电力需求侧管理（DSM）讲座五[电力拖动的调速技术]

1．电力拖动的节电途径

电动机的旋转，是建立在电磁理论基础之上的。感应电动机既消耗有功功率，把电能转换成机械能；又消耗无功功率，建立必要的旋转磁场。所以电动机节电一方面要提高它的运行效率，减少有功消耗；另一方面要提高它的运行功率因数，减少无功消耗。

电动机的节电途径主要有两个：一是提高电动机的制造效率，采用高效电动机替代相对低效的普通电动机，它是提高运行效率和功率因数的基础，也是长期以来通行的一个主要节电技术措施；二是提高电动机的运行效率，采用调速技术改善启动性能和运行特性，提高电力拖动的系统效率。

电力拖动存在的问题有两个：一个是运行中电动机的大多数，其平均负载率比较低，即使是高效电动机也经常处于低效区运转，导致电动机本身功效下降；另一个是恒速电动机不能满足工作机械的调速要求，采用低效耗能方式完成工艺作业，使整个拖动系统功效下降。它们是电力拖动在提高能效方面的主要技术障碍，也是需求方管理关注的重点领域。

平均负载率过低的原因很多。比如选用电动机时不太了解负载工况，不注意电动机和工作机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载；有的经过工艺改革或技术改造，工作机械负载下降，却没及时更换电动机等等，这就需要以与负载匹配的高效电动机来替代。还有些需要重载启动的电动机，使用与负载相匹配的普通电动机达不到启动转矩的要求，只有牺牲容量效益获得较高的启动转矩，致使电动机的负载率下降，采用启动性能好的调速技术是提高电动机负载率的一个有效办法。

交流调速技术的快速发展，开辟了感应电动机调速节电应用的新领域。从调速技术用途观察，一类是生产工艺过程控制，另一类是调速拖动节电。生产工艺过程控制主要为了达到改善工艺和提高工效的目的，以获得产品质量和产量的效益，有些还兼得一定的节电效果，它广泛应用在国民经济各个部门的生产工艺设备的控制上。调速拖动节电的主要目的是提高电力拖动系统的整体用能效率，从而获得节电效益，主要应用在用电负载率低和工况变动较大的风机和泵类等流体设备的拖动上，部分用在用电负载率低和需重载启动的工作机械上，它们的节电效果最为显著，已经成为交流调速技术节电的首要应用领域。

2．调速方式的类别

根据感应电动机的转速特性表达式（3-18）可知，它的调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节，比较成熟和广泛应用的有8种通用调速技术（见图3-11）。

图3-11  交流电动机主要调速方式分类图

基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。

属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要滑差调速（包括电磁离合器调速、液力偶合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器调速和和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电动机。变频调速和机械调速还可用于同步电动机。

3.调速方式的技术特性

（1）变极调速：变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。根据式（3-14）可知，在供电频率f＝50Hz的电网，p＝1、2、3、4时，相应的同步转速n0＝3000、1500、1000、750r/min。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（见图3-12），图3-12中（a）的p＝2，（b）和（c）的p＝1。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。

多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适合于按2～4档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。

（2）串级调速：串级调速是在绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子的转矩，从而达到调速的目的。这时，转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是将转子的转差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。

串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统（见图3-13）。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。

串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大，调速范围窄，功率因数也比较低，与转子串电阻相比，主要是它的效率优势。

（3）变频调速：变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。变频调速系统的关键装置是频率变换器，即变频器，由它来提供变频电源。变频器的变流元件目前主要有大功率三极管、晶闸管和可关断晶闸管三种。变频器可分为交－直－交（交流－直流－交流）变频器和交－交（交流－交流）变频器两大类。

变频调速的突出优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速，动态响应速度快，调速精度很高，操作简便，且易于实现生产工艺控制自动化。此外，在装置发生故障后能自动投入人工频运行，不会影响生产作业是它最显著的优点。由于它的调速性能优于其他调速技术，安装场地条件又比较灵活，应用范围广泛，是市场需求增长最快的调速方式。它的最大缺点是变频器技术复杂，初始投资高（尤其是高压变频器），对电网有干扰，要有较高的使用和维护技术。适用于要求调速范围宽、起停频繁、较长时间低速运行的场合，以及调速精度要求高的过程工艺控制设备上。

（4）定子调压调速：定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电动机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。供电电源的电压是固定的，它用调压器来获得可调压的交流电源。传统的调压器有饱和电抗器式调压器、自耦变压器式调压器和感应式调压器，主要用于笼型感应电动机的减压启动，以减少启动电流。晶闸管是交流调压调速的主要形式，它利用改变定子侧三相反并联晶闸管的移相角来调节转速，可以做到无级调速。

