（电气工程专业论文）漳泽发电分公司高压电机变频调速应用研究.pdf

华北电力人学l ：程硕十学位论文摘要 摘要 目前，在我国随着火电企业深化改革、竞价上网的全面展开，如何降低发电成 本，降低厂用电率，加强内部管理，挖潜节能，提高发电企业竞争能力，已经成为 火电企业迫切需要解决的问题。本文深入研究了各种电机调速技术的原理和特点， 对各种调速方式的性能及适用范围等进行了比较。针对漳泽发电分公司几种高压电 机调速系统在生产过程中的实际应用情况进行分析，并通过对调速系统整体节能情 况进行试验、对实际应用中存在的问题进行分析，研究了几种电机调速技术的运用 情况。通过对国内外电机调速技术的分析比较，提出适用于漳泽发电分公司高压电 机变频调速方案。 关键词：高压电机，变频，调速 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a l o n gw i t ht h er e f o r md e e p e n sa n dp o w e rp r i c ec o m p e t i t i o nt on e t w o r k o ft h et h e r m a le l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ne n t e r p r i s ei no u rc o u n t r y ；i ti sa l r e a d yb e c o m et h e u r g e n tq u e s t i o nt os 0 1 v ei nt h et h e n n a lp o w e re n t e 印r i s eh o wt or e d u c et h eg e n e r a t i n g c o s ta n ds e r 、，i c ep o w e rr a t e ，s t r e n g t h e nt h ei n t e r n a lm a n a g e m e n ta n de x c a v a t ep o t e n t i a l ， e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n h a n c et h ec o m p e t i t i v e 暑l b i l i t y ：t h i sp a p e rd e e p l ya n a l y z e st h e p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fd i v e r s i 6 e dm o t o r sg o v e m i n gt e c h n o l o g y ，c o m p a r i n gt h e c a p a b i l i t ya n da p p l i c a b l eb o u n do fd if f e r e n ts p e e dc o n t r 0 1m o d e i ti sa n a l y z i n gt h e a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fs e v e r a lh i g h v o l t a g em o t o r ss p e e dc o n t r o ls y s t e mi np r o d u c t i o n p r o c e s si nz h a n g z ep o w e rb r a n c h ，t e s t i n gt h ew h o l ee n e r g yc o n s e r v a t i o ne f f e c to fs p e e d c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o np r o b l e m ，s t u d y i n gt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f s e v e r a lm o t o r sg o v e m i n gt e c h n o l o g y b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gd o m e s t i ca n df o r e i g n m o t o r sg o v e m i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，i tb r i n g sf o 刑a r dt h ep r o j e c to fh i g h v o l t a g em o t o r s f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dc o n t r 0 1a p p l yi nz h a n g z ep o w e rb r a n c h 、v a n gj i a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rr e n gj i a n w e n k e yw o r d s ： h i g h v o l t a g em o t o r s ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，v e l o c i t ym o d u l a t i o n 华北电力人学l ：程硕十学位论文摘要 摘要 目前，在我国随着火电企业深化改革、竞价上网的全面展开，如何降低发电成 本，降低厂用电率，加强内部管理，挖潜节能，提高发电企业竞争能力，已经成为 火电企业迫切需要解决的问题。本文深入研究了各种电机调速技术的原理和特点， 对各种调速方式的性能及适用范围等进行了比较。针对漳泽发电分公司几种高压电 机调速系统在生产过程中的实际应用情况迸行分析，并通过对调速系统整体节能情 况进行试验、对实际应用中存在的问题进行分析，研究了几种电机调速技术的运用 情况。通过对国内外电机调速技术的分析比较，提出适用于漳泽发电分公司高压电 机变频调速方案。 