山東省輕工設(shè)計院 劉安堂 董平
前言：在工程設(shè)計中廣泛采用節(jié)能技術(shù)，尤其異步電動機調(diào)速技術(shù)是每一個工程師必須了解的技術(shù)之一，本文就有關(guān)知識及注意事項進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞：節(jié)能 調(diào)速 負(fù)荷特性 匹配
一 、概述
構(gòu)建節(jié)能型社會，就是動員和推進(jìn)全社會在所有領(lǐng)域歷行節(jié)能，全面、深入、系統(tǒng)地提高能效，從而取得比常規(guī)節(jié)能大得多的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。構(gòu)建節(jié)能型社會，是改變經(jīng)濟(jì)增長方式，提高經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量的重要途經(jīng)。我國經(jīng)濟(jì)的高增長仍然是靠消耗大量能源和原材料的低效益增長。2003年我國消耗了2.6x108噸鋼，1.5x109噸煤和8.2x108噸水泥，分別約占世界相應(yīng)能源總耗量的25%、30%和50%。另外還消耗了2.5x108噸石油，單位GDP能耗相當(dāng)于世間平均值得3.4倍。國家已經(jīng)決定加大能源建設(shè)投入，但強化節(jié)能是最現(xiàn)實、最經(jīng)濟(jì)的辦法。我國節(jié)能潛力十分巨大，可實現(xiàn)的節(jié)能潛力以及節(jié)能的成本效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過新增生產(chǎn)力。
我國電動機裝機容量大、耗電量占全社會總用電量的比例高、應(yīng)用廣泛、能耗水平落后于國際先進(jìn)水平，節(jié)能潛力較大，采取必要的技術(shù)措施對生產(chǎn)企業(yè)不斷提高技術(shù)水平、提高電動機效能、能效水平趕超國際先進(jìn)水平以及使電動機高效率的運行，最終達(dá)到節(jié)約能源將起到有力的保障作用。根據(jù)我國的實際情況，從產(chǎn)品制造源頭抓起，進(jìn)一步提高主要耗能產(chǎn)品能效水平，淘汰落后，加快推廣應(yīng)用高效節(jié)能產(chǎn)品，有效推動高效節(jié)能電動機在工程項目中得到廣泛的使用，杜絕高耗能產(chǎn)品在設(shè)計文件中出現(xiàn)，這些工作是每一個工程設(shè)計者最基本的并盡心盡力的責(zé)任。選用了高效節(jié)能產(chǎn)品僅是設(shè)計者做到的第一步，我們都知道不同的生產(chǎn)工藝對其驅(qū)動電機有著不同的要求，這使得電動機與其負(fù)載類型很難做到完全匹配，造成電動機大部分時間處于低運行效率狀態(tài)，達(dá)不到節(jié)能的目的。因此，決不能簡單地認(rèn)為選用了高效節(jié)能電動機就能達(dá)到節(jié)能的目的，應(yīng)該正確地結(jié)合不同生產(chǎn)機械的負(fù)荷性質(zhì)，根據(jù)其轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速特性選定電動機的起動及控制方式，使電動機的電氣特性與不同生產(chǎn)機械的負(fù)荷性質(zhì)達(dá)到最佳匹配。本文就電動機的控制方式及其與生產(chǎn)機械的負(fù)載關(guān)系進(jìn)行初步地介紹，并就實際運用中注意事項進(jìn)行探討。
二 、生產(chǎn)機械的負(fù)載類型
任何電動機的調(diào)速控制器的選用均應(yīng)當(dāng)與負(fù)載的變化及性質(zhì)相適應(yīng)，設(shè)計中了解和掌握負(fù)載的性質(zhì)至關(guān)重要。生產(chǎn)機械的的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1隨轉(zhuǎn)速n而變化的特性[T1=f(n)]稱為負(fù)載特性，通常有以下三種類型。
A．恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，在任何轉(zhuǎn)速下，T1總保持恒定或大致恒定，這類負(fù)載稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它多數(shù)呈反抗性的，即T1的極性隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變，見圖2-1，軋鋼機、造紙機、運輸機、機床等均屬此類負(fù)載；還有一種位勢性轉(zhuǎn)矩負(fù)載，T1的極性不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變，見圖2-2，電梯、卷揚機、起重機均屬于此類。
B．恒功率負(fù)載
