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标题: 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 [打印本页]

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作者: qq263946146    时间: 2018-12-30 15:25
标题: 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

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。

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。

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。

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，

直流电力的变流，都是变流技术。

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。

在目前节能减排和资源节约这一重大任务面前，高压电机调速已是必然要求，从节电效率、

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。

1、三相异步电机的转速

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，

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，

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，

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），

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，

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，

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。

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，

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，

从而达到改变同步转速的目的。如下图示，变频装置要装于供电电源和电机定子绕组之间。

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,

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2装置的变流（控制）功率：

串级调速中不同性质负载的转子转差功率随转速（转差率）变化的计算公式和曲线如下图所示。

负载性质	转子输入功率P2	轴机械功率PM	转差功率PS	最大转差功率PSM
恒转矩	P2	(1-s) P2	s P2	1P2(当s=1时)
线性转矩	(1-s) P2	(1-s)2 P2	(1-s)s P2	0.25P2(当s=0.5时)
平方转矩	(1-s) 2P2	(1-s) 3P2	(1-s)2s P2	0.14815P2(当s=0.33时)

3、节电率比较。

装置效率就取决于装置（变流装置）的变流功耗。而在相同变流技术条件下，

如上所述，变频技术需变流电机的全功率，因而造成变流功耗大，

效率在97％－94％之间。

因而一般都要给变频机房加装相当容量的制冷空调以便将热量带走，

如上所述，现代串级调速技术只变流电机功率14.815％（泵、风机负载）的转差功率，

由于功耗小，因而装置发热很小，在一般厂房温度下不需空调制冷散热，

这对大容量电机是一个可观的数字。

4、调速范围

三相异步机的调速范围要求在50-100％之间，只有极个别生产工艺有更低转速的要求。

（1） 变频技术

变频技术可以实现零转速至额定转速，甚至超同步转速的调速，

机械负载不允许超同步转速运转以及过低转速只在启动过程中有一定意义外，

现代串级调速中随串入反电势的大小，转速调整范围可以在零转速至额定转速间平滑无极调速，

绝大多数调速要求在50％－100％之间（如水泵，低于一定转速便不能正常泵水工作），

调速精度的要求同样依工艺要求不同而不同。

牵引机械等的转速精度要求不高。

（1） 变频技术

现代串级调速技术由于斩波频率的适度提高和优化设计技术的应用，

精度将进一步提高。

6、机械特性

调速系统抗击负载扰动和转速自平衡的能力。

（1） 变频调速有硬的机械特性，具有一般抗负载扰动的能力，

在小于最大允许过载量扰动下可以自平衡转速。

（2） 现代串级调速同样具有硬的机械特性，同样具有抗一般负载扰动的能力。

在小于最大允许过载量的扰动下可以自平衡转速。

7、谐波

因而谐波需限制在允许量内。变流产生的谐波功率与变流功率成正相关关系。

（1） 变频技术

