淺談電機變頻調速技術

為了降低礦井的生產成本，提高電機系統效率，目前越來越多的煤礦在進行中、高壓電動機變頻調速的技術改造。采用這種先進的電機變頻調速技術，改善風機、泵類系統電機的調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式，重點對大中型變工礦電機系統進行調速改造，合理匹配電機系統，減少資源浪費。

　　一、緒論

　?。ㄒ唬┳冾l調速技術簡介。

　　變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調速目的的技術。電機有直流電機和交流電機。直流機調速容易實現，性能好，因此過去生產機械的調速多用直流電動機。但直流電機由于采用直流電源，它的滑環和碳刷要經常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望讓簡單可靠廉的交流電機也像直流電動機那樣調速。這樣就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速等交流調速方式。

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　　我國是一個能源生產大國，但我國同時也是一個能源匱乏國，隨著能源危機的加重，各行各業都應該實現節能減排。工礦企業作為能耗企業，如果實現節能減排則顯得尤為重要。異步電動機作為這些企業的主要動力設備，所以實現異步電動機的節能就是實現企業的節能。變頻器作為一種新型節能減排技術則得到了廣泛的應用。

　　二、交流電動機調速

　?。ㄒ唬┙涣髯冾l調速技術的發展。

　　交流電動機的調速系統是一項以大功率電力電子器件為基礎的新型技術學科在過去的十幾年間由于大功率電力電子器件的不斷出現，使交流電動機的調速技術取得了很大的發展。

　　1.交流電機

　　交流電機是用于實現機械能和交流電能相互轉換的機械。由于交流電力系統的巨大發展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器，因此結構簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。

　　2.直流電機

　　直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

　?。ǘ┙涣髡{速的方式。

　　異步電機得調速方法可以有改變轉差率，改變磁極對數及變頻三種。其中改變轉差率的方法又可以通過調定子電壓，轉子電阻轉差電壓以及定、轉子供電頻率等方法來實現。

　　1.串極調速

　　它是將繞線式異步電動機的轉差功率回饋到電網的一種比較經濟的調速方法，可以又低同步及高同步兩種串調方式。

　　2.矢量變換控制調速

　　它是模擬直流電及得控制特點來進行交流機的控制。

　　3.變頻調速

　　它是一種最有發展前途得一種調速方式，其調速花樣繁多。

　　三、變頻調速原理

　?。ㄒ唬┊惒诫姍C變頻調速原理。

　　交流調速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產生感應電動勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速，用n0表示：

　　式中：f為三相交流電源頻率，一般是50Hz；

　　為磁極對數。當p=1時，n0=3000r/min；p=2時，n0=1500r/min。

　　由上式可知磁極對數p越多，轉速n0就越慢，轉子的實際轉速n比磁場的同步轉速n0要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率表示：

　　在加上電源轉子尚未轉動瞬間，n=0，這時s=1；啟動后的極端情況n=n0，則s=0，即在0～1之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 s=1%～6%。綜合（3-1）和（3-2）式可以得出：

　　由式（3-3）可以看出，對于成品電機，其極對數已經確定，轉差率的變化不大，則電機的轉速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。

　?。ǘ╇妱訖C變頻調速方案的。

　　從經濟角度來講，煤礦的大容量風機、泵類負載采用高壓變頻調速合理性很強，可以在節能過程中逐漸收回成本。大功率的異步電動機，現有的變頻器系統有兩種調速方式：“高――高”，“高――低――高”。

　　1.高――低――高變頻調速系統

　　采用兩級變壓的方式。先降壓，經過降壓變頻器，再升壓，該模式對電力電子器件的要求降低。

　　2.高――高變頻調速系統

　　采用多個功率單元模塊串聯，直接高壓變頻轉換。這種方式節省了升壓、降壓變的投資及帶來的損耗，提高了效率。采用高壓變頻器的大容量電動機系統一般都采用高――高模式。該調速系統由于采用了橋式整流電路，在整個調速系統中功率因數較高，不需要裝設功率因數補償裝置，又因為高――高變頻調速系統采用多重化脈沖控制，通過模塊輸出串聯疊加消除高次諧波的影響。

　　高――高變頻調速系統改善了系統的動態特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內控制和調節，因此調節速度快，調節過程中頻率和電壓配合好，動態性能好。此外，高-高變頻調速系統有很好的對負載供電波形。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而降低了由于矩形波供電引起的轉矩降低問題，從而改善了電動機的運行特性。

　　綜上所述，高――高調速系統比高――低――高調速有著明顯的優勢，由于高――高調速系統是針對高――低――高調速系統缺陷研制的新一代調速系統，所以該調速系統是以后的發展趨勢。