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交流电动机调速及节能

浏览次数: 日期:2006-06-13

山东省轻工设计院   刘安堂  董平

前言:在工程设计中广泛采用节能技术,尤其异步电动机调速技术是每一个工程师必须了解的技术之一,本文就有关知识及注意事项进行介绍。

关键词:节能 调速 负荷特性 匹配

一 、概述

构建节能型社会,就是动员和推进全社会在所有领域历行节能,全面、深入、系统地提高能效,从而取得比常规节能大得多的经济效益、环境效益和社会效益。构建节能型社会,是改变经济增长方式,提高经济增长质量的重要途经。我国经济的高增长仍然是靠消耗大量能源和原材料的低效益增长。2003年我国消耗了2.6x108吨钢,1.5x109吨煤和8.2x108吨水泥,分别约占世界相应能源总耗量的25%、30%和50%。另外还消耗了2.5x108吨石油,单位GDP能耗相当于世间平均值得3.4倍。国家已经决定加大能源建设投入,但强化节能是最现实、最经济的办法。我国节能潜力十分巨大,可实现的节能潜力以及节能的成本效益远远超过新增生产力。

我国电动机装机容量大、耗电量占全社会总用电量的比例高、应用广泛、能耗水平落后于国际先进水平,节能潜力较大,采取必要的技术措施对生产企业不断提高技术水平、提高电动机效能、能效水平赶超国际先进水平以及使电动机高效率的运行,最终达到节约能源将起到有力的保障作用。根据我国的实际情况,从产品制造源头抓起,进一步提高主要耗能产品能效水平,淘汰落后,加快推广应用高效节能产品,有效推动高效节能电动机在工程项目中得到广泛的使用,杜绝高耗能产品在设计文件中出现,这些工作是每一个工程设计者最基本的并尽心尽力的责任。选用了高效节能产品仅是设计者做到的第一步,我们都知道不同的生产工艺对其驱动电机有着不同的要求,这使得电动机与其负载类型很难做到完全匹配,造成电动机大部分时间处于低运行效率状态,达不到节能的目的。因此,决不能简单地认为选用了高效节能电动机就能达到节能的目的,应该正确地结合不同生产机械的负荷性质,根据其转矩、功率、转速特性选定电动机的起动及控制方式,使电动机的电气特性与不同生产机械的负荷性质达到最佳匹配。本文就电动机的控制方式及其与生产机械的负载关系进行初步地介绍,并就实际运用中注意事项进行探讨。

二 、生产机械的负载类型

任何电动机的调速控制器的选用均应当与负载的变化及性质相适应,设计中了解和掌握负载的性质至关重要。生产机械的的负载转矩T1随转速n而变化的特性[T1=f(n)]称为负载特性,通常有以下三种类型。

A.恒转矩负载

负载转矩T1与转速n无关,在任何转速下,T1总保持恒定或大致恒定,这类负载称为恒转矩负载,它多数呈反抗性的,即T1的极性随转速方向的改变而改变,见图2-1,轧钢机、造纸机、运输机、机床等均属此类负载;还有一种位势性转矩负载,T1的极性不随转速方向的改变而改变,见图2-2,电梯、卷扬机、起重机均属于此类。


B.恒功率负载

某些机械如机床的切削,通常在粗加工时切削量大,同时阻转矩也大,一般采用低速;而精加工时切削量小,同时阻转矩也小,通常采用高速。负载转矩T1与转速n成反比,形成恒功率负载,见图2-3。轧钢机中的卷取机及开卷机要求恒张力轧制时也属恒功率负载。负载的恒功率性质是就一定的速度变化范围而言的,当速度很低时,受机械强度限制,T1不可能无限增大,在低转速区转为恒转矩性质。

负载的恒功率和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响,电动机(无论是交流电动机还是直流电动机)在恒磁调速时最大输出转矩不变---恒转矩调速;而在弱磁调速时,最大输出转矩与转速成反比---恒功率调速。如果电机的恒功率和恒转矩区调速范围与负载的恒功率和恒转矩区一致,电动机及其供电装置配套功率最小;但若负载恒功率区很宽,要继续维持上述关系,将要求特殊的宽弱磁调速范围电机,这给电机制造及控制带来困难,成本反而增高,这时需寻找一个折衷方案,适当增大电机功率,减少弱磁调速范围。

C.风机、水泵类负载

在各种风机、水泵、油泵中,随着叶轮的转动,空气、水、油对叶片的阻力在一定转速范围内大致与转速n的平方成正比,其特性曲线见图2-4。图中T10系机械传动部分的磨擦阻转矩,电机起动时速度低,阻力矩小易起动;在额定速度附近,较小的n变化将使机械出力有较大的变化。

