1、1现代串级调速技术与变频技术在高压电机调速节能应用中的技术经济比较保定华仿电控有限公司2现代串级调速技术与变频技术在高压电机调速节能应用中的技术经济比较三相异步电动机调速技术可以改进生产工艺和节省大量电力。而三相异步高压电机的功率大，是大型工矿企业的主要动力源，是电力的主要消耗设备，因而高压电机调速技术对我国节能减排具有战略性的重大意义。一、两种三相异步电机鼠笼式和绕线式高压三相异步电机主要有两种产品类型：一种是鼠笼式电机，它具有结构相对简单，运行维护简便的优点,但转子是封闭的。另一种是绕线式电机，结构稍微复杂,但转子是开放的。在以往长期粗放式产业发展模式下，未考虑调速节能，企业多选用鼠笼式电
2、机，只有某些行业（如水泥制造等）和对启动力矩及转速有要求的场合选用绕线式电机。在三相异步高压电机调速领域，针对不同类型的高压电机，主要有对高压鼠笼式电机的高压变频技术和对高压绕线式电机的串级调速技术，它们均可实现宽范围的平滑无级转速调节。两种调速方法都是用现代电力电子技术进行交、直流电力的变流，都是变流技术。从电机调速节能的角度看，对高压鼠笼式电机只能从定子一侧进行变流，调速节能实现困难，代价大。而高压绕线式电机则可自其转子一侧较易实现变流，调速节能实现容易，代价小的多。或者3说，高压鼠笼式电机是不适合调速的电机，而高压绕线电机是适合调速的电机。在目前节能减排和资源节约这一重大任务面前，高压电
3、机调速已是必然要求，从节电效率、从实现调速所付出的代价、从资源节约等方面，我们需要重新综合思考高压电机的类型选用和调速技术的发展方向问题。以下，我们就不同的高压电机的调速技术实现及技术经济性作如下分析。二、高压变频和现代串级调速技术原理1、三相异步电机的转速三相异步电机转子的转速为 n = (1-S) 。pf60其中 n 为转子的转速，f 为电机供电电源频率，p 为绕制电机已确定的极对数，s 为转差率（s= ，n 0是电机旋转磁场转速，又0称为同步转速） 。三相电机制造完成后，一般选择一种极对数，即 p 为常数（也有多极对数的变极电机，可实现变极的有级调速，这里不作讨论） ，因而电机转子转速便
4、取决于供电频率 f 和转差率 s。在电机转子侧不加以控制的情况下，当电机定子绕组通以三相额定工频（50HZ）电源，定子三相绕组便形成一旋转磁场，旋转磁场的转速称为同步转速。该旋转磁场切割电机的转子绕组（绕线式或鼠笼式） ，在封闭的转子回路中产生感应电势，进而产生转子电流。转子电流与旋转磁4场产生作用力，从而产生转矩，使转子带动负载旋转。由于转子产生感应电势和电流的前提条件是转子绕组被旋转磁场切割（有相对速度） ，因而转子转速总是要低于旋转磁场（同步转速）一定的速度，因此称为异步。同样，在转子回路不另加控制和正常负载情况下，转子一般比同步转速低几至十几转运行，该转速称为额定转速。如 1000 转
5、/分同步转速的电机，转子额定转速一般为 990 转左右。因而在电机定子供额定电源和电机转子不施加控制的情况下，即便负载大小在额定负载附近有所变动，电机转子转速一般在额定转速上下略有波动，但被基本确定下来，为一基本恒定的转速。因而，不采用调速技术，三相异步电机不具有转速变化的能力。2、变频调速技术由上边的讨论可知，转子转速一般仅低于定子产生的旋转磁场转速几至十几转运转，那么，如果可以改变定子旋转磁场的转速，则转子转速便可得以改变。旋转磁场的转速取决于三相供电电源频率 f，在我国是工频 50Hz/秒，所以，变频技术就是要将工频电源经变频装置后使其频率得以改变，再向定子三相绕组供电，从而达到改变同步
