试论交流调速系统在工业领域的应用

杨振奋

摘要：随着科技的进步，电力电子技术有了长足的发展，在当前的电力拖动中，交流调速系统逐渐成为主流方向。在工业企业领域，本文通过对交流调速系统的应用进行阐述，分析其节能效益，进而为应用交流调速系统提供参考依据。

关键词：电力拖动 交流调速 节约能源

在工业工程中，对于可调速的电力拖动系统来说，根据采用何种电流制型式的电动机实现电能与机械能之间的转换，进而在一定程度上将其划分为直流调速系统和交流调速系统。所谓交流电力拖动，通常情况下就是通过交流电动机实现电能-机械能之间的转换，并且在一定程度上通过控制电能，进一步产生需要的转矩和转速。

通过研究分析电力拖动的发展过程，在各个工业领域并存着交直流两种拖动方式。在各个不同的时期，由于科学技术的影响和制约，它们所处的地位存在一定的差异，但是随着工业技术的发展，它们也在不断地进步，尤其是他们之间的竞争随着电力电子元器件的发展而变得异常激烈。二十世纪上半期，由于直流拖动具有良好的调速性能，所以在八十年代以前，高性能可调速拖动都采用直流电力拖动。直到二十世纪60～70年代，随着电力电子技术的飞速发展，进而在一定程度上能够实现电力电子变换器交流拖动系统，在工业发展中，高性能的交流调速系统得到广泛的应用，同时将电力拖动应用技术推向新的高度。

但是在生产技术方面，尤其是在精密机械加工与冶金工业生产方面，在静态特性（起制动、正反转、调速精度、调速范围等）与动态响应方面对电力拖动提出更高的要求。在技术方面，与直流电力拖动相比，实现交流电力拖动的难度要大。进而二十世纪以来，直流电力拖动系统在可逆、可调速与高精度的拖动技术领域占据相当长的时间。

对于直流电动机来说，由于具有电刷与整流子，因而需要对它们进行经常性的维修和检查，受电动机安装环境的影响和制约，以及高转速、大容量难以在直流电机中发展。

随着工业化进程的不断加快，以及科学技术的发展，进一步使得这些问题更加突出。基于此，进入二十世纪三十年代，不少国家开始研究无换向器调速电力拖动装置，但是进展速度非常的缓慢，并且能够投入工业运行，同时具有良好调速性能的交流电力拖动装置比较少。进入六十年代，随着电子技术的不断发展，在一定程度上使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以成功实现。进入七十年代，随着大规模集成电路，以及计算机控制技术的不断发展，以及现代控制理论的广泛推广，进而在一定程度上为开发交流电力拖动创造了有利的条件。在调速性能方面可以与直流电力拖动相提并论。

在节约能源方面，对于交流调速系统的应用需要特别指出。当前，在世界范围内，能源紧张、能源费用高涨，需要急需解决能源节约问题。在节约能源方面，交流调速技术作为一项重要措施，在一定程度上引起人们的高度重视。这是因为：

一方面，在各国的总用电量中，交流拖动负荷占有很大的比重（在发达国家，通常情况下超过一半以上），对于这类负荷，要实现节能，通常情况下，其节电效益非常可观；另一方面，对于交流拖动来说，本身存在很大的节电效益潜能，有待进一步挖掘；在交流拖动装置中，在选用交流电机及其所拖动机械的过程中，通常情况下，需要预留一定的富余容量，而且也不总是运行在最大负荷的情况下；在轻载时，为了达到节电的目的，在一定程度可以利用电力电子技术进一步降低电机的外加电压，或者是通过控制电机的速度，进而在一定程度上改变某些工作机构的工况。

例如，在工业上，风机、水泵、压缩机的大量使用，对于这类机械来说，通常情况下都是采用交流电机进行拖动，在工业用电中，其用电量大约占到50%，过去流量都是通过调节风门、闸阀的方式进行改变，进而在一定程度上白白浪费掉大量的电能；如果通过电机调速的方式对流量进行改变，那么可以大大提高效率，其电能消耗至少可以减少10%，这对我国来说，就意味着每年可以节约几百亿千瓦时的电量。

