試論交流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

楊振奮

摘要：隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在當(dāng)前的電力拖動(dòng)中，交流調(diào)速系統(tǒng)逐漸成為主流方向。在工業(yè)企業(yè)領(lǐng)域，本文通過(guò)對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行闡述，分析其節(jié)能效益，進(jìn)而為應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力拖動(dòng) 交流調(diào)速 節(jié)約能源

在工業(yè)工程中，對(duì)于可調(diào)速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)采用何種電流制型式的電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而在一定程度上將其劃分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。所謂交流電力拖動(dòng)，通常情況下就是通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電能-機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，并且在一定程度上通過(guò)控制電能，進(jìn)一步產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

通過(guò)研究分析電力拖動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域并存著交直流兩種拖動(dòng)方式。在各個(gè)不同的時(shí)期，由于科學(xué)技術(shù)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(yè)技術(shù)的發(fā)展，它們也在不斷地進(jìn)步，尤其是他們之間的競(jìng)爭(zhēng)隨著電力電子元器件的發(fā)展而變得異常激烈。二十世紀(jì)上半期，由于直流拖動(dòng)具有良好的調(diào)速性能，所以在八十年代以前，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電力拖動(dòng)。直到二十世紀(jì)60～70年代，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，進(jìn)而在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)電力電子變換器交流拖動(dòng)系統(tǒng)，在工業(yè)發(fā)展中，高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)將電力拖動(dòng)應(yīng)用技術(shù)推向新的高度。

但是在生產(chǎn)技術(shù)方面，尤其是在精密機(jī)械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)方面，在靜態(tài)特性（起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速精度、調(diào)速范圍等）與動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面對(duì)電力拖動(dòng)提出更高的要求。在技術(shù)方面，與直流電力拖動(dòng)相比，實(shí)現(xiàn)交流電力拖動(dòng)的難度要大。進(jìn)而二十世紀(jì)以來(lái)，直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)在可逆、可調(diào)速與高精度的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于具有電刷與整流子，因而需要對(duì)它們進(jìn)行經(jīng)常性的維修和檢查，受電動(dòng)機(jī)安裝環(huán)境的影響和制約，以及高轉(zhuǎn)速、大容量難以在直流電機(jī)中發(fā)展。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步使得這些問題更加突出?；诖耍M(jìn)入二十世紀(jì)三十年代，不少國(guó)家開始研究無(wú)換向器調(diào)速電力拖動(dòng)裝置，但是進(jìn)展速度非常的緩慢，并且能夠投入工業(yè)運(yùn)行，同時(shí)具有良好調(diào)速性能的交流電力拖動(dòng)裝置比較少。進(jìn)入六十年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在一定程度上使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以成功實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入七十年代，隨著大規(guī)模集成電路，以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的廣泛推廣，進(jìn)而在一定程度上為開發(fā)交流電力拖動(dòng)創(chuàng)造了有利的條件。在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動(dòng)相提并論。

在節(jié)約能源方面，對(duì)于交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用需要特別指出。當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)，能源緊張、能源費(fèi)用高漲，需要急需解決能源節(jié)約問題。在節(jié)約能源方面，交流調(diào)速技術(shù)作為一項(xiàng)重要措施，在一定程度上引起人們的高度重視。這是因?yàn)椋?/p>

一方面，在各國(guó)的總用電量中，交流拖動(dòng)負(fù)荷占有很大的比重（在發(fā)達(dá)國(guó)家，通常情況下超過(guò)一半以上），對(duì)于這類負(fù)荷，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能，通常情況下，其節(jié)電效益非常可觀；另一方面，對(duì)于交流拖動(dòng)來(lái)說(shuō)，本身存在很大的節(jié)電效益潛能，有待進(jìn)一步挖掘；在交流拖動(dòng)裝置中，在選用交流電機(jī)及其所拖動(dòng)機(jī)械的過(guò)程中，通常情況下，需要預(yù)留一定的富余容量，而且也不總是運(yùn)行在最大負(fù)荷的情況下；在輕載時(shí)，為了達(dá)到節(jié)電的目的，在一定程度可以利用電力電子技術(shù)進(jìn)一步降低電機(jī)的外加電壓，或者是通過(guò)控制電機(jī)的速度，進(jìn)而在一定程度上改變某些工作機(jī)構(gòu)的工況。

例如，在工業(yè)上，風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的大量使用，對(duì)于這類機(jī)械來(lái)說(shuō)，通常情況下都是采用交流電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，在工業(yè)用電中，其用電量大約占到50%，過(guò)去流量都是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門、閘閥的方式進(jìn)行改變，進(jìn)而在一定程度上白白浪費(fèi)掉大量的電能；如果通過(guò)電機(jī)調(diào)速的方式對(duì)流量進(jìn)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(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，就意味著每年可以節(jié)約幾百億千瓦時(shí)的電量。

