試論交流調速系統在工業領域的應用

楊振奮

摘要：隨著科技的進步，電力電子技術有了長足的發展，在當前的電力拖動中，交流調速系統逐漸成為主流方向。在工業企業領域，本文通過對交流調速系統的應用進行闡述，分析其節能效益，進而為應用交流調速系統提供參考依據。

關鍵詞：電力拖動 交流調速 節約能源

在工業工程中，對于可調速的電力拖動系統來說，根據采用何種電流制型式的電動機實現電能與機械能之間的轉換，進而在一定程度上將其劃分為直流調速系統和交流調速系統。所謂交流電力拖動，通常情況下就是通過交流電動機實現電能-機械能之間的轉換，并且在一定程度上通過控制電能，進一步產生需要的轉矩和轉速。

通過研究分析電力拖動的發展過程，在各個工業領域并存著交直流兩種拖動方式。在各個不同的時期，由于科學技術的影響和制約，它們所處的地位存在一定的差異，但是隨著工業技術的發展，它們也在不斷地進步，尤其是他們之間的競爭隨著電力電子元器件的發展而變得異常激烈。二十世紀上半期，由于直流拖動具有良好的調速性能，所以在八十年代以前，高性能可調速拖動都采用直流電力拖動。直到二十世紀60～70年代，隨著電力電子技術的飛速發展，進而在一定程度上能夠實現電力電子變換器交流拖動系統，在工業發展中，高性能的交流調速系統得到廣泛的應用，同時將電力拖動應用技術推向新的高度。

但是在生產技術方面，尤其是在精密機械加工與冶金工業生產方面，在靜態特性（起制動、正反轉、調速精度、調速范圍等）與動態響應方面對電力拖動提出更高的要求。在技術方面，與直流電力拖動相比，實現交流電力拖動的難度要大。進而二十世紀以來，直流電力拖動系統在可逆、可調速與高精度的拖動技術領域占據相當長的時間。

對于直流電動機來說，由于具有電刷與整流子，因而需要對它們進行經常性的維修和檢查，受電動機安裝環境的影響和制約，以及高轉速、大容量難以在直流電機中發展。

隨著工業化進程的不斷加快，以及科學技術的發展，進一步使得這些問題更加突出。基于此，進入二十世紀三十年代，不少國家開始研究無換向器調速電力拖動裝置，但是進展速度非常的緩慢，并且能夠投入工業運行，同時具有良好調速性能的交流電力拖動裝置比較少。進入六十年代，隨著電子技術的不斷發展，在一定程度上使得采用半導體變流技術的交流調速系統得以成功實現。進入七十年代，隨著大規模集成電路，以及計算機控制技術的不斷發展，以及現代控制理論的廣泛推廣，進而在一定程度上為開發交流電力拖動創造了有利的條件。在調速性能方面可以與直流電力拖動相提并論。

在節約能源方面，對于交流調速系統的應用需要特別指出。當前，在世界范圍內，能源緊張、能源費用高漲，需要急需解決能源節約問題。在節約能源方面，交流調速技術作為一項重要措施，在一定程度上引起人們的高度重視。這是因為：

一方面，在各國的總用電量中，交流拖動負荷占有很大的比重（在發達國家，通常情況下超過一半以上），對于這類負荷，要實現節能，通常情況下，其節電效益非常可觀；另一方面，對于交流拖動來說，本身存在很大的節電效益潛能，有待進一步挖掘；在交流拖動裝置中，在選用交流電機及其所拖動機械的過程中，通常情況下，需要預留一定的富余容量，而且也不總是運行在最大負荷的情況下；在輕載時，為了達到節電的目的，在一定程度可以利用電力電子技術進一步降低電機的外加電壓，或者是通過控制電機的速度，進而在一定程度上改變某些工作機構的工況。

例如，在工業上，風機、水泵、壓縮機的大量使用，對于這類機械來說，通常情況下都是采用交流電機進行拖動，在工業用電中，其用電量大約占到50%，過去流量都是通過調節風門、閘閥的方式進行改變，進而在一定程度上白白浪費掉大量的電能；如果通過電機調速的方式對流量進行改變，那么可以大大提高效率，其電能消耗至少可以減少10%，這對我國來說，就意味著每年可以節約幾百億千瓦時的電量。

