第一讲 交流调速概述及电力电子技术

交流调速系统

第一讲交流调速概述及现代电力电子

主讲人：讲课时间：2007年9月10日

主要内容

•第一章交流调速概述

•1.1 电气传动控制系统

•1.2 交流电动机的调速方法

•1.3 三相异步电动机的六种调速方式

•1.4 交流调速的基本类型

第一章交流调速概述

直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。

但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的高性能拖动系统中则基本上采用的直流电动机。

由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：

（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；

（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；

（3）结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。

与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：

（1）结构坚固，工作可靠，易于维修保养；

（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；

（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。

因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。

直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。

也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。

这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。

经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。

随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。

随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。

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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，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。

电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

1.1 电气传动控制系统

电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。

表1 我国电气传动与变频调速技术的发展简史

目前国内主要的产品状况如下:

(1) 晶闸管交流器和开关器件（GTO、GTR、IGBT、VDMOS）斩波器供电的直流调速设备。

这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内市场不会缩减很多。

国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。

(2) IGBT或GTO\GTR PWM逆变器供电的交流变频调速设备。

这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。

(3) 负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到

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12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口。

(4) 交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。

1.2 交流电动机的调速方法

1) 同步电动机的调速

通过改变供电电压的频率来改变其同步转速。

他控变频调速、自控变频调速（无换向器电机调速）

2) 异步电动机的调速（利用晶闸管控制技术）

调压调速——控制加于电动机定子绕组的电压；

串级调速——控制附加在转子回路的电势；

变频调速——控制定子的供电电压与频率；

1.3 三相异步电动机的六种调速方式

三相异步电动机转速公式为：Array

改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。

从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。

一、变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：

具有较硬的机械特性，稳定性良好；

无转差损耗，效率高；

接线简单、控制方便、价格低；

有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；

可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。

变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。特点：

效率高，调速过程中没有附加损耗；

应用范围广，可用于笼型异步电动机；

调速范围大，特性硬，精度高；

技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

三、串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速

其特点为：

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