6、转速的目的。如下图示，变频装置要装于供电电源和电机定子绕组之间。工频供电电源50Hz,6Kv定子三相绕组转子绕组工频供电电源定子三相绕组转子绕组工频供电电源定子三相绕组转子绕组5实现三相交流电源频率的调整和改变，都是采用电力电子变流技术。如图所示，三相工频交流电源接入变频装置，半导体电力电子整流器将其整流成为直流（交流变直流） ，然后再经半导体电力电子逆变器，将直流逆变为三相交流(直流变交流), 而在直流逆变交流的过程中,可以施加控制，使逆变得到的三相交流电频率得以改变和控制。比如，可将 50HZ 工频改变成为 49HZ、48HZ,也可逆变为51HZ 甚至更高的频率。变频器输出的改变了频率的三
7、相交流为电机定子供电,从而改变同步转速,同样改变了转子的转速(转子转速随同步转速变化而变化)。这便是变频调速的原理。由上述原理可见,变频技术是利用变流技术从电机的定子侧施加控制,是改变电机定子供电电源频率的调速技术(因功率因数的关系还同时调压)。由于高压鼠笼式电机转子封闭，只能使用在定子侧实现控制的高压变频技术。3.现代串级调速技术(1)现代串级调速原理与变频调速技术不同,对绕线式高压电机，串级调速技术改为从电机的转子侧施加控制,其本质是控制转子的电流,如下图所示。eaebecefefef定子供电转子感应电势E2转子串入附加反电势附加反电势Ef6如图所示,当定子三相绕组接入三相交流电源后，产生
8、旋转磁场,旋转磁场切割转子绕组产生感应电势 E2。在转子绕组回路闭合情况下,E2 除以转子绕组阻抗产生转子电流 I2， I2 与旋转磁场产生转矩。如果可以在每相转子绕组中加入一个与 E2 感应交流电势频率相同、相位相反、大小可调的交流电势(反电势)E f,就可以改变转子电流 I2,从而改变转子绕组与旋转磁场的作用力矩,从而改变转子的转速。由于转子绕组中直接加入交流反电势上的技术困难,因而实际的技术实现仍是采用变流技术,将转子三相交流感应电势整流为直流,在直流回路中加入直流可调反电势,如上图所示。(2)现代外反馈式串级调速原理现代串级调速技术为实现转子回路串入可调反电势采用如下实际电路。现代外反
9、馈串级调速原理图转子感应电动E2势X2eaebec定子供电 附加可调直流等效反电势 转子串入等效附加反电势转子绕组定子绕组U2U1Uz Uf整流器 斩波器 逆变器变压器6、10KV7当电机定子三相绕组接入三相工频电源后,产生的旋转磁场切割转子三相绕组,产生三相感应交流电动势和转子交流电流,经滑环、炭刷将转子三相感应电流引出至三相全波整流器,整流成上正下负的直流。在上图的右侧,接有一有源逆变电路,其逆变变压器原边三相接回至 6kv 或 10kv 工频电源。当有源逆变器的控制脉冲固定于最小允许逆变角度时,有源逆变器直流侧便产生一设计的最大反电势 U1(极性上正下负)。该电势与转子整流电势极性相反。
10、该反电势 U1 与逆变变压器付边交流电压U2 成正比，且对应于所设计的调速系统的转速下限。U 2 越大，U 1 就越大，调速系统的调速下限便越低，直到 0 转速。为了调整反电势大小进而调整转速，在整流器和有源逆变器之间加入脉宽调制的斩波器电路，其中斩波电子开关目前采用 IGBT器件。当控制斩波电子开关（按合适的频率）在一个工作周期内开通时间占周期时间的比率（又称占空比 k）时，则在电子开关两端产生的等效平均反电势 Uf= U1(1-k)。如果 k 的值可以在接近 0 至接近 1 之间平滑变化，则与转子感应电势 Uz 极性相反的电势 Uf 可以在接近 U1 至接近 0 之间平滑变化，从而转子转速
