交流调速技术概述与发展方向

摘要：从电力电子技术、微处理器技术和现代电机控制理论等相关技术的角度阐述了交流调速技术的发展情况与动向,介绍了先进控制理论在运动控制中的应用,展现出交流调速技术更为广阔的前景。并简要说明了交流调速节能技术的应用以及变频技术在交流调速系统中的应用和高电压、大容量交流同步电动机的调速方法。

关键词：交流调速；节能；变频；调压调速；变极对数调速

前言：

20世纪60年代以前的调速系统以直流机组为主，70年代中期全世界范围内出现的能源危机迫使各国投入了大量的人力财力来研究交流调速系统，交流调速技术得到了快速的发展。20世纪80年代交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。

一、交流电动机常用调速方法分析

1.1调压调速

调压调速是通过改变电动机定子电压改变电动机转差率，从而实现调速。这种调速方法比较适用于带动风机、水泵的异步电动机。其原因是：

由于风机负载转矩特性，当转速n降低时，负载显著减小，它可以稳定运行于电动机机械特性的非线性段，因而得到较低的转速，扩大了调速范围。

在降压运行时，电动机的磁化电流可以忽略不计，则电机的电磁转矩T正比于转子电流的平方。当增加转差率S，为使电流保持额定值不变，电机的转矩也相应减小，显然这既不适应于恒转矩负载，更不适应于恒功率负载，而较适应风机、水泵负载。

1.2变频调速

变频调速是交流电动机一种最好调速方法。它是通过改变电源频率来改变旋转磁场同步转速，从而达到调速目的。

变频调速不仅能实现无级调速，而且根据不同的负载特性，通过适当调节电压U与频率f之间的关系，使电动机始终运行在高效区。

交流电动机采用变频调速能显著改善电动机起动性能，大幅度降低电动机起动电流，增加起动转矩。变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬，调整范围广，同时可以适应不同负载特性的要求，尤为异步电动机调速的发展方向。

1.3变极调速

变极调速是通过改变磁场的极对数，来改变同步转速，以达到调节电动机转速。它也属高效调速方法之列。变极调速简单可靠，成本低，机械特性硬，但它是一种有极调速，而只适用于几种运行工况场合。例如纺织厂的空调风机，夏天一种速度，冬天另一种速度。应用交流电机调速实现对风机、水泵风量或流量的调节，是节约电能最佳途径，其社会效益和经济效益都是相当可观的。

二、变频技术在交流调速系统中的应用

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业用户的青睐。

2.1、交流变频调速的优异特性

（1）调速时平滑性好、效率高。低速时，特性静差率高、相对稳定性好；

（2）调速范围较大、精度高；

（3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；

（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；

（5）易于实现过程自动化；

（6）必须有专用的变频电源，目前造价较高；

（7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

2.2、与其它调速方法的比较

（1）改变转差率的调速方法

包含改变定子电压调速、绕线转子回路串电阻调速、电磁转差离合器调速、串级调速等方法

（2）改变极对数的调速方法

通过改变定子绕组的接线来改变极对数，就改变了同步转速。它可以获得恒转矩调速特性和恒功率调速特性。这种方法效率高、操作简单、机械特性强。缺点是有级调速，一般变极调速用于小容量、非平滑调速的场合。

（3）改变频率的调速方法

变频调速系统可分为两大类：

①交—直—交变频调速

先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM交—直—交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。它是异步电动机交—直—交变频调速的主流。

②交—交变频调速

把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高，主要适用于低速大容量的交流调速设备中。

三、变频调速的发展方向

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分为功率和控制两大部分。目前主要发展动向有以下三个方面：

3.1新的控制策略

异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。

3.2新型变流装置和变流技术

随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向发展，中高电压、大容量的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的体积越来越小，为提高开关频率、降低开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。

3.3全数字化控制

随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和数字信号处理器在调速系统中得到了较为普遍的应用。

四、结语

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的交流异步电动机。

交流电动机变频调速在能源利用方面有很多的优势。众所周知，能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切，变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求，未来一定会得到更好的发展。（作者单位：华北电力大学机械工程系）

参考文献：

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