所以在世界范围内，各国为了获得更大的能源利益，都在对交流调速技术进行广泛合理地使用，或者改造技术，包括从小容量到超大容量的电机。

通过上述分析，交流调速系统凭借自身优良的调速性能，同时可以节约能源、减少维修费用，节省占地面积等优点，进而在一定程度上有着广阔的市场前景，尤其在大容量或工作于恶劣环境下，交流调速系统的优越性更是直流电力拖动所不及的。展望前景，在各个工业技术领域中，交流调速所占的比重必将成倍增长的趋势，在工业电气自动化领域中，其地位将会越加的重要。

近代交流调速发展的趋势，大致可以从以下几个方面来看：

①调压调速：

调压调速就是改变电动机定子电压来调节电动机的转差率以达到调速的目的。这种方法适用于高电阻转子绕组鼠笼式电动机或转子串接变阻器的绕线型电动机。其特点是：控制线路简单，装置体积小，价格低，使用、维修比较方便，但在调速过程中的转差功率以热能型式消耗于电机转子回路中，故效率较低；转速特性较软，如对转速精度要求高，必须采用测速反馈的闭环控制系统。采用可控硅控制或带有微机控制的交流调速系统，适用于中、小功率，特别是几个千瓦的小容量系统已成为主流，并广泛推广应用于起重机、卷扬机、电梯等的生产设备中。

②串级调速：

串级调速就是改变电动机转子回路外加电动势来调节电动机的转差率以达到调速的目的。这种调速方法只适用于绕线型异步电动机。由于可以将电动机的转差功率回馈电网，所以这种方法效率较高，且具有控制方便、可实现平滑无级调速等优点，被广泛应用于风力、水力机械、印刷机、造纸机、起重机、卷扬机等生产机械中。串级调速的缺点是功率因数较差，需要采取补偿措施；设备费用较贵；线路较复杂。

③变频调速：

在各种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行率高，调速范围广，是一种理想的调速系统。变频调速就是改变电动机电源频率来调节电动机同步转速以达到调速的目的。这种调速方法特别适用于鼠笼型电动机。它保持了异步电动机固有的机械特性硬、转差率小的特点，所以效率高，没有因调速而带来附加转差损耗，且具有调速范围大，平滑性能好，调速精度高等优点，在调速过程中还能实现恒功率调速和恒转矩调速，可适应不同负荷的要求。变频调速被认为是最有发展前途的交流调速传动。变频调速以其逆变器组成的型式不同而种类较多。但这种调速方法需要专用的变频电源，技术复杂，初投资和运行维护费用较高，而且在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低，不利于满载和过载启动。

④无换向器电动机（可控硅电动机）调速：

无换向器电动机调速就是利用换向器电动机来实现调速的目的。无换向器电动机是一种利用晶闸管控制的变频调速同步电动机，由于是用位置检测器及可控硅代替了相当于直流电机中的电刷和换向器，因而其原理和调速性能与直流电动机相似，结构简单、无换向器、不会产生火花，容易做到大容量、高转速，并可实现正反转切换，功率因数和效率也较高，但与直流电动机相比，它的转矩波动成分大，过载能力低，运行可靠性差。

⑤微机控制：

在交流调速传动中，采用微机控制早已进入了实用阶段，向部分微机控制方向发展，并带有监视、保护和自诊断、自复原等多种功能。本人曾参与“全自动交流变频调速成套装置”的开发与研制，该产品现已在许多单位的恒压供水系统中得以广泛应用，节电效果良好，取得了较好的经济效益。

交流调速系统，在节能领域中被日益重视，将旧有的恒速交流传动代之以可调速的交流传动，已取得了巨大的经济效益，并为交流调速系统在工业领域中的应用开辟了广阔的前景。

参考文献：

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[2]冯垛生.交流调速系统[M].机械工业出版社，2008.5.

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