三 、交流传动系统的常用调速方案比选

在交流传动系统中,随着电力电子器件、微电子技术、电动机和控制理论的发展,交流电动机调速传动系统也随着发生了巨大的变化。电磁调速异步电动机、晶闸管低同步串级调速装置、变压调速装置、变频调速控制器等新型调速系统在不同行业得到广泛应用;微型计算机、矢量变换控制技术在高性能交流传动控制系统中应用越来越多、越来越成熟稳定。历来以恒速形式运转的风机、泵类机械传动设备,已大量的采用交流调速传动控制系统,大量地节约了能源;传统上采用直流传动的轧钢、造纸、提升机械以及加工机床、机器人所用的伺服系统等,也已经在用新型高效的交流调速传动控制系统所取代。

交流异电动机调速传动一般均以电动机转速变化为基本,交流电动机转速公式为:

n=60f*(1-s)/p             (3-1)

式中:     p---极对数                 f---供电电源频率(Hz)

           s---转差率(同步电动机时s=0)

通过对公式分析,交流电动机有三种基本调速方式:

(1) 改变极对数p      (2) 调节转差率s    (3) 改变供电电源频率f

A.变极调速

变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速的称为变极调速。其速度的变化是按阶跃方式进行,而不具备连续平稳的特点。变极调速方式主要用于鼠笼式异步电动机;电动机的极数改变主要有两种方式:其一是转换单绕组接线改变极数的电动机;其二是同一铁芯设置两个以上极数不同绕组的电动机。典型接线详图3-1。

变极调速是一种高效的交流传动调速方案,控制简单只需要转换开关或接触器控制,早期投资较少,维护比较方便;统过改变绕组的联接方式,可适应不同负载特性的电动机,如恒功率、恒转矩及可变转矩等负载;缺点是它只能有级调速,不能适应速度控制精度比较高的场所;它最适用于只要求二三档级差大的、调速不频繁的场所;例如季节性调节流量的风机水泵,锅炉本体的上煤机、除渣机等,可控电动机容量从几千瓦到上千千瓦。

 

附表3-1  单绕组倍极比双速电动机工作特性

 

 

电气特性

 

序号

极数(2p)           I联结方法

极数(2*2p)         II联结方法

转矩比

TII/TI

功率比

PII/PI

输出特性

1

2Y

Y

1

0.5

恒转矩

2

2Y

2Y

2

1

恒功率

3

2Y

1.732

0.866

可变转矩

4

2Y

2.3

1.15

可变转矩

5

2△

Y

0.577

0.288

可变转矩

B.串级调速

串级调速是在异步电动机的转子侧串接接入一个二极管或晶闸管整流桥电路,将转差频率电流转变为直流电,再用直流电动机旋转变流机组或电子逆变器将转差功率变为机械能加以利用,或使其返回电源以进行调速的一种方式。其主要调速接线方式有:电气串级调速方式,具有恒转矩特性;电机串级调速方式,具有恒功率特性;其他还有低同步串级调速方式以及超同步串级调速方式。

在选择晶闸管串级调速作为调速方式时,其配套电动机容量确定应特别如下因素的影响:

(1)最大转矩的降低           (2)电动机功率因数的降低

(3)转子电流集肤效应和转子损耗增大

确定电动机额定功率时,应充分考虑不利因素的影响,要有一定的富裕容量,其参照公式:

                P=K*PM                 式中:  P---串级调速时电动机所需功率

        PM---正常计算预选电动机功率

        K----串级系数,一般取1.15左右

在选择电动机额定转速时,应比生产机械所需最高转速高10%左右。

串级调速在早期的工业生产设备应用范围较广泛,随微型计算机、矢量变换控制技术的发展其应用范围相对缩小,本文仅就选用注意事项进行简单介绍。

C.电磁调速异步电动机

电磁调速接线方式是在电动机和负载之间串接电磁耦合器,通过调节电磁耦合器的励磁电流,改变转差率进行速度调节的一种调速方式;其系统主要由异步电动机、电磁转差离合器、晶闸管励磁电源及其控制部分组成。该调速系统结构简单,设备投资较少,运行可靠,对电网、电机均无影响,但在调速过程中转差能量消耗在耦合器上,节电效率较低。适用于调速性能要求不高的小容量传动系统中,如一般工业传动和风机泵类机械的节能传动。例如在造纸厂制浆车间圆网浓缩机和抄纸机上均有所应用。

一般情况下,电磁调速电动机的机械特性就是转差离合器的机械特性,空载转矩no不变,随负载转矩增加,转速下降较多是软特性。励磁电流越小特性越软,特性曲线详图3-3。这种机械特性可用如下公式表示:

n2=n1-K*T*T/If          (3-3)