关键词：高压电机，变频，调速 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a l o n gw i t ht h er e f o r md e e p e n sa n dp o w e rp r i c ec o m p e t i t i o nt on e t w o r k o ft h et h e r m a le l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ne n t e r p r i s ei no u rc o u n t r y ；i ti sa l r e a d yb e c o m et h e u i g e n tq u e s t i o nt os o l v ei nt h et h e 加a lp o w e re n t e r p l i i s eh o w t or e d u c et h eg e n e r a t i n g c o s ta n ds e r 、，i c ep o w e rr a t e ，s t r e n g t h e nt h ei n t e r n a lm a n a g e m e n ta n de x c a v a t ep o t e n t i a l ， e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n h a n c et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y t h i sp a p e rd e e p l ya n a l y z e st h e p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e s t i co fd i v e r s i f i e dm o t o r sg o v e m i n gt e c h n 0 1 0 9 y ；c o m p a r i n gt h e c a p a b 订i t ya n da p p l i c a b l eb o u n do fd i f f e r e n ts p e e dc o n t r 0 1m o d e i ti sa n a l y z i n gt h e a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fs e v e r a lh i g h v o l t a g em o t o r ss p e e dc o n t r o ls y s t e mi np r o d u c t i o n p r o c e s si nz h a n g z ep d w e rb f a n c h ，t e s t i n gt h ew h o l ee n e r g yc o n s e r v a t i o ne f f b c to fs p e e d c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o np r o b l e m ，s t u d y i n gt h ea p p “c a t i o ns i t u a t i o no f s e v e r a lm o t o r sg o v e m i n gt e c h n o l o g y b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gd o m e s t i ca n df o r e i g n m o t o r sg o v e m i n gt e c h n 0 1 0 9 y i tb r i n g sf o r w a r dt h ep f o j e c to fh i 曲一v o l t a g em o t o r s f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dc o n t r 0 1a p p l yi nz h a n g z ep o w e rb r a n c h 、 ，a n gj i a n ( e 1 e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rr e n gj i a n w e n k e yw o r d s ： h i g h v o l t a g em o t o r s ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，v e l o c i t ym o d u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文漳泽发电分公司高压电机变频 调速应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谓 之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作者躲丑止日 期：2 道：= ! ：! 二 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缝 导师签名： 日期：州 华北电力人学i ：程硕十学位论文 1 1 电动机调速概述 第一章绪论 电动机在工业生产及国计民生中的使用十分广泛，其传动方式一般分为直流电机传 动及交流电机传动。过去由于交流电机实现调速较困难或某些调速方式低效不够理想， 因而长期以来在调速领域大多采用直流电机，而交流电动机的优点在调速领域中未能得 到发挥_ 1 。交流电动机的调速方式一般有以下三种4 。 ( 1 ) 变极调速是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这 种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。 ( 2 ) 改变电机转差率调速其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速 方式效率不高，且不经济。其次是采用滑差调速电机进行调速，调速范围宽且能平滑调 速，但这种调速装置结构复杂( 一般由异步电机、滑差离合器和控制装置三部分组成) ， 滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很 低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和 消耗问题。较好的转差率调速方式是串级调速。 ( 3 ) 变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目 的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。 目前我国生产现场所使用的交流电动机大多为非调速型，其耗能十分惊人。如采用 变频调速，则可节约大量能源。这对提高经济效益具有十分重要的意义。 