浅谈电机变频调速技术

为了降低矿井的生产成本，提高电机系统效率，目前越来越多的煤矿在进行中、高压电动机变频调速的技术改造。采用这种先进的电机变频调速技术，改善风机、泵类系统电机的调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式，重点对大中型变工矿电机系统进行调速改造，合理匹配电机系统，减少资源浪费。

　　一、绪论

　　（一）变频调速技术简介。

　　变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。电机有直流电机和交流电机。直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流电机由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望让简单可靠廉的交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。

　　（二）国内研究现状。

　　我国是一个能源生产大国，但我国同时也是一个能源匮乏国，随着能源危机的加重，各行各业都应该实现节能减排。工矿企业作为能耗企业，如果实现节能减排则显得尤为重要。异步电动机作为这些企业的主要动力设备，所以实现异步电动机的节能就是实现企业的节能。变频器作为一种新型节能减排技术则得到了广泛的应用。

　　二、交流电动机调速

　　（一）交流变频调速技术的发展。

　　交流电动机的调速系统是一项以大功率电力电子器件为基础的新型技术学科在过去的十几年间由于大功率电力电子器件的不断出现，使交流电动机的调速技术取得了很大的发展。

　　1.交流电机

　　交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

　　2.直流电机

　　直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

　　（二）交流调速的方式。

　　异步电机得调速方法可以有改变转差率，改变磁极对数及变频三种。其中改变转差率的方法又可以通过调定子电压，转子电阻转差电压以及定、转子供电频率等方法来实现。

　　1.串极调速

　　它是将绕线式异步电动机的转差功率回馈到电网的一种比较经济的调速方法，可以又低同步及高同步两种串调方式。

　　2.矢量变换控制调速

　　它是模拟直流电及得控制特点来进行交流机的控制。

　　3.变频调速

　　它是一种最有发展前途得一种调速方式，其调速花样繁多。

　　三、变频调速原理

　　（一）异步电机变频调速原理。

　　交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用n0表示：

　　式中：f为三相交流电源频率，一般是50Hz；

　　为磁极对数。当p=1时，n0=3000r/min；p=2时，n0=1500r/min。

　　由上式可知磁极对数p越多，转速n0就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速n0要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示：

　　在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；启动后的极端情况n=n0，则s=0，即在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s=1%～6%。综合（3-1）和（3-2）式可以得出：

　　由式（3-3）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

　　（二）电动机变频调速方案的。

　　从经济角度来讲，煤矿的大容量风机、泵类负载采用高压变频调速合理性很强，可以在节能过程中逐渐收回成本。大功率的异步电动机，现有的变频器系统有两种调速方式：“高――高”，“高――低――高”。

　　1.高――低――高变频调速系统

　　采用两级变压的方式。先降压，经过降压变频器，再升压，该模式对电力电子器件的要求降低。

　　2.高――高变频调速系统

　　采用多个功率单元模块串联，直接高压变频转换。这种方式节省了升压、降压变的投资及带来的损耗，提高了效率。采用高压变频器的大容量电动机系统一般都采用高――高模式。该调速系统由于采用了桥式整流电路，在整个调速系统中功率因数较高，不需要装设功率因数补偿装置，又因为高――高变频调速系统采用多重化脉冲控制，通过模块输出串联叠加消除高次谐波的影响。

　　高――高变频调速系统改善了系统的动态特性，变频器中逆变器的输出频率和电压，都在逆变器内控制和调节，因此调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，动态性能好。此外，高-高变频调速系统有很好的对负载供电波形。变频器的逆变器输出电压和电流波形接近正弦波，从而降低了由于矩形波供电引起的转矩降低问题，从而改善了电动机的运行特性。

　　综上所述，高――高调速系统比高――低――高调速有着明显的优势，由于高――高调速系统是针对高――低――高调速系统缺陷研制的新一代调速系统，所以该调速系统是以后的发展趋势。