所以在世界范圍內(nèi)，各國(guó)為了獲得更大的能源利益，都在對(duì)交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)行廣泛合理地使用，或者改造技術(shù)，包括從小容量到超大容量的電機(jī)。

通過(guò)上述分析，交流調(diào)速系統(tǒng)憑借自身優(yōu)良的調(diào)速性能，同時(shí)可以節(jié)約能源、減少維修費(fèi)用，節(jié)省占地面積等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而在一定程度上有著廣闊的市場(chǎng)前景，尤其在大容量或工作于惡劣環(huán)境下，交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性更是直流電力拖動(dòng)所不及的。展望前景，在各個(gè)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，交流調(diào)速所占的比重必將成倍增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域中，其地位將會(huì)越加的重要。

近代交流調(diào)速發(fā)展的趨勢(shì)，大致可以從以下幾個(gè)方面來(lái)看：

①調(diào)壓調(diào)速：

調(diào)壓調(diào)速就是改變電動(dòng)機(jī)定子電壓來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率以達(dá)到調(diào)速的目的。這種方法適用于高電阻轉(zhuǎn)子繞組鼠籠式電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)子串接變阻器的繞線型電動(dòng)機(jī)。其特點(diǎn)是：控制線路簡(jiǎn)單，裝置體積小，價(jià)格低，使用、維修比較方便，但在調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差功率以熱能型式消耗于電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，故效率較低；轉(zhuǎn)速特性較軟，如對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求高，必須采用測(cè)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用可控硅控制或帶有微機(jī)控制的交流調(diào)速系統(tǒng)，適用于中、小功率，特別是幾個(gè)千瓦的小容量系統(tǒng)已成為主流，并廣泛推廣應(yīng)用于起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、電梯等的生產(chǎn)設(shè)備中。

②串級(jí)調(diào)速：

串級(jí)調(diào)速就是改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路外加電動(dòng)勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率以達(dá)到調(diào)速的目的。這種調(diào)速方法只適用于繞線型異步電動(dòng)機(jī)。由于可以將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)，所以這種方法效率較高，且具有控制方便、可實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力、水力機(jī)械、印刷機(jī)、造紙機(jī)、起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中。串級(jí)調(diào)速的缺點(diǎn)是功率因數(shù)較差，需要采取補(bǔ)償措施；設(shè)備費(fèi)用較貴；線路較復(fù)雜。

③變頻調(diào)速：

在各種交流調(diào)速中，變頻調(diào)速的性能最好。變頻調(diào)速電氣傳動(dòng)調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行率高，調(diào)速范圍廣，是一種理想的調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速就是改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)速的目的。這種調(diào)速方法特別適用于鼠籠型電動(dòng)機(jī)。它保持了異步電動(dòng)機(jī)固有的機(jī)械特性硬、轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，所以效率高，沒有因調(diào)速而帶來(lái)附加轉(zhuǎn)差損耗，且具有調(diào)速范圍大，平滑性能好，調(diào)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)速過(guò)程中還能實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，可適應(yīng)不同負(fù)荷的要求。變頻調(diào)速被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的交流調(diào)速傳動(dòng)。變頻調(diào)速以其逆變器組成的型式不同而種類較多。但這種調(diào)速方法需要專用的變頻電源，技術(shù)復(fù)雜，初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，而且在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低，不利于滿載和過(guò)載啟動(dòng)。

④無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)（可控硅電動(dòng)機(jī)）調(diào)速：

無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速就是利用換向器電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)是一種利用晶閘管控制的變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)，由于是用位置檢測(cè)器及可控硅代替了相當(dāng)于直流電機(jī)中的電刷和換向器，因而其原理和調(diào)速性能與直流電動(dòng)機(jī)相似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向器、不會(huì)產(chǎn)生火花，容易做到大容量、高轉(zhuǎn)速，并可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換，功率因數(shù)和效率也較高，但與直流電動(dòng)機(jī)相比，它的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)成分大，過(guò)載能力低，運(yùn)行可靠性差。

⑤微機(jī)控制：

在交流調(diào)速傳動(dòng)中，采用微機(jī)控制早已進(jìn)入了實(shí)用階段，向部分微機(jī)控制方向發(fā)展，并帶有監(jiān)視、保護(hù)和自診斷、自復(fù)原等多種功能。本人曾參與“全自動(dòng)交流變頻調(diào)速成套裝置”的開發(fā)與研制，該產(chǎn)品現(xiàn)已在許多單位的恒壓供水系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，節(jié)電效果良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

交流調(diào)速系統(tǒng)，在節(jié)能領(lǐng)域中被日益重視，將舊有的恒速交流傳動(dòng)代之以可調(diào)速的交流傳動(dòng)，已取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并為交流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

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