1 2 本课题研究的意义和重要性 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。上世纪7 0 年代以来两 次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关 注。我国能源生产和消费已列世界第二，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的 需要，在能源十分紧张的情况下，却因为在节能方面的巨大差距，造成单位产值能耗太 大，每年的能源浪费惊人。如相当一部分的风机、水泵类负载，由于采取恒速驱动，浪 费掉大量的电能。这类拖动系统约占工业电力拖动总量的一半，如果采用调速节能技术 则至少可节约2 0 以上的电能。我国“十一五规划提出了不断提高能源利用效率和效 益的节能目标，而节能工作的重点则放在推行量大面广的节能技术上。其中一项重要措 施就是要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电 力电子节电技术，只有这样才能以较低的能源消费弹性系数和较大的节能量来长期支持 国民经济快速、健康、持续的发展哺。 l 华北电力人学i ：程硕十学位论文 在火力发电厂中，风机和水泵也是最主要的耗电设备，且容量大、耗电多。加上这 些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力则更加巨 大。据统计，全国火力发电厂下述八种风机和水泵：送风机、引风机、一次风机、排粉 风机、锅炉给水泵，循环水泵、凝结水泵、灰浆泵配套电动机的总容量为1 5 0 0 0 m w ，年 总用电量为5 2 0 亿k w h ，占全国火电发电量的5 8 1 引。发电厂铺机电动机的经济运 行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家，竟价上网 等的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追 求的经济目标“。 我国火电机组的平均煤耗为4 0 0 9 k w h ，比发达国家高7 0 1 0 0 9 k w h ，而厂用 电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。国产3 0 0 m w 机组的厂用电率 平均为4 7 ，而进口( g e 公司) 机组为3 8 1 。国产机组比进口机组约高2 0 左右。 国产机组厂用电率偏高的原因主要是辅机电动机在经济运行方面存在问题和差距p m l 。 国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中除少量采用汽 动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其他风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定 速驱动的泵，由于采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节流损耗。 尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低。调查 表明：我国5 0 m 1 | 以上机组锅炉风机运行效率低于7 0 的占一半以上，低于5 0 的占2 0 左右。由于目前普遍的机组负荷偏低，风机的效率就更低，有的甚至不到3 0 ，结果是 白白地浪费掉大量的电能，已经到了非改不可的地步。 目前，变频调速技术已成为节能、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动 技术进步的有效措施。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和 节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方 式，其重要性同益得到世界各国的重视。在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的 研究，推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。 1 3 国内外变频调速技术研究及应用现状 1 3 1 变频调速技术的发展过程概述 上世纪5 0 年代末，由于晶闸管( s c r ) 的研究成功，电力电子器件开始运用于 工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。但由于直流电机结构复 杂，造价比交流电机高，直流电动机在运行中，炭刷接触产生炭粉而易引起环火， 须经常维护，而且直流调速系统线路复杂，维修十分不便。因而便促进了世晃各国 对交流调速技术的开发和研制圳。到上世纪8 0 年代中期，随着第三代电力电子器 件，如门极可关断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 2 华北电力火学t 程硕十学何论文 等全控型电力电子器件的研制成功，以及电力电子器件从电流驱动型到电压驱动型 全控器件等的发展，日本等国已先后研制开发出了功率等级不同的把控制、驱动、 检测、保护及功率输出集于一体的变频调速产品。从而使交流变频调速的关键装置 一逆变器性能优良，主电路简单，驱动方便，工作可靠。同时随着控制理论、 微电子技术和计算机技术的发展，使交流电机变频调速技术取得了突破性进展，并 以其优越的调速性能和良好的节能效果逐渐取代了直流调速系统和其他的调速方 式，如变极调速、串级调速、滑差电机调速、整流子电机调速等旧”叫引。 随着全球能源短缺趋势的加剧以及交流变频技术及变频器产品的性能和功能 日趋完善，使其越来越广泛地应用在工业生产的各个领域中。据有关资料介绍，1 9 9 4 年日本生产1 0 0k w 以下的中小功变频器已达1 0 0 万台。除日本外，欧美等发达国 家目前已形成了较完整的变频器技术产业体系。 1 3 2 国外研究现状 ( 1 ) 市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频 器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以 及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年 来，高电压、大电流的s c r 、g t 0 、i g b t 、i g c t 以及智能模块i p m ( i n t e l li g e n tp o w e r m o d u l e ) 等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器 产品的生产及应用成为现实。 