在相同技术条件下变频器产生的谐波功率大，并已成为变频器制造中需突出解决的问题。

由于谐波功率大的原因，高压变频器的安装和使用有一系列严格的要求和限制。

（2）现代串级调速技术

另外整流部分在转子回路进行，整流产生的谐波经转子、气隙向定子、

二则可通过变压器绕组接线方式的变化而抑制主要谐波分量。

目前即便采用普通的逆变技术，系统的谐波量均可满足国家标准要求。

用电设备功率因数影响本身效率和供电效率，因而要求较高的功率因数值。

（1） 变频技术

   变频技术在变频中同时调压，从而保持系统有较高的功率因数，较好的解决了这一问题。

（2） 现代串级调速技术

   现代串级调速采用了固定最小逆变角和斩波控制方法，已使系统功率因数大大提高。

在不采取补偿措施情况下，系统功率因数在向下调速中会有所下降。

然而，分析其原因是在调速中无功功率下降较慢，而有功功率迅速下降所至，

而不是系统自电网吸收大量无功造成。在调速中定子电流随转速下降而下降。

从这个角度讲，现代串级调速的使用不增加而是减小供电线路的负载和损耗。

一般意义上讲，不加补偿装置，现代串级调速完全可以使用而不构成问题。

因而，功率因数的问题不构成应用的问题。

9、装置尺寸、安装和耗材

（1） 变频装置

系统复杂，装置尺寸很大，装置的制造耗材大。

由于现代串级调速系统变流功率小和电压低的原因，装置本身结构简单，

电机功率越大，尺寸的差距也越大。同样，串级调速装置的制造耗才要少的多，

由于变频装置的控制复杂性和高功耗，高压变频装置一般有严格的防尘和环境温度要求，

由于其结构及控制简单，自身功耗很小，

除灰尘过大的情况外，无需加防尘措施，也无需加装制冷设备。

11、造价

（1） 变频装置

如上的原因，装置造价要比变频装置低的多。

12、适用电机

（1） 变频技术

这也是变频技术最突出的优势。同时也要看到，

因串级调速自电机转子侧施加控制，因而须使用绕线式电机，

这也是串级调速技术唯一难于避免的问题。

13、    系统运行维护量和费用

变频调速系统应用于鼠笼电机的情况下，系统中鼠笼电机运行维护量较小，

由于变频装置造价高的原因，系统故障后的维修费用一般较高。

（2）现代串级调速系统

      由于使用绕线电机的缘故，

绕线电机滑环和炭刷的部分在较长时间运行后需作维护工作。

由于装置本身的结构简洁、功耗低、可靠性高，

因而不需要防尘除尘、空调制冷等日常维护。同时，故障后的维修费用要低的多。

四、几个问题的讨论：

串级调速的学术定义为：电机转子回路串反电势调速。这一技术被最早应用于电机调速中，

尽管其目的主要为了生产工艺的要求。

而那时，变频技术完全不可能在高压电机上应用。在我国的上世纪70-80年代，

所以串机调速是一个经典的理论，国内外均有经典的教科书，专著和文献作过全面的论述。

采用移相逆变技术的传统串级调速技术存在调速范围窄、精度低、功率因数过低、可靠性差的缺点和问题。

特别在我国当时的国有企业和国有研究机构的体制下及全社会节电意识又十分淡薄，

自上世纪80年代开始的改革开放和经济体制改革使得中小企业、民营企业得以发展，

特别适合在中小电机调速应用的变频技术迅速得到发展，产生了巨大的社会影响和认知。

变频技术由低压向高压发展，虽然存在许多可靠性问题，但在市场上不断拓展。

这又进一步强化了变频技术的影响。

同时高压变频存在的技术困难和不足更多的显露。这时才有更多业界将注意力重新转向串级调速技术的发展。

将最新电力电子技术和数字精确控制保护技术应用于现代串级调速产品研制，

技术处于国际领先水平。这些新的产品树立了社会重新认识串级调速技术的样板。

因而串级调速项目数量近2、3年来成倍增长，市场有爆发性发展的趋势。

所以，对串级调速技术的误解，与传统串级调速技术产品的问题有关，

与串级调速技术队伍近乎断代有关。

2、关于鼠笼电机和绕线电机

固然有鼠笼电机较绕线电机具有结构简单，制造容易和定期维护量小的优点。

没有考虑电机的调速节能。

唯有在钢铁、冶金、矿山、建材等行业，因对启动力矩及转速控制有特别要求，由于绕线机的启动和转速可自转子侧容易的加以各种控制，

所以有较多绕线电机得以应用。

我们需要从更为广的视角、长期使用效益和系统的角度，重新思考和反省高压电机的使用选型和调速技术的主要发展方向问题。

绕线电机的主要缺点是有转子滑环和炭刷这一转动摩擦接触的集电环。

目前这一问题已经得到好的解决，新材料和新技术的应用已使绕线电机可以长期可靠运行，

另一方面，滑环、炭刷问题主要是制造工艺的控制和材料选用问题，是容易解决的问题。

目前,我们还没有对国外高压电机调速技术的使用状况作深入的调查和研究。

且被称为效率最高的调速技术。我们的理论研究和项目实践都支持这样的观点：

由上述的粗略分析，我们可以得出如下结论

对高压电机调速节能而言，我们应大力发展和推广使用适合调速的高压绕线式电机，

2、现代串级调速产品在高压电机应用上已达到很高的可靠性、调速技术指标和性能；

使用环境要求、运行维护量及费用、安装尺寸及便宜上都有明显的综合性优势，是应大力推广的技术。

它的产业发展，会给我国社会经济带来巨大的效益。该产业十分契合国家的节能战略，

应得到国家的大力支持和发展。

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