電機和拖動基本知識(第一講)

1、第一講電機和拖動的基本知識一、電機的基本知識1電機的分類由于電能的生產(chǎn)、輸送和使用都比較方便，因而電能被廣泛的使用。在電能的生產(chǎn)，輸送和使用過程中，電機起著重要的作用。電機主要有發(fā)電機、電動機和變壓器：發(fā)電機：生產(chǎn)電能的設(shè)備；變壓器：（靜止電機）輸送電能的設(shè)備；電動機：使用電能的設(shè)備。而電動機又可以分為：直流電動機電動機同步電動機交流電動機繞線式異步（感應(yīng)）電動機鼠籠式2異步電動機的機械特性(1) 固有機械特性Snn ( 同步轉(zhuǎn)速 ) ： 60.f/p ；0On1Bn1( 額定轉(zhuǎn)速 ) ：n1=n0(1-Se)；Snn NSe( 額定轉(zhuǎn)差率 ) ： Se=(n-n )/n；010SmCTe(

2、額定轉(zhuǎn)矩 ) ： Te=9550*Pe(kW)/ne；Ts( 起動轉(zhuǎn)矩 ) ： Ts / Te < 1；Tm(最大轉(zhuǎn)矩 ) ： Tm/Te > 1過載倍數(shù)。1.0OTnTsTmT圖 1-1 電動機的固有機械特性（ 2）人為機械特性1/21S n0.5UnSnn10.8Unn10r2OAUnSmSm( r 2 + R 1 )S m 11.0( r2+R2)0TnTsTmT1 . 0S m 20.25Tm0.64TmOTa. 降低定子電壓b.轉(zhuǎn)子回路串電阻nfn>f1'>f1''>f1'''n1fnn1'f1&#

3、39;nfn>f1'>f1''>f1'''n1''f1''n1fnn1'''f1'''n1'f1'n1''f1''n1'''f1'''OTnTmTOTnTmTc-1恒轉(zhuǎn)矩負載c-2恒功率負載c. 變頻調(diào)速機械特性圖 1-2 電動機的人為機械特性3電動機的拖動轉(zhuǎn)矩TnPe(W )Pe(W )9.55Pe(W ) （ N ·m）e2 NeNe60式中

4、： Pe電動機額定功率（W ）；Ne電動機額定轉(zhuǎn)速（r/min ）， e-電動機額定 角轉(zhuǎn)速 （ rad/s）。* 旋轉(zhuǎn)體的機械功率等于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積！2/21二、電力拖動的基本知識1. 直線運動的運動方程式FFzm dv( F=ma)牛頓第二定律dt式中： F 拖動力（ N）Fz阻力（ N）dvm 慣性力（ N）2.轉(zhuǎn)動慣量J mr2 GD224g （ kg· m）式中： m或 G旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（kg）或重量（ N）R或 D 慣性（旋轉(zhuǎn)）半徑或直徑（m）g重力加速度，g=9.81m/s 2， G=mg22GD 稱為飛輪矩（N· m）GD 2=4g· J3. 旋

5、轉(zhuǎn)運動的運動方程式TdTzJ ddt式中： Td 電動機產(chǎn)出的拖動轉(zhuǎn)矩（N· m）Tz 負載（阻力）轉(zhuǎn)矩（N· m）J · d /dt 慣性轉(zhuǎn)矩，或稱加速轉(zhuǎn)矩（ ：旋轉(zhuǎn)運動的角速度 rad/s ）若以 =2 n/60 代入，則可得運動方程的實用形式：Td TzGD 2* dn( 4g · 60/2 =375 具有加速度量綱 )375dt可見： 1 ）當 Td=Tz，dn/dt=0 ，則 n=0 或 n=常數(shù)，電動機靜止或等速旋轉(zhuǎn)，電機拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)；2）當 Td>Tz， du/dt>0 ，則電機拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)；3）當 Td&l

6、t;Tz， du/dt<0 ，則電機拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)。4. 拖動電動機出力校驗起動時間：tJ * neGD 2 * ne (秒） < 22 秒！Td Tz4g (Td Tz )3/21若 t <22 秒，則電動機可以拖動風(fēng)機起動，不會因為發(fā)熱而燒毀；否則，要選大一檔的電機。5. 拖動負載的轉(zhuǎn)矩特性nnTzTza) 反抗性恒轉(zhuǎn)矩特性b) 位能性恒轉(zhuǎn)矩特性nn120T0TzTzc)通風(fēng)機負載特性（平方率負載）d)恒功率負載特性( 1 、理想的2 、實際的 )nTze.)機床平移機構(gòu)實際的負載特性圖 1-3拖動負載的轉(zhuǎn)矩特性4/21三、 電動機的起動1. 三相籠型異步電動機的起