在大功率交一交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单 机容量达3 0 0 0 0k w 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变 频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量为6 0 0 0 0k w 的设备用于抽水蓄 能电站；在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司s i m o v e r ta 电流型晶闸管 变频调速设备单机容量为2 6 0 0k v a 和s i m o v e r tpg t 0p w m 变频调速设备单机 容量为9 0 0k v a ，其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动； 在小功率变频调速技术方面，日本富士b j t 变频器最大单机容量可达7 0 0k v a 3 ，i g b t 变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。i p m 投入应用 比i g b t 约晚2 年，由于i p m 包含了i g b t 芯片及外围的驱动和保护电路，有的甚 至还把光耦也集成于一体，是一种更为适用的集成型功率器件。目前，在模块额定 电流6 0 0a 范围内，通用变频器均有采用i p m 的趋向。i p m 除了在工业变频器中 被大量采用之外，经济型的i p m 在近年内也开始在一些民用品，如家用空调变频器、 冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。i p m 也在向更高的水平发展，日本三菱电 机最近开发的专用智能模块a s i p m 将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源 3 华北电力人学t 样硕士学位论文 供电，并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本 方面又推进了一步“。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为 基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速 提供了理论基础；1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电 路( a s i c ) 技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段皑制。 1 3 3 国内研究现状 我国电气传动产业始于1 9 5 4 年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个 电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国有2 0 0 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放，经济高速 发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进 的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多 合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在白行设计制造的成套装置 中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程 项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的 成绩。 但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严 重。目前，国内生产的主要产品的状况如下： 1 ) 晶闸管变流器和可关断器件( d j t 、i g b t 、v d m o s ) 斩波器供电的直流调速设 备这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设 备改造任务重，以及它在几百至一千多k w 范围内价格比交流调速设备价格低得多， 所以短期内仍有较大市场，国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多 为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。 2 ) i g b t 或b j tp w m 逆变器供电的交流变频调速设备这类设备总容量占的比 例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的v f 控制 到高性能的矢量控制。 3 ) 负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的变频调速设备这类产品在抽水蓄能 电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有 少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到1 2m w 。功率装置国内配套，自行开 发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。 4 ) 交一交变频器供电的变频调速设备在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大需 求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最 大容量做到8 0 0 0k w 。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。 4 华北电力大学j 【程硕十学位论文 1 3 4 国内外应用现状 从有关资料和市场上提供的大容量调速产品可以看到，目前每年世界范围内的 交流电机调速系统的硬件，软件和外围设备的总销售额是4 8 5 亿美元。其中欧洲、 中东和非洲总共占3 9 ，日本占2 7 ，北美占2 1 ，亚洲1 2 ，最后是拉丁美洲的1 。 从系统功率的销售分布看，小功率的调速系统仍然支配着市场，1 4k w 的调速系 统占了总销售额的2 1 ，5 4 0k w 系统则占总销售额的2 6 。