所以在世界范圍內，各國為了獲得更大的能源利益，都在對交流調速技術進行廣泛合理地使用，或者改造技術，包括從小容量到超大容量的電機。

通過上述分析，交流調速系統憑借自身優良的調速性能，同時可以節約能源、減少維修費用，節省占地面積等優點，進而在一定程度上有著廣闊的市場前景，尤其在大容量或工作于惡劣環境下，交流調速系統的優越性更是直流電力拖動所不及的。展望前景，在各個工業技術領域中，交流調速所占的比重必將成倍增長的趨勢，在工業電氣自動化領域中，其地位將會越加的重要。

近代交流調速發展的趨勢，大致可以從以下幾個方面來看：

①調壓調速：

調壓調速就是改變電動機定子電壓來調節電動機的轉差率以達到調速的目的。這種方法適用于高電阻轉子繞組鼠籠式電動機或轉子串接變阻器的繞線型電動機。其特點是：控制線路簡單，裝置體積小，價格低，使用、維修比較方便，但在調速過程中的轉差功率以熱能型式消耗于電機轉子回路中，故效率較低；轉速特性較軟，如對轉速精度要求高，必須采用測速反饋的閉環控制系統。采用可控硅控制或帶有微機控制的交流調速系統，適用于中、小功率，特別是幾個千瓦的小容量系統已成為主流，并廣泛推廣應用于起重機、卷揚機、電梯等的生產設備中。

②串級調速：

串級調速就是改變電動機轉子回路外加電動勢來調節電動機的轉差率以達到調速的目的。這種調速方法只適用于繞線型異步電動機。由于可以將電動機的轉差功率回饋電網，所以這種方法效率較高，且具有控制方便、可實現平滑無級調速等優點，被廣泛應用于風力、水力機械、印刷機、造紙機、起重機、卷揚機等生產機械中。串級調速的缺點是功率因數較差，需要采取補償措施；設備費用較貴；線路較復雜。

③變頻調速：

在各種交流調速中，變頻調速的性能最好。變頻調速電氣傳動調速范圍大，靜態穩定性好，運行率高，調速范圍廣，是一種理想的調速系統。變頻調速就是改變電動機電源頻率來調節電動機同步轉速以達到調速的目的。這種調速方法特別適用于鼠籠型電動機。它保持了異步電動機固有的機械特性硬、轉差率小的特點，所以效率高，沒有因調速而帶來附加轉差損耗，且具有調速范圍大，平滑性能好，調速精度高等優點，在調速過程中還能實現恒功率調速和恒轉矩調速，可適應不同負荷的要求。變頻調速被認為是最有發展前途的交流調速傳動。變頻調速以其逆變器組成的型式不同而種類較多。但這種調速方法需要專用的變頻電源，技術復雜，初投資和運行維護費用較高，而且在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低，不利于滿載和過載啟動。

④無換向器電動機（可控硅電動機）調速：

無換向器電動機調速就是利用換向器電動機來實現調速的目的。無換向器電動機是一種利用晶閘管控制的變頻調速同步電動機，由于是用位置檢測器及可控硅代替了相當于直流電機中的電刷和換向器，因而其原理和調速性能與直流電動機相似，結構簡單、無換向器、不會產生火花，容易做到大容量、高轉速，并可實現正反轉切換，功率因數和效率也較高，但與直流電動機相比，它的轉矩波動成分大，過載能力低，運行可靠性差。

⑤微機控制：

在交流調速傳動中，采用微機控制早已進入了實用階段，向部分微機控制方向發展，并帶有監視、保護和自診斷、自復原等多種功能。本人曾參與“全自動交流變頻調速成套裝置”的開發與研制，該產品現已在許多單位的恒壓供水系統中得以廣泛應用，節電效果良好，取得了較好的經濟效益。

交流調速系統，在節能領域中被日益重視，將舊有的恒速交流傳動代之以可調速的交流傳動，已取得了巨大的經濟效益，并為交流調速系統在工業領域中的應用開辟了廣闊的前景。

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