7、動方法（ 1）直接起動直接起動也就是全壓起動，是一種最簡單的起動方法。顯然，這時起動電流比較大，可達額定電流的4 7 倍，根據(jù)對國產(chǎn)電動機的實際測量，某些籠形異步電動機甚至可達到812 倍！同時，起動電流的大小與電動機起動時所帶的負載的大小有直接的關(guān)系。對于需經(jīng)常起動的電動機， 過大的起動電流將造成電動機發(fā)熱，使絕緣老化， 影響電動機的壽命；同時電動機繞組（特別是端部）在電動力的作用下，會發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動機， 甚至?xí)罐D(zhuǎn)子籠條斷裂和與端環(huán)的焊接處開裂；過大的起動電流，也會使線路壓降增大， 造成電網(wǎng)電壓顯著下降而影響到接在同一電網(wǎng)的其他異步電動機的工作，有時甚至?xí)顾鼈兺Ｏ聛砘驘o

8、法帶負載起動，這是因為電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tst 與最大轉(zhuǎn)矩 Tm均與電網(wǎng)電壓的平方成正比， 若電網(wǎng)電壓降低太多， 會使 Tst和 Tm 降到低于 Tz ，電動機就會停轉(zhuǎn)。一般規(guī)定，異步電動機的功率低于7.5 kW 時允許直接起動， 當電動機功率大于7.5 kW，而電源的總?cè)萘枯^大，能符合下式的要求時，電動機也允許直接起動。K ZI 1st1電源總?cè)萘浚?kVA)I 1n43起動電動機容量（ kVA)如果不能滿足上式的要求，則必須采用降壓起動的方法，將起動電流I st 限制到允1許的數(shù)值。（ 2）降壓起動由于電動機的起動轉(zhuǎn)矩 Tst 與最大轉(zhuǎn)矩 Tm 都與定子所加電壓的平方成正比，任何降壓起動的方

9、法都只適合于可輕載起動的電動機，一般允許的起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的60%以下。對于需重載起動的電動機，則只能采用如變頻起動等能保證足夠起動轉(zhuǎn)矩的起動方法。a)定子串電阻（包括水電阻）降壓起動方法:電阻上有能量消耗，但起動階段的功率因素較高。b)定子串電抗器降壓起動方法:電抗器本身的功率消耗較小，但有勵磁或控制的功率消耗，且功率因數(shù)較低，成本較高。c) 自耦變壓器降壓起動方法 :是有級的，一般有0.65Un ，0. 80Un抽頭。（見圖 1-4 ）d) 星形三角形（Y D ）起動方法 : （見圖 1-5）5/21ABCABCFUK1"運行"" 運行""

10、;啟動"K2" 起動"61M343 52圖 1-4電動機自耦變壓器降壓起動圖 1-5電動機星形三角形起動只適用于空載或輕載起動的負載，且只適用于接法運行的電動機。因為當電動機的定子繞組由接法改為Y 型接法以后， 加在繞組上的電壓為原來的1/ 3，則電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為原來的1/3 ，所以只適用于起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3 以下的負載， 且通過開關(guān)控制，有二次沖擊。e)延邊三角形起動方法: （見圖 1-6 ）1Z1176Z12380V24985 264V3380V圖 1-6 電動機延邊三角形起動f) 電子式晶閘管移相控制軟起動器（見圖 1-7 ）6/21旁路接觸器（正

11、常運行）R.S.TU.V.W三相交流電源SCR起動電機380V/660V過程電壓檢測驅(qū)動電路電流檢測計算機模糊控制系統(tǒng)鍵盤、顯示器圖 1-7電子式晶閘管移相控制軟起動3.變頻軟起動：是電動機最好的軟起動方式，它的優(yōu)越性有：a)可實現(xiàn)平滑的連續(xù)升頻軟起動；b)可實現(xiàn)無起動過電流；c)對電網(wǎng)和生產(chǎn)機械無沖擊；d)可減小電路容量，在同樣的電源容量下即可增加電動機的裝機容量,節(jié)省電網(wǎng)投資。2. 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動方法(1)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻起動， 不僅可以達到減小起動電流的目的， 還可以增大起動轉(zhuǎn)矩， 減少起動時間。因此，繞線轉(zhuǎn)子電動機比籠型異步電動機有較好的起動特

