大容量化，高壓化、高速化、價格低廉。從節能的角度，交流電動機的調速裝置可以分為高效調速裝置和低效調速裝置兩大類。高效調速裝置的特點是：調速時基本保持額定轉差，不增加轉差損耗，或可以將轉差動率回饋至電網。低效調速裝置的特點是：調速時改變轉差，增加轉差損耗。（ 1）具體的交流調還裝置的分類如下：高效調速包括：? 變極對數調速鼠籠式電機? 變頻調速鼠籠式電機? 串

8、級調速繞線式電機? 換向器電機調速同步電機低效調速包括：? 定子調壓調速鼠籠式電機? 電磁滑差離合器調速鼠籠式電機? 轉子串電阻調速繞線式電機（ 1）各種調速裝置的特點變極對數調速優點：? 無附加差基損耗，效率高；? 控制電路簡單，易維修，價格低；? 與定子調壓或電磁轉差離合器配合可得到效率較高的平滑調速。缺點：? 有級調速，不能實現無級平滑的調速。且由于受到電機結構和制造工藝的限制，通常只能實現23 種極對數的有級調速，調速圍相當有限。變頻調速優點：? 無附加轉差損耗，效率高，調速圍寬；? 對于低負載運行時間較多，或起停運行較頻繁的場合，可以達到節電和保護電機的目的。缺點：? 技術較復雜，價

9、格較高。換向器電機調速優點：? 具有交流同步電動機結構簡單和直流電動機良好的調速性能：? 低速時用電源電壓、高速時用電機反電勢自然換流，運行可靠；? 無附加轉差損耗，效率高，適用于高速大容量同步電動機的啟動和調速。缺點：? 過載能力較低，原有電機的容量不能充分發揮。串級調速優點：? 可以將調速過程中產生的轉差能量加以回饋利用。效率高；? 裝置容量與調速圍成正比，適用于70% 95%的調速。缺點：? 功率因素較低，有諧波干擾，正常運行時無制動轉矩，適用于單象限運行的負載。定子調壓調速優點：? 線路簡單，裝置體積小，價格便宜；? 使用維修方便。缺點：? 調速過程中增加轉差功率，且此功率全部用于轉子

10、發熱，效率較低；? 調速圍比較小：? 要求采用高轉差電機，比如特殊設計的力矩電機，所以特性較軟，一段適用于55kW以下的異步電動機。電磁轉差離合器調速優點：? 結構簡單，控制裝置容量小，價值便宜。? 運行可靠，維修容易。? 無諧波干擾。缺點：? 速度損失大，因為電磁轉差離合器本身轉差較大，所以輸出軸的最高轉速僅為電機同步轉運的80%90%；? 調速過程中轉差功率全部轉化成熱能形式的損耗，效率低。轉子串電阻調速優點：? 技術要求較低，易于掌握；? 設備費用低；? 無電磁諧波干擾。缺點：? 串鑄鐵電阻只能進行有級調速。若用液體電阻進行無級調速，則維護保養要求較高；? 調速過程中附加的轉差功率全部轉化為所串電阻發熱形式的損耗，效率低。? 調速圍不大。綜上所述，交流電動機最理想的調速方法應該是改變電動機供電電源的頻率，這就是變頻調速。隨著電力電子技術的飛速發展，變頻調速的性能指標完全可以達到甚至超過直流電動機調速系統，它的機械特性如圖4 所示。但是交流電動機的電源來自市電50Hz，無法改變，要實現變頻調速，勢必要