某些機械如機床的切削，通常在粗加工時切削量大，同時阻轉(zhuǎn)矩也大，一般采用低速；而精加工時切削量小，同時阻轉(zhuǎn)矩也小，通常采用高速。負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1與轉(zhuǎn)速n成反比，形成恒功率負(fù)載，見圖2-3。軋鋼機中的卷取機及開卷機要求恒張力軋制時也屬恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)是就一定的速度變化范圍而言的，當(dāng)速度很低時，受機械強度限制，T1不可能無限增大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)轉(zhuǎn)為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。
負(fù)載的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響，電動機（無論是交流電動機還是直流電動機）在恒磁調(diào)速時最大輸出轉(zhuǎn)矩不變---恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比---恒功率調(diào)速。如果電機的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)調(diào)速范圍與負(fù)載的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)一致，電動機及其供電裝置配套功率最小；但若負(fù)載恒功率區(qū)很寬，要繼續(xù)維持上述關(guān)系，將要求特殊的寬弱磁調(diào)速范圍電機，這給電機制造及控制帶來困難，成本反而增高，這時需尋找一個折衷方案，適當(dāng)增大電機功率，減少弱磁調(diào)速范圍。
C．風(fēng)機、水泵類負(fù)載
在各種風(fēng)機、水泵、油泵中，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，空氣、水、油對葉片的阻力在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大致與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，其特性曲線見圖2-4。圖中T10系機械傳動部分的磨擦阻轉(zhuǎn)矩，電機起動時速度低，阻力矩小易起動；在額定速度附近，較小的n變化將使機械出力有較大的變化。
三 、交流傳動系統(tǒng)的常用調(diào)速方案比選
在交流傳動系統(tǒng)中，隨著電力電子器件、微電子技術(shù)、電動機和控制理論的發(fā)展，交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)也隨著發(fā)生了巨大的變化。電磁調(diào)速異步電動機、晶閘管低同步串級調(diào)速裝置、變壓調(diào)速裝置、變頻調(diào)速控制器等新型調(diào)速系統(tǒng)在不同行業(yè)得到廣泛應(yīng)用；微型計算機、矢量變換控制技術(shù)在高性能交流傳動控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來越多、越來越成熟穩(wěn)定。歷來以恒速形式運轉(zhuǎn)的風(fēng)機、泵類機械傳動設(shè)備，已大量的采用交流調(diào)速傳動控制系統(tǒng)，大量地節(jié)約了能源；傳統(tǒng)上采用直流傳動的軋鋼、造紙、提升機械以及加工機床、機器人所用的伺服系統(tǒng)等，也已經(jīng)在用新型高效的交流調(diào)速傳動控制系統(tǒng)所取代。
交流異電動機調(diào)速傳動一般均以電動機轉(zhuǎn)速變化為基本，交流電動機轉(zhuǎn)速公式為：
n=60f*(1-s)/p （3-1）
式中： p---極對數(shù) f---供電電源頻率（Hz）
s---轉(zhuǎn)差率（同步電動機時s=0）
通過對公式分析，交流電動機有三種基本調(diào)速方式：
（1） 改變極對數(shù)p （2） 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s (3) 改變供電電源頻率f
A.變極調(diào)速
變換異步電動機繞組極數(shù)從而改變同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的稱為變極調(diào)速。其速度的變化是按階躍方式進(jìn)行，而不具備連續(xù)平穩(wěn)的特點。變極調(diào)速方式主要用于鼠籠式異步電動機；電動機的極數(shù)改變主要有兩種方式：其一是轉(zhuǎn)換單繞組接線改變極數(shù)的電動機；其二是同一鐵芯設(shè)置兩個以上極數(shù)不同繞組的電動機。典型接線詳圖3-1。