但是随着以i g b t 、i g c t 为代表的新型复合器件耐压、电流和开关性能的迅速提高，大容量交流电机调速技 术必将获得飞速的发展和长足的进步，其市场前景十分鼓舞人心瞄引。 国外在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我们前面，已 有m v a 级的高压逆变器产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舰电力推进、 轧钢、造纸及供水等系统中，交流电机变频调速技术及其产品己成为一些工业发达 国家的先导产业。目前我国大、中容量交流调速系统的研制工作起步较晚，很多必 需的场合均为国外产品所占领。因此，研制性能可靠，价格便宜的大、中容量高性 能交流电机变频调速系统，并尽快投入批量生产，对促进国民经济发展，实现经济 增长方式转变，降低单位 产值能耗，打破西方国家在此领域的垄断地位，都将具有重要的战略和现实意义。 由于在功率器件研制及拓扑结构方面取得的突破性进展，大容量交流电机调速 技术的发展呈现着崭新的面貌，蕴藏着巨大的发展机遇。传统大功率逆变电路由于 体积大，性能差，并对电网产生较多谐波，因此应用领域越来越多地受到限制。而 新型多电平逆变器由于具有动态性能好，对电网和电机产生的谐波较少，可以升高 电压等优点，受到越来越多的重视。当p w m 技术应用于多电平逆变器时，产生一些 改进方案，对高性能大容量逆变器的应用起了重要作用。 目前我国电动机调速技术的特点是以低压、小容量调速对象为主，高压、高效 的变频调速装置以进口为主。面对节能、改善工艺的迫切需求和巨大的市场前景， 国产高压大功率变频器产品的生产还基本上刚刚起步。然而，困难与希望同在，挑 战与机遇共存。国际上具有生产、研制新型大功率变频调速装置能力的均是世界知 名的大电工电气公司，由于他们在电力电子技术发展的过程中一直是按部就班进行 的，形成了从功率半导体器件到整机生产的全套工业环节，市场惯性和企业本身的 庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品。而我国是一个新兴的发展中国家，尽 管在老技术方面有一些投资，但投资相对较小，包袱不大，可以马上转入最新技术 的开发和利用，借鉴别人的经验，跨过他们已经走过的路程。在最新领域取得研究 成果的基础上尽快产业化，可大大缩短与先进国家的差距，在某些方面甚至还可以 超过他们。从目前看，大容量交流电机调速技术应用的时机业已成熟，国内只要在 5 华北电力人学t 程硕七学位论文 体制改革、生产管理和经营决策方面走上轨道，其发展前途不可限量。 1 4 本文的主要工作 为了更好地研究各种电机调速技术的效能和可靠性，论文就中电投漳泽发电分 公司几种高压电机调速方案进行了测试和比较，分析和研究了目前常用的液联调 速、液体电阻调、斩波内反馈调速等几种调速技术的应用情况，通过对国内外各种 电机调速技术的分析比较，探索适用于漳泽发电分公司高压电机的调速方案。 本文主要包括一下内容： 一是，系统地回顾和总结了国内外有关异步电动机的调速方法和发展状况，将 各种主要方法进行了分析比较，概括总结了各种方法的优、缺点。 二是对漳泽发电分公司主要辅机的高压电机的调速控制现状进行了分析，并结 合该厂实际，对已实施的# 4 1 送风机、# 6 1 送风机、# 4 1 凝结泵、# 6 1 凝结 泵电机的调速改造实例进行了现场调查、监测和改造分析。 三是，通过对# 4 一l 送风机、# 6 1 送风机、# 4 1 凝结泵、# 6 1 凝结泵电机 的调速改造后的经济技术性对比，提出漳泽发电分公司其它更多的高压电机的调速 改造技术路线和改造方案，在技术上实现实用性和先进性的的相结合，在总体上技 术性和经济性的相统一。 6 华北电力大学j l 稃硕十学位论文 第二章电动机调速的原理及方法 2 1 电动机调速原理 交流电动机有两种：一是交流异步电动机，二是交流同步电动机。前者应用较 多。我国各类电动机的装机容量已超过4 亿k w ，其中异步电动机约占9 0 。在实际 应用场合，往往要求电动机能随意调节转速，以便获得满意的使用效果。异步电动 机的转速特性表达式为：n = 6 0 f p ( 卜s ) ，从该式可知，改变供电频率f 、电动机的 极对数p 及转差率s 均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方 式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 由上式可知，其调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节。 从而出现了目前常用的几种调速方法，如变极调速、串级调速、定子调压调速、转 子串电阻调速、电磁离合器调速、变频调速、液力耦合器调速、粘液离合器调速等。 如图2 1 所示。 图2 1 交流电动机常用的调速方法 属于高效调速方式的主要有变极调速、串极调速和变频调速；属于低效调速方 式的主要有滑差调速( 包括电磁离合器调速、液力耦合器调节器速、粘液离合器调 速) 、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力耦合器调节器速和粘液离合器 调速属于机械调速，其它均属于电气调速。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转子异步电动机，定子调压 调速和变频调速既适用于笼型、也适用于绕线转子异步电动机。 7 华北电力人学t 程硕士学位论文 2 2 电动机调速的方法 2 2 1 液力耦合器调速 该调速方式属于机械调速范畴，它是将匹配合适的调速型液力耦合器安装在常 规的交流电动机和负载( 风机、水泵或压缩机等) 之间，从电动机输入转速，通过 耦合器工作腔中液体的充满程度即可调节输出转速。 2 2 2 粘液离合器调速 该调速方式是指利用粘液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。粘液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，如同液力耦合器一样安装在笼型异步电动机与工作机械之间，在电动机恒速运 行的情况下，利用两组摩擦片之问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。 2 2 3 异步电动机的变极调速 变级调速技术是通过采用变级多速异步电动机实现调速的。这种多速电动机大 都为笼型转子异步电动机，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( 见图2 2 ) ，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数 p 是整数，它不能实现无级调速，只能有级调速。