12、性，適用于功率較大的需重載起動的場合，如球磨機等。(2) 轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)頻敏變阻器起動轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動時， 電阻上有功率損耗， 轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器起動就象定子串聯(lián)電抗器起動一樣，損耗很小，且具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造容易、運行可靠、維護方便、能自動操作等多種優(yōu)點，已獲得大量應(yīng)用。(3) 同步電動機的起動方法同步電動機相對于異步電動機來說有很多的優(yōu)點，但是同步電動機起動困難。為了解決同步電動機的起動問題，在同步電動機的結(jié)構(gòu)上采取了一些措施，把類似于異步電動機的鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組， 裝到了同步機的極靴上，鼠籠式繞組的導(dǎo)條用的是電阻率較高的的黃銅或鋁青銅， 在異條的兩端用端環(huán)聯(lián)成一體，叫做起動繞組。有了

13、起動繞組以后，當定子繞組接上電源， 便能產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使同步電動機轉(zhuǎn)起來，這個過程與鼠籠式異步電動機的起動過程是一樣的。7/21但是，異步電動機的轉(zhuǎn)速是達不到同步速的，不過與同步速已經(jīng)很接近了（95% -97%同步速），我們稱之為亞同步速。當同步電動機用異步起動，當它的轉(zhuǎn)速達到亞同步速時，立即給它的勵磁繞組通入勵磁電流，將它牽入同步，這就是同步電動機的異步起動方法。同步電動機起動時， 由異步牽入同步的過程是一個復(fù)雜的過渡過程，還不一定能夠成功。一般地說， 在牽入同步前轉(zhuǎn)差率越小，同步電動機的轉(zhuǎn)動慣量越小，負載越輕（一般是空載起動），牽入同步就越容易。還有，在起動時，勵磁繞組也不能開路，否則，在

14、大滑差時，旋轉(zhuǎn)磁場會對它感應(yīng)出一個較高的電動勢，這個電動勢有可能會損壞它的絕緣。但是，起動時如果把勵磁繞組短路的話，又會在勵磁繞組內(nèi)產(chǎn)生一個比較大的感應(yīng)電流，這個電流與氣隙磁場作用會產(chǎn)生單軸轉(zhuǎn)矩，單軸轉(zhuǎn)矩太大， 有可能會使同步電動機的轉(zhuǎn)速起動不到同步速。解決這個問題的辦法是在勵磁繞組回路里串聯(lián)一個電阻R 后再閉合，這樣就可以大大地減小單軸轉(zhuǎn)矩。一般這個電阻R=10Rf 即可， Rf 是勵磁繞組的電阻。自上世紀八十年代以來，由于電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，對于大型同步電動機的起動可以采用一種軟起動的方式：使用由晶閘管元件組成的高電壓、大容量變頻起動裝置， 通過調(diào)節(jié)整流器輸出的直流電壓大小，采用自控式

15、逆變（LCI ）方式改變同步電動機的輸入頻率，使電動機始終在同步狀態(tài)下從靜止起動加速，平滑地加速到電機的同步轉(zhuǎn)速，再將電機并入電網(wǎng)運行。這種起動裝置的容量只需要電動機容量的1/4即可。起動加速時功率消耗小，并且可以用在多臺同步電動機循環(huán)起動的場合，用一套起動裝置順次起動數(shù)臺同步電動機，以便節(jié)省投資。 電動機是在同步轉(zhuǎn)速下并入電網(wǎng)，對電網(wǎng)系統(tǒng)不存在沖擊， 因此是一種比較理想的起動裝置。 例如我國上海寶鋼一號高爐的大型鼓風(fēng)機電機就是用一臺同步電動機驅(qū)動的，它的容量為 12000kW，它使用了一套 4800kW的晶閘管變頻器作為起動裝置，使電動機能在高效率、高功率因數(shù)下起動，起動時間短，運行可靠。四

16、、電動機的調(diào)速由電機學(xué)原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速n0 與電源頻率f 1、磁極對數(shù)P 之間的關(guān)系式為：60 f1n0(r/min)P異步電動機的轉(zhuǎn)差率S 的定義式為：Sn n01nn0n0則可得異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：n n0(1 S)60 f1(1)PS可見，要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，可以通過下述三個途徑實現(xiàn)：改變定子繞組的磁極對數(shù)P（變極調(diào)速）；8/21改變供電電源的頻率f 1（變頻調(diào)速） ；改變異步電動機的轉(zhuǎn)差率S 調(diào)速。改變定子繞組磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速；改變電源頻率調(diào)速的方法稱為變頻調(diào)速，都是高效調(diào)速方法。而改變異步電動機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法則稱為能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速（串級調(diào)速除外），