调压调速的主要优点是控制设备比较简单，可无级调速，初始投资低，使用维护比较方便，可以兼作鼠笼机的降压启动设备。缺点是调速效率比较低，低速运行调速效率更低；调速范围窄，只有对风机和泵类工作机械调速可以获得较宽的调速范围并减少转差损耗；调速特性比较软，调速精度差；对电网干扰也大。适用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步电动机。

（5）转子串电阻调速：转子串电阻调速是通过改变绕线型感应电动机转子串接附加外接电阻从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速的（见图3-14），为减少电刷的磨损，中等容量以上的绕线型感应电动机还设有提刷装置，当电动机启动时接入外接电阻以减少启动电流，不需要调速时移动手柄可提起电刷与集电滑环脱离接触，同时使三个集电滑环彼此短接起来。

串电阻调速的优点是技术成熟，控制方法简单，维护方便，初始投资低，对电网无干扰。缺点是转差损耗大，调速效率低；调速特性软，动态响应速度慢；外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。适合于调速范围不太大和调速特性要求不高的场合。

（6）电磁离合器调速：电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统，主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成（见图3-15），直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。离合器的主动部分为电枢，从动部分分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。

电磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。适用于调速范围适中的中小容量电动机。

（7）液力偶合器调速：液力偶合器调速是指利用液力偶合器作为功率传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。液力偶合器是以液体（如矿物透平油）为功率传递的中间介质，利用其产生的功能传递功率的一种机械装置，它安装在笼型感应器电动机和工作机械中间，在电动机恒速运转的情况下，利用速度控制器调节充液量的变化来无级地调节工作机械地转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。

液力偶合器的旋转部件是功率传递的主体部件（见图3-16），它主要由泵轮、涡轮、输入轴、输出轴以及密闭的外壳形成的工作腔所组成，腔体内充有工作液体维持主动输入轴和从动输出轴的柔性连接。当泵轮从作为原动力的电动机取得能量后，腔内工作液体从泵轮叶片获得的能量以高速冲击涡轮叶片，使涡轮连同从动轴跟随泵轮同向旋转，把工作液的能量转化为推动涡轮旋转的机械能，从而拖动工作机械做功，实现了泵轮与涡轮之间的能量传递。控制工作腔内的充液量来调节工作机械的转速和传递功率，完成液力偶合器的调速功能，其中的工作液体是循环使用的。

液力偶合器的优点是技术成熟，调速范围比较宽，有良好的启动特性，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是调速效率比较低，动态响应速度慢，安装需要场地条件。适用于长期在高速区运行，调速精度要求不高的中大容量笼型电动机。

（8）液粘离合器调速：液粘离合器调速是指利用液粘离合器作为动率传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。液粘离合器是利用两组摩擦片之间接触来传递功率的一种机械设备，如同液力偶合器一样安装在笼型感应电动机与工作机械之间，在电动机但速运行的情况下，利用两组摩擦片之间摩擦力的变化无级地调节工作机械的转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。

 液粘离合器功率传递的主体部件是两组彼此穿插的摩擦片（见图3－17），润滑油从其中强制通过。两组摩擦片中的一组称主动摩擦片，与输入轴接连，另一组称从动磨擦片，与输出轴连接，利用速度控制器控制离合器工作活塞的油压来改变两组摩擦片的间距，通过增减它们之间的压紧力和相对滑动来传递功率，完成液粘离合器的调速功能。

液粘离合器的性能与液力偶合器相似，在调速效率、调速范围和控制过载能力等方面优于液力偶合器。同样，它的调速效率比较低，动态响应能力差，安装需要场地条件。

各种调速方式的一般性能和特点汇总于表3－5之中。

注  资料来源：1.王正华、钱正蒙、杨志荣等，电动机调速技术产业化途径与对策研究，中国科学技术协会工程学会节能专业委员会，1995；

2. 参阅文献[21]。

电动机调速是当今电力拖动节电、改善工艺、提高工效、遏制环境恶化、推动技术进步一个重要的技术支持手段。应当指出，由于各种调速在功能、性能、价格以及应用条件和操作经验上的差异，高效和低效调速、电气和机械调速、低压中小容量和高压大容量的调速装置都有广阔的应用领域，在大力发展高效调速方式的同时绝不能放弃技术成熟和价格相对低廉的低效调速方式。在调速方式的选择上重要的是选择合适的技术，提倡因地制宜、讲求实效，既要节电，又要增益，才可能为调速技术的应用和电力拖动节电开辟更广阔的道路。

《需求方管理(DSM)及其应用》（杨志荣   劳德容  编著）

2005-03-02