11、便可以在设计的最低转速和额定转速间平滑的变化，实现平滑无级调速的目的。除了上述现代串级调速电路实现平滑无级调速外，另一方面，当转速由额定转速向下调整时，转子回路的感应电功率，又称转差功率会按一定规律变得数量较大。而如上所述，该电功率被整为直流电功率，经斩波电路将其贮存在斩波器电容中，同时又经有源逆8变器逆变为 50HZ 工频电功率，经逆变变压器回馈电网节省下来，从而实现高效节能的调速。上述将转子转差功率经逆变变压器和外电路回馈电网的方式叫外反馈式的串级调速，使用普通的绕线电机。(3)内反馈式串级调速原理内反馈式串级调速原理与外反馈式的工作原理完全相同，其区别只是将逆变变压器去除，而在电动机定子
12、绕组线槽内又加了一个独立的三相调节绕组，这样在同一定子铁芯中的定子原绕组和该三项调节绕组便代替了外接的逆变变压器，从而使系统更加简洁。这种方式称为内反馈式串级调速，使用内反馈绕线电机，如图示：现代内反馈串级调速原理三、变频调速技术和现代串级调速技术主要优缺点的技术分析变频调速技术和现代串级调速技术都可以实现三相异步电动机平滑无级调速，但由于技术方法不同，带来各自的优点和缺点，兹就主要的技术方面分析比较如下：1 装置的变流（控制）电压：变频与串级装置都是由半导体电力电子器件作成的变流器。由 P-N 结原理制造的各种半导体器件不容易做的耐压很高，因而对高电压的变流是变流器制造的主要困难之一。定子绕
13、组转子绕组内反馈绕组9(1)变频技术。由上述原理可见，变频技术是将供电电源进行变流，因而变流电压是供电电压。就我们所讨论的高压电机调速而言，其电压是 6kV 和 10kV。由于目前大功率耐高压电力电子器件制造技术上的困难，难于承受 6kV 和 10kV 的高压，因而目前高压变频技术中多采用变压器分多路降压，分路多功率单元（变流单元）串联技术解决耐高压的问题。由于功率单元串联的均压和其它相关问题复杂，从而使变流电路变的复杂和故障因素增多，可靠性受到影响。(2)现代串级调速技术。同样由上述原理可知，现代串级调速的变流装置在转子回路，而电机的转子回路是低电压回路。高压绕线电机转子的开路电压E2E 一
14、般为几百伏至 1.5kV，而在转子回路经调速装置闭和工作时，实际回路工作电压 E 2S 还要乘以小于 1 的转差率：E 2S =E2E *S，所以一般其工作电压为几百伏至 1kV 左右。这样的电压对单只半导体电力电子器件便可以承受。因而，其变流装置十分简洁，不存在串联的需要，器件选择可以有足够的耐压裕度，因而故障因素少，可靠性可大大提高。2 装置的变流（控制）功率：由于大功率半导体器件制造上的困难，变流功率大是变流器制造的又一主要困难。(1)变频技术。10由变频原理可知，电网供给电机的全部功率都经过变频器，因而变频技术是电机全功率变流。就我们所讨论的高压电机而言，一般都是大功率电机，其功率范围
15、在几百千瓦至上万千瓦，因而，变流装置的半导体电力电子器件又存在耐受高功率的困难。因而在高压变频中同样采用功率分散变流的办法来解决，同样造成装置庞大，系统复杂和故障因素多，可靠性下降的问题，当然还有由此引起的下面将讨论的其它问题。(2)现代串级调速技术由于串级调速技术工作在转子回路，电网供给电机的功率大多由转子变为机械功率输出驱动了负载，而输入串级调速装置进行变流的只是转子绕组电回路中的转差电功率，是电机定子的输入功率减去机械功率。该转差功率的大小随负载性质不同而不同，随转速的变化而变化。如对最大量应用的泵和风机这类平方性转矩负载的拖动电机而言，其调速范围内的最大转差功率只是电机实际运行最大负载功率的 14.815%，或者说是变频变流功率的 14.815%。对十分少量的切割机械类线性转矩负载，其最大转差功率为变频的 25%。对十分少量恒转矩负载，其转差功率与转差率成正比，一般应用情况下不超过 40%。因而，无论从泵、风机这类最大量的拖动负载角度讲还是特殊的负载，串级调速变流功率比变频小的多。因而使装置简洁，故障因素少，可靠性可以更高。因变流电压的高低和功率的大小直接关系变流器（调速装