變極調(diào)速是一種高效的交流傳動調(diào)速方案，控制簡單只需要轉(zhuǎn)換開關(guān)或接觸器控制，早期投資較少，維護(hù)比較方便；統(tǒng)過改變繞組的聯(lián)接方式，可適應(yīng)不同負(fù)載特性的電動機，如恒功率、恒轉(zhuǎn)矩及可變轉(zhuǎn)矩等負(fù)載；缺點是它只能有級調(diào)速，不能適應(yīng)速度控制精度比較高的場所；它最適用于只要求二三檔級差大的、調(diào)速不頻繁的場所；例如季節(jié)性調(diào)節(jié)流量的風(fēng)機水泵，鍋爐本體的上煤機、除渣機等，可控電動機容量從幾千瓦到上千千瓦。
附表3-1 單繞組倍極比雙速電動機工作特性
電氣特性
序號 | 極數(shù)（2p） I聯(lián)結(jié)方法 | 極數(shù)（2*2p） II聯(lián)結(jié)方法 | 轉(zhuǎn)矩比 TII/TI | 功率比 PII/PI | 輸出特性 |
1 | 2Y | Y | 1 | 0.5 | 恒轉(zhuǎn)矩 |
2 | 2Y | 2Y | 2 | 1 | 恒功率 |
3 | 2Y | △ | 1.732 | 0.866 | 可變轉(zhuǎn)矩 |
4 | △ | 2Y | 2.3 | 1.15 | 可變轉(zhuǎn)矩 |
5 | 2△ | Y | 0.577 | 0.288 | 可變轉(zhuǎn)矩 |
B.串級調(diào)速
串級調(diào)速是在異步電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)串接接入一個二極管或晶閘管整流橋電路，將轉(zhuǎn)差頻率電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡儆弥绷麟妱訖C旋轉(zhuǎn)變流機組或電子逆變器將轉(zhuǎn)差功率變?yōu)闄C械能加以利用，或使其返回電源以進(jìn)行調(diào)速的一種方式。其主要調(diào)速接線方式有：電氣串級調(diào)速方式，具有恒轉(zhuǎn)矩特性；電機串級調(diào)速方式，具有恒功率特性；其他還有低同步串級調(diào)速方式以及超同步串級調(diào)速方式。
在選擇晶閘管串級調(diào)速作為調(diào)速方式時，其配套電動機容量確定應(yīng)特別如下因素的影響：
（1）最大轉(zhuǎn)矩的降低 （2）電動機功率因數(shù)的降低
（3）轉(zhuǎn)子電流集膚效應(yīng)和轉(zhuǎn)子損耗增大
確定電動機額定功率時，應(yīng)充分考慮不利因素的影響，要有一定的富裕容量，其參照公式：
P=K*PM 式中： P---串級調(diào)速時電動機所需功率
PM---正常計算預(yù)選電動機功率
K----串級系數(shù)，一般取1.15左右
在選擇電動機額定轉(zhuǎn)速時,應(yīng)比生產(chǎn)機械所需最高轉(zhuǎn)速高10%左右。
串級調(diào)速在早期的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用范圍較廣泛，隨微型計算機、矢量變換控制技術(shù)的發(fā)展其應(yīng)用范圍相對縮小，本文僅就選用注意事項進(jìn)行簡單介紹。
C.電磁調(diào)速異步電動機
電磁調(diào)速接線方式是在電動機和負(fù)載之間串接電磁耦合器，通過調(diào)節(jié)電磁耦合器的勵磁電流，改變轉(zhuǎn)差率進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的一種調(diào)速方式；其系統(tǒng)主要由異步電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器、晶閘管勵磁電源及其控制部分組成。該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資較少，運行可靠，對電網(wǎng)、電機均無影響，但在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差能量消耗在耦合器上，節(jié)電效率較低。適用于調(diào)速性能要求不高的小容量傳動系統(tǒng)中，如一般工業(yè)傳動和風(fēng)機泵類機械的節(jié)能傳動。例如在造紙廠制漿車間圓網(wǎng)濃縮機和抄紙機上均有所應(yīng)用。
一般情況下，電磁調(diào)速電動機的機械特性就是轉(zhuǎn)差離合器的機械特性，空載轉(zhuǎn)矩no不變，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速下降較多是軟特性。勵磁電流越小特性越軟，特性曲線詳圖3-3。這種機械特性可用如下公式表示：
n2=n1-K*T*T/If (3-3)
式中： n1---離合器主動部分轉(zhuǎn)速 n2---離合器從動部分轉(zhuǎn)速
T---離合器轉(zhuǎn)矩 If ---勵磁電流
K---與離合器類型有關(guān)的系數(shù)
采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效地改善其機械特性，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用是當(dāng)負(fù)載增加時引起從動部分轉(zhuǎn)速降低，由速度變化信號來控制勵磁電流的大小，從而使從動部分轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。