改变极对数是用改变定子绕组的 接线方式来完成的。这种改变极对数来调速的笼型转子电动机，通常称为多速异步 电动机或变极异步电动机。 ( a ) 正向串联( 2 p = 4 ) ( b ) 反向串联( 2 p = 2 ) ( c ) 反向并联( 2 p = 2 ) 图2 2 改变定子绕组连接方式以改变定子的极对数 华北电力入学工稗硕士学位论文 多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制电路很简单，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。多速电动机适合于按2 4 挡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 2 4 电磁离合器调速 电磁离合器调速技术是通过电磁调速电动机实现调速的技术。电磁调速电动机 ( 又称滑差电动机) 由三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相 异步电动机作为原动机工作，适用于容量在0 5 5 6 3 0 k w 范围的风机、水泵或压缩 机。 电磁离合器调速是由笼型异步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。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成( 图2 3 ) 。电枢和后者没有机 械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动； 磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通 以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对n 、s 极性交替的磁极，其磁通经过电枢。 当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡 流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转 速恒低于电枢的转速n 1 ，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流， 便可改变离合器的输出转矩和转速。 图2 3 a电磁离合器调速结构示意图图2 3 b 电磁离合器调速原理示意图 电磁离合器的优点是结构简单、可无级调速、运行方便、运行可靠、调速范围 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牲软，不能全速运行，低速区调速效率 低。 9 华北电力人学。i ：程硕十学位论文 2 2 5 串级调速 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。电气串级调速电路由异步电动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电动机转速，将整流后的直流电通 过逆变器变换成具有电网频率的交流电，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路 是反转子整流后的直流电作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电 流来调节异步电动机转速，直流电动机和异步电动机同轴相接，将转差功率变为直 流电动机的输入功率与异步电动机一起拖动负载，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。与转子串电阻调速相比，串级调 速的优势主要是效率高。 2 2 6 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束改变电动机的转速，在调速 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二次方成正比，因此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。一般 是用调压器来获得可调压的交流电源，晶闸管控制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触发延迟角来调节转速，可做到无级调速。 定子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 用维护方便，可以兼作笼型异步电动机的减压启动设备。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；调速特性较软，调速精度差；对电网干扰大。定子 调压调速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。 2 2 7 转子串电阻调速 转子串电阻调速是通过改变绕线转子异步电动机转子串联外接附加电阻从而 改变转子电流使转速改变的方式进行调速的，为电刷的磨损，中等容量以上的绕线 1 0 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 转子异步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，与集电环脱离接触，同时使3 个集电坏短接起 来。 转子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。转子串电阻调速适合于调速范围不 太大和调速特性要求不高的场合。 2 2 8 变频调速 过去由于实现调速困难或者某些调速方式低效不够理想，因此，长期以来在调 速的领域仍被直流调速占领，交流电动机的优点在调速传动中未能获得发挥。直到 上世纪七十年代初，随着电力电子、微电子( 集成电路) 和微机技术的飞速发展， 人们长期渴望的变频调速器实现了工业化生产。 所谓变频调速器它将三相工频( 5 0 h z ) 交流电源( 或任意电源) 变换成三 相电压可调、频率可调的交流电源，有时又将变频调速器称为变压变频装置v v v f 。 主要用于交流电动机( 异步机或同步机) 转速的调节。 一个交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动器交流电动机和控制器三大 部分组成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑 变化。 