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高频斩波调速技术与变频技术在高压电机 调速节能应用中的技术经济比较 保定华仿电控有限公司 三相异步电动机调速技术可以改进生产工艺和节省大量电力。而三相异步高压电机的功率大,是大型工矿企业的主要动力源,是电力的主要消耗设备,因而高压电机调速技术对我国节能减排具有战略性的重大意义。 在三相异步高压电机调速领域,主要有变频技术和现代高频斩波调速-高频斩波调速技术,它们均可实现宽范围的平滑无级转速调节。两种调速方法都是用现代电力电子技术进行交、直流电力的变流,都是变流技术。由于高频斩波调速技术在高压电机应用中突出的变流电压低、变流功率小的技术特点,使其较高压变频技术具有综合性的优势。因而应给予充分重视和大力支持。 一、变频和高频斩波调速技术原理 1、三相异步电机的转速 三相异步电机转子的转速为n =(1-S) 。 其中n为转子的转速,f为电机供电电源频率,p为绕制电机已确定的极对数,s为转差率(s= ,n0是电机旋转磁场转速,又称为同步转速)。 三相电机制造完成后,一般选择一种极对数,即p为常数(也有多极对数的变极电机,可实现变极的有级调速,这里不作讨论),因而电机转子转速便取决于供电频率f和转差率s。在电机转子侧不加以控制的情况下,当电机定子绕组通以三相额定工频(50HZ)电源,定子三相绕组便形成一旋转磁场,旋转磁场的转速称为同步转速。该旋转磁场切割电机的转子绕组(绕线式或鼠笼式),在封闭的转子回路中产生感应电势,进而产生转子电流。转子电流与旋转磁场产生作用力,从而产生转矩,使转子带动负载旋转。 由于转子产生感应电势和电流的前提条件是转子绕组被旋转磁场切割(有相对速度),因而转子转速总是要低于旋转磁场(同步转速)一定的速度,因此称为异步。同样,在转子回路不另加控制和正常负载情况下,转子一般比同步转速低几至十几转运行,该转速称为额定转速。如1000转/分同步转速的电机,转子额定转速一般为990转左右。因而在电机定子供额定电源和电机转子不施加控制的情况下,即便负载大小在额定负载附近有所变动,电机转子转速一般在额定转速上下略有波动,但被基本确定下来,为一基本恒定的转速。因而,不采用调速技术,三相异步电机不具有转速变化的能力。 2、变频调速技术 由上边的讨论可知,转子转速一般仅低于定子产生的旋转磁场转速几至十几转运转,那么,如果可以改变定子旋转磁场的转速,则转子转速便可得以改变。旋转磁场的转速取决于三相供电电源频率f,在我国是工频50Hz/秒,所以,变频技术就是要将工频电源经变频装置后使其频率得以改变,再向定子三相绕组供电,从而达到改变同步转速的目的。如下图示,变频装置要装于供电电源和电机定子绕组之间。 实现三相交流电源频率的调整和改变,都是采用电力电子变流技术。如图所示,三相工频交流电源接入变频装置,半导体电力电子整流器将其整流成为直流(交流变直流),然后再经半导体电力电子逆变器,将直流逆变为三相交流(直流变交流),而在直流逆变交流的过程中,可以施加控制,使逆变得到的三相交流电频率得以改变和控制。比如,可将50HZ工频改变成为49HZ、48HZ,也可逆变为51HZ甚至更高的频率。变频器输出的改变了频率的三相交流为电机定子供电,从而改变同步转速,同样改变了转子的转速(转子转速随同步转速变化而变化)。这便是变频调速的原理。 由上述原理可见,变频技术是利用变流技术从电机的定子侧施加控制,是改变电机定子供电电源频率的调速技术(因功率因数的关系还同时调压)。 3.高频斩波调速技术 (1)高频斩波调速原理 与变频调速技术不同,高频斩波调速技术改为从电机的转子侧施加控制,其本质是控制转子的电流,如下图所示。 如图所示,当定子三相绕组接入三相交流电源后,产生旋转磁场,旋转磁场切割转子绕组产生感应电势E2。在转子绕组回路闭合情况下,E2除以转子绕组阻抗产生转子电流I2, I2与旋转磁场产生转矩。如果可以在每相转子绕组中加入一个与E2感应交流电势频率相同、相位相反、大小可调的交流电势(反电势)Ef,就可以改变转子电流I2,从而改变转子绕组与旋转磁场的作用力矩,从而改变转子的转速。 由于转子绕组中直接加入交流反电势上的技术困难,因而实际的技术实现仍是采用变流技术,将转子三相交流感应电势整流为直流,在直流回路中加入直流可调反电势,如上图所示。 (2)外反馈式高频斩波调速原理 高频斩波调速技术为实现转子回路串入可调反电势采用如下实际电路。 外反馈式高频斩波调速原理图 当电机定子三相绕组接入三相工频电源后,产生的旋转磁场切割转子三相绕组,产生三相感应交流电动势和转子交流电流,经滑环、炭刷将转子三相感应电流引出至三相全波整流器,整流成上正下负的直流。在上图的右侧,接有一有源逆变电路,其逆变变压器原边三相接回至6kv或10kv工频电源。 当有源逆变器的控制脉冲固定于

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