式中:    n1---离合器主动部分转速    n2---离合器从动部分转速

          T---离合器转矩             If ---励磁电流

K---与离合器类型有关的系数

     采用转速负反馈闭环控制系统可以有效地改善其机械特性,转速负反馈的作用是当负载增加时引起从动部分转速降低,由速度变化信号来控制励磁电流的大小,从而使从动部分转速保持稳定。

D.变频调速控制系统

变频调速控制系统是基于利用异步电动机的同步转速随其输入电源的频率变化特性而进行调速的系统,通过改变电动机的供电电源频率进行速度调节控制。变频调速通常采用晶闸管作为控制元件,主要有自然换流(电源换流和负载换流)和强迫换流两种方法,交流—交流变频属于自然换流,而交流—直流—交流变频属于强迫换流范围。

自然换流变频器其特点主要表现在如下几个方面:以电源换流为基础,不需要专门换流电路;易于实现负载侧至电源侧的功率回馈;没有直流环节,直接换能,损耗较少效率高。但是其电路中晶闸管使用数量多,配套触发电路极其复杂;最主要的是其输出波形的频率f2低于电源频率f1,由此而来极大的限制了其在工程项目中的应用范围。

目前电气传动调速系统大量使用的变频器均为强迫换流形式,它由电源整流器及输出逆变器两部分组成,在直流电源母线段并联大容量的滤波电容,以提高直流电源质量。输出逆变器通常都是采用三相桥式逆变电路,通过改变快速晶闸管导通速率来控制输出电源的频率,从而达到控制电机速度的目的;换流电路是逆变器的核心,它对变频装置的性能指标、工作可靠性以及装置的造价、体积等方面起着决定性作用。随着计算机技术的发展变频器生产厂家已经开发了各种不同类型的产品,以适应不同负载性质的需要。在风机泵类负载的调速节能、辊道及抄纸机的多电机传动、轧钢机及矿井卷扬机等低速大容量无齿轮传动,离心机及磨床等的高速传动均得到广泛应用。

变频调速控制具有应用范围广泛,技术性能先进能够适应各种机械负载特性。然而由于其调速原理的原因,其本身存在一定的不足,主要表现在:调速过程产生大量的高次谐波,回馈到电网对电源形成公害;由于输出电源含有谐波成分较大,其传导距离受到限制,变频器与电动机之间间隔不宜过长;电磁辐射易对周围弱电设施造成干扰。因而施工设计时应采用谐波治理滤除设备;变频器本身及配套电力电缆应采取屏蔽措施,如选用屏蔽电缆等;与其相关的金属构件如电缆屏蔽层及变频器外壳等做好接地保护,其接地阻值在满足工频阻值外(联合接地阻小于1欧姆),还应考虑谐波分量对接地的参数要求。

E.电动机的校正

各种机械负荷配置调速控制系统的结果都会引起配套电动机电气特性的变化,其输出转矩、功率及转速都会在一定范围内发生变化;为了保证其特性的变化不能影响到机械负荷的正常运转,同时使电动机工作在额定值以内,必须对调速状态的电动机进行核算。

通常电动机功率的确定是根据机械负载转矩及转速的要求,计算出所需配套电动机的负载功率Pl,依据计算值选择电动机的额定功率PN略大于Pl。一般用以下公式:

          PN>Pl= Tl*nN/9565      (kW)              (3-4)

式中      Tl---折算到电动机轴上的负载转矩(N.m)

          nN---电动机的额定转速(r/min)

当负载转矩恒定,在此基础上在电动机基速以上调速时,其额定功率应按最高工作转速进行校正:

PN>Tl*nmax/9565        (kW)              (3-5)

式中      nmax ---电动机的最高工作转速(r/min)

四 、小结

所谓调速方式的选择,就是决定两件事情:一是需要不需要采用调速,二是要采用哪一种调速方式,不论选择哪一种调速方式,都必须注意到一个问题,即电动机及其机械负载的特性必须与调速系统的特性相匹配,不然的话,不仅不能起到调速节能的目的,还有可能因而影响电动机机的输出电气特性。因而,在工程设计中应正确了解各种调速器的性能和电动机所带负载的性质。本文根据有关资料及实际设计心得将二者有关技术参数列表说明如下,以便有关技术人员进行参考。

本文仅就电动机的各种调速原理进行简单地比较和介绍,其详细的原理将在后续的专文中进行介绍。

本文介绍的异步电动机调速方式及其机械设备仅是在工程设计及工厂配电设备中比较常见的,并未包括所有的电动机调速方式。例如:调压调速、液力偶合器调速及转子串电阻调速等。

五 、参考文献

《工厂供电技术》             山东大学出版社       慕志恒   张卫星

《电气传动自动化技术手册》   机械工业出版社

 

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