变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容 易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑 差调速和液力耦合器调速等无法比拟的，是公认的交流电动机最理想最有前途的调 速方案。 交流电动机变频调速除了有卓越的调速性能之外，还有显著的节约电能和保护 环境等重大作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。 2 3 本章小结 各种调速方式的一般性能和特点见表2 1 ： 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 表2 1各种调速方式的一般性能和特点对比表 调电 节 初安 速 调速范响应网 电始故障 装 调速方式调速方法适用范围 性围( )能力干效投处理条 质扰果资件 转子串电改变转子有 5 0 1 0 0 差无 由 低停车易绕线转子异步电动机 阻串联电阻级 改变定子无较 小停绕线转子异步电动 定了调压8 0 1 0 0快大 由 易 输入电压级低 车 机、笼型异步电动机 改变离合 电磁离合无较较 器励磁电1 0 8 0较快无 由 停车笼型异步电动机 器级高易 流 改变工作 无场 笼型异步电动机、同 液力耦合3 0 9 7差无 由 中停车 腔充油量级地步电动机 改变离合 液粘离合无较场笼型异步电动机、同 器摩擦片2 0 1 0 0差无 由 停车 器级低地步电动机 间隙 改变定子有2 、3 、4 变极快无高低停车易笼型异步电动机 极对数级 档转速 改变逆变无较 串级5 0 1 0 0快高 由 停车易绕线转了异步电动机 器逆变角级人 改变定子 无不停异步电动机、i 司步电 变频 输入频率 5 1 0 0 快有 高 高 易 级 宅 动机 和电压 目前，漳泽发电分公司机组控制系统已实现了d c s 控制，按照工艺过程控制要 求，转机设备转速必须连续可调，为此对电机调速改造应首先考虑自动控制实现的 问题，且必须是无级调速。其次，现场目i j i 使用的电机全部为笼型异步电动机，若 因为电机调速改造而购买新电机，无疑会大幅增加改造投入，原使用电机将成为废 品，因而调速方式须适用于笼型异步电机。另外，因调速改造是在原设备上进行改 造，调速装置还应有调速范围宽、安装容易、节电效果显著等要求。根据上述要求， 变频调速是最为理想的选择方案，但变频调速初始投资大，对环境要求高，为此漳 泽发电分公司选择了液力耦合调速、液体电阻调速、串级调速( 内反馈调速) 、变 频调速方式在部分6 k v 高压辅机上进行了实施，从设备投资、运行情况、节能效果 等方面对几种调速方式进行了研究。 1 2 华北电力大学j r 程硕+ 学位论文 第三章漳泽发电分公司送风机、凝结泵电机调速改造 的应用研究 3 1 对# 4 1 送风机电机液力耦合器调速改造的研究 3 1 1 液力耦合器调速原理 液力耦合器是液力传动元件，是利用液体的动能来传递功率的一种动力式液压 传动装置，它相当于离心泵和涡轮泵的组合。将其安装在异步电机和负载( 风机、水 泵等) 之间来传递转矩，可以在电机恒速运转情况下，无级调节负载的转速。液力耦 合器是一种转差损耗的低效调速设备。在高压变频技术尚未成熟，尚未在工业中应 用之前，液力耦合器在风机、水泵等调速节能方面曾有过较多的应用，发挥过其应 有的作用。尽管液力耦合器存在许多固有的缺点，但它仍在以其价格低廉的优势与 高压变频器争夺市场。甚至有些新的设计项目( 风机、泵类调速节能) 仍以其价格因 素而选择液力耦合器。 液力耦合器是一种利用液体介质传递转速的机械设备，其主动输入轴端与原传 动机相联结，从动输出轴端与负载轴端联结，通过调节液体介质的压力，使输出轴 的转速得以改变。理想状态下，当压力趋于无穷大时，输出转速与输入转速相等， 相当于钢性联轴器。当压力减小时，输出转速相应降低，连续改变介质压力，输出 转速可以得到低于输入转速的无级调节。 液力耦合器以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦 合器( 见下图) 的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输 入轴上，涡轮装在输出轴上。动力机( 内燃机、电动机等) 带动输入轴旋转时，液体 被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能 量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力耦合器靠液体与 泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入 扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出 轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。液力耦合器的传动效率等于输出轴 转速与输入轴转速之比。一般液力耦合器正常工况的转速比在0 9 5 以上时可获得较 高的效率。液力耦合器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形状不同而有差异。它一般 靠壳体自然散热，不需要外部冷却的供油系统。如将液力耦合器的油放空，耦合器 就处于脱开状态，能起离合器的作用。 根据液力耦合器的上述特点，可以等效为图3 1 所示的模型： 华北电力大学j t = 程硕士学位论文 ；i 虞j 1 ) 搞台嚣 图3 1液力耦合器模型 功率控制调速原理表明，传动速度的改变，实质是机械功率调节的结果。因此 液力耦合器输出转速的降低，实际是输出功率减小。在调速过程中，液力耦合器的 原传动转速没有发生变化，假设负载转矩不变，原传动的机械功率也不变，那么输 入与输出功率的差值功率那里去了呢，显然是被液力耦合器以热能形式损耗掉了。 因此，我们不能简单地认为液力偶合器调速是”丢转”，而实际是丢功率。设原传动 功率为p m l ，输出功率为p m 2 ，损耗功率则为 p = p m l p m 2 ( 3 一1 ) 液力偶合器是一种耗能型的机械调速装置，调速越深( 转速越低) 损耗越大， 特别是恒转矩负载，由于原传动输入功率不变，损耗功率将转速损失成比例增大。 对于风机泵类负载，由于负载转矩按转速平方率变化，原传动输入功率则按转速的 平方率降低，损耗功率相对小一些，但输出功率是按转速的立方率减小，调速效率 仍然很低。液力耦合器的调速效率曲线如图3 2 所示，平均效率在5 0 左右。 苎 l 瓣 凝 日n 错 遮腱( 一) 图3 2液力耦合器调速效率曲线 1 4 华北电力人学t 程硕十学位论文 3 1 2 液力耦合器的特点 能消除冲击和