D.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是基于利用異步電動機的同步轉(zhuǎn)速隨其輸入電源的頻率變化特性而進(jìn)行調(diào)速的系統(tǒng)，通過改變電動機的供電電源頻率進(jìn)行速度調(diào)節(jié)控制。變頻調(diào)速通常采用晶閘管作為控制元件，主要有自然換流（電源換流和負(fù)載換流）和強迫換流兩種方法，交流—交流變頻屬于自然換流，而交流—直流—交流變頻屬于強迫換流范圍。
自然換流變頻器其特點主要表現(xiàn)在如下幾個方面：以電源換流為基礎(chǔ)，不需要專門換流電路；易于實現(xiàn)負(fù)載側(cè)至電源側(cè)的功率回饋；沒有直流環(huán)節(jié)，直接換能，損耗較少效率高。但是其電路中晶閘管使用數(shù)量多，配套觸發(fā)電路極其復(fù)雜；最主要的是其輸出波形的頻率f2低于電源頻率f1，由此而來極大的限制了其在工程項目中的應(yīng)用范圍。
目前電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)大量使用的變頻器均為強迫換流形式，它由電源整流器及輸出逆變器兩部分組成，在直流電源母線段并聯(lián)大容量的濾波電容，以提高直流電源質(zhì)量。輸出逆變器通常都是采用三相橋式逆變電路，通過改變快速晶閘管導(dǎo)通速率來控制輸出電源的頻率，從而達(dá)到控制電機速度的目的；換流電路是逆變器的核心，它對變頻裝置的性能指標(biāo)、工作可靠性以及裝置的造價、體積等方面起著決定性作用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展變頻器生產(chǎn)廠家已經(jīng)開發(fā)了各種不同類型的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同負(fù)載性質(zhì)的需要。在風(fēng)機泵類負(fù)載的調(diào)速節(jié)能、輥道及抄紙機的多電機傳動、軋鋼機及礦井卷揚機等低速大容量無齒輪傳動，離心機及磨床等的高速傳動均得到廣泛應(yīng)用。
變頻調(diào)速控制具有應(yīng)用范圍廣泛，技術(shù)性能先進(jìn)能夠適應(yīng)各種機械負(fù)載特性。然而由于其調(diào)速原理的原因，其本身存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：調(diào)速過程產(chǎn)生大量的高次諧波，回饋到電網(wǎng)對電源形成公害；由于輸出電源含有諧波成分較大，其傳導(dǎo)距離受到限制，變頻器與電動機之間間隔不宜過長；電磁輻射易對周圍弱電設(shè)施造成干擾。因而施工設(shè)計時應(yīng)采用諧波治理濾除設(shè)備；變頻器本身及配套電力電纜應(yīng)采取屏蔽措施，如選用屏蔽電纜等；與其相關(guān)的金屬構(gòu)件如電纜屏蔽層及變頻器外殼等做好接地保護(hù)，其接地阻值在滿足工頻阻值外（聯(lián)合接地阻小于1歐姆），還應(yīng)考慮諧波分量對接地的參數(shù)要求。
E.電動機的校正
各種機械負(fù)荷配置調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)果都會引起配套電動機電氣特性的變化，其輸出轉(zhuǎn)矩、功率及轉(zhuǎn)速都會在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化；為了保證其特性的變化不能影響到機械負(fù)荷的正常運轉(zhuǎn)，同時使電動機工作在額定值以內(nèi)，必須對調(diào)速狀態(tài)的電動機進(jìn)行核算。
通常電動機功率的確定是根據(jù)機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求，計算出所需配套電動機的負(fù)載功率Pl，依據(jù)計算值選擇電動機的額定功率PN略大于Pl。一般用以下公式：
PN>Pl= Tl*nN/9565 (kW) (3-4)
式中 Tl---折算到電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m）
nN---電動機的額定轉(zhuǎn)速(r/min)
當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定，在此基礎(chǔ)上在電動機基速以上調(diào)速時，其額定功率應(yīng)按最高工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行校正：
PN>Tl*nmax/9565 (kW) &nbs
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