电机调速：变频器驱动交流电机在恶劣环境中的应用

在20世纪70年代以前，工业应用的电力拖动设备80%左右均采用交流电动机的恒速拖动，而变速拖动系统大多数采用直流调速系统，但由于结构的原因，直流电动机存在许多缺点，限制了它的广泛应用。如：

①直流电机需要定期更换电刷、换向器，维护保养难。

②由于直流电机存在换向火花，不能应用在易燃易爆等恶劣环境。

③由于直流电机有换向器和电刷，所以直流电机的容量不能太大，转速也不能太高。

④由于直流电机的结构相对比较复杂，其成本也相对较高。

所以很久以来，在工业生产中大量应用的风机、泵类等需要进行流量调节控制的电力拖动系统中，人们不得不保留交流电动机的恒速拖动，大多采用挡板和阀门来调节风速、流量、压力等。这种方法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源大量浪费，因此，人们一直希望能够采用交流电动机调速系统来取代直流电动机调速系统，并在这方面进行了大量的研究开发工作。多年来已经研制出多种交流电动机调速装置，如定子调压调速、变极调速、滑差调速、电磁耦合器调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合器调速和液黏离合器调速等。这些调速系统的研制虽然取得了一定的成果，但仍存在着调速范围窄、损耗仍偏大、功率因数低、适用负载面窄等缺点，限制了交流调速系统的应用。

风机水泵

随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展，并广泛地应用于工业生产的各项领域。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，流量与转速成正比，风压或扬程与转速的平方成正比，所以轴功率与转速的立方成正比，即P∝n3。理论上，如果流量为额定流量的75%，使感应电动机转速控制在额定转速的3/4运行，其轴功率为额定功率的42%，与采用挡板或闸门调节相比，可减少58%的功率；如果流量下降到额定流量的50%，使感应电动机转速在额定转速的1/2运行，其轴功率为额定功率的1/8，与挡板或闸门调节相比，可减少7/8的功率。由于调速转差功率损耗和控制装置的附加功率损耗都比调速减少的功率损耗小得多，实际节电效果还是相当明显的。因此，调速技术应用在负载率偏低和流量变动较大的风机和泵类等流体设备的电力拖动上可获得显著的节电效益，这也是为什么风机和泵类是调速技术节电应用重点对象的主要原因。

与传动的交流拖动系统相比，变频调速系统有许多突出的优点。

（1）节能

变频器容易实现对现有的交流电机进行调速控制。在工业中，如电厂、矿山和冶金、石油、化工、机械、电子、建材、纺织、轻工等许多行业大量存在需要电机变速及软启动的场合。根据全国第三次工业普查公布的统计数字，我国风机水泵压缩机类通用机械总装机容量为1.6亿千瓦，其中风机约为4900万千瓦，水泵约为1000万千瓦，年耗电3200亿千瓦时，占全国耗电总量的1/3，占工业用电量的40%，在国民经济中举足轻重，节能潜力很大。特别是1998年1月1日我国实施的《节约能源法》第四章第三十九条（二）款明文规定：“逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速的电力电子技术……提高电能利用率”，近几年的实践证明：通过变频调速来取代阀门、挡板控制，节电效果明显，特别是对于中大容量交流电动机拖动的风机、泵类系统（300千瓦以上），若采用变频调速，节电效果更加明显，而且回收投资期短，一般为1～2年。变频调速已成为节能的重要手段和重大措施。(www.xing528.com)

（2）调速范围大而且连续

变频调速系统通过连续改变变频器输出频率来实现转速的连续变化，使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，运行效率也明显提高。一般来说，通用变频器的调速范围可达1∶10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可达1∶1000。

（3）容易实现正、反转切换和构成自动控制系统

三相异步电动机

在电网电压下运行的交流电动机进行正、反转切换时，只需改变相序即可实现。如果在电动机尚处高速时就进行相序切换，电动机内将会产生较大的冲击电流，甚至有烧毁电机的危险。而在变频调速系统中可以通过改变变频器输出频率先使电动机降至低速，再进行相序切换。这样切换电流可以比较小，电动机的功耗和发热也都减小了许多。另外变频器有接口同其他设备一起构成自动控制系统。

（4）启动电流小，可用于频繁启动和制动场合

异步电动机直接启动的启动电流通常为额定电流的5～6倍，电机损耗较大，所需电源容量也很大，因此不宜频繁启、停。采用变频器对异步电动机进行驱动时，可以将变频器的输出频率降至很低时启动，电动机的启动电流很小，因而变频器输入端要求电源配置的配电容量也可以相应减小。另外它还可以采用变频器来实现电气制动。制动时变频器的输出频率先逐步减小，负载所存储的机械能将转换为电能回馈到变频器，通过一定的制动回路将这部分能量或者以热能形式消耗掉，或者回馈给电网。因此变频器驱动交流电机调速系统可以工作在频繁启动和制动的场合。

变频调速系统

（5）结构简单、运行安全可靠

变频调速系统中异步电机结构简单、坚固耐用，而且通常不需再用齿轮箱等其他变速装置，保养维修都比较简单，可根据工作环境的不同，选择不同的异步电机，而变频器通常不需改变。因此，变频调速系统能应用于易燃、易爆、易腐蚀等恶劣环境中。

鉴于以上所列出的变频调速的部分优点，在交流电机的调速技术中，变频调速技术是应用面最大、效率最高的。交流变频调速是当代电力电子、微电子、自动控制、传感器、电机等多种先进技术集成起来的一项高技术。近20年的理论发展和应用实践表明，它的调速性能好、节能明显，是电气传动的发展方向；它的应用面宽，为企业节能降耗、提高产品质量和生产效率、最终提高经济效益提供了技术的和物质的支持。因此各工业发达国家都把发展交流电动机变频调速作为技术进步、提高效率和节省能耗的一大措施。凡已经采用变频调速电机的单位大多取得了很好的节电效益，因此变频调速技术在我国的应用有着广阔的前景，也越来越受到政府和企业的高度重视。目前，变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已经扩展到了工业生产的各个领域和家电产品中。