17、它是一種低效的調(diào)速方法，因為調(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率都變成熱量消耗掉了，上節(jié)提到的繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和定子調(diào)壓調(diào)速就屬于這種調(diào)速方式。交流異步電動機的各種調(diào)速方式的區(qū)別主要表現(xiàn)在調(diào)速過程中是否改變轉(zhuǎn)差功率和對轉(zhuǎn)差功率的處理方式上：1. 轉(zhuǎn)差功率不變型在電動機調(diào)速的過程中，保持轉(zhuǎn)差功率不變，而通過改變交流異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，N0=(60f)/p，從而使電動機的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。由電動機同步轉(zhuǎn)速N0 的表達方式可見，要改變同步轉(zhuǎn)速N0，可以通過改變電動機的極對數(shù)P，或者改變動機的供電頻率來實現(xiàn)。（ 1)變極調(diào)速改變電動機定子的極對數(shù)，可使異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n060 f1 改變，從而改變異步P

18、電動機的轉(zhuǎn)速n。大中型異步電動機采用變極調(diào)速時，一般采用雙速電動機。變極調(diào)速通常只用于鼠籠式異步電動機，而不用于繞線式異步電動機。這是因為鼠籠型電動機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)是隨著定子的極對數(shù)而變的，所以變極調(diào)速時只要改變定子繞組的極對數(shù)就行了，而繞線式電動機變極時必須同時改變定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)，這就使得變極時復(fù)雜多了。用于風(fēng)機水泵調(diào)速節(jié)能的雙速電機一般不采用4 2、 8 4 等倍極比的雙速電機，而采用 6 4、8 6、10 8 極的雙速電機， 這與風(fēng)機水泵的調(diào)速范圍一般不需要很大有關(guān)。另外，對于非倍極比的雙速電動機在極數(shù)比較小時（如8 6、 10 812 10 極等），由不同的繞組接線方式， 分

19、別近似為平方轉(zhuǎn)矩型、恒轉(zhuǎn)矩型和恒功率型三種特性的雙速電機。由于葉片式泵與風(fēng)機在管路靜揚程或靜壓為零的情況下，近似為平方轉(zhuǎn)矩負載，所以應(yīng)選用平方轉(zhuǎn)矩型特性的雙速電機，以便在高速及低速運行時都有較高的效率與功率因數(shù)，具有更為顯著的節(jié)能效果。雙速電機的優(yōu)點是調(diào)速效率高，可靠性高，投資省。其缺點是有級調(diào)速，不能在整個調(diào)速范圍內(nèi)保證高效運行，有時還要配合節(jié)流調(diào)節(jié)手段調(diào)節(jié)流量，增加了部分節(jié)流損耗。雙速電動機在變速時電力必須瞬間中斷，對電動機及電網(wǎng)都有沖擊作用；高壓電動機若需經(jīng)常進行變速切換時， 其切換裝置的安全可靠性尚需進一步完善和提高。圖 1 所示為定子繞組的連接方法改變時定子極對數(shù)改變的原理。9/21

20、rrrrrrrr121212SNSNSNU1U2U1U2U1U2圖 1-8.改變定子繞組的聯(lián)接方式改變定子的極對數(shù)a) 2p=4b)2p=2c) 2p=2（ 2)變頻調(diào)速通過改變電動機的供電頻率f 來實現(xiàn)調(diào)速， 是無極的， 連續(xù)的， 是目前交流電動機最好的調(diào)速方式。 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方式屬高效調(diào)速方式，因為在調(diào)速過程中不產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)差功率， 因而不會有附加的功率損耗產(chǎn)生。由前所述可知， 通過改變電動機供電電源頻率的方法而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速用的變頻器是通過采用可關(guān)斷的功率器件如： GTO、 GTR、 IGBT、 IGCT等，再加上控制、驅(qū)動、保護電路組成的。由于大

21、功率電動機一般都采用3KV、6KV供電，所以必須采用高壓變頻器進行調(diào)速運行。目前高壓變頻器在世界上不象低壓變頻器一樣具有成熟的一致性的拓撲結(jié)構(gòu)，而是限于采用目前有限電壓耐量的功率器件，又要面對高壓使用條件的情況下，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海， 各有高招，因此主電路拓撲結(jié)構(gòu)不盡一致，但都較成功地解決了高耐壓、大容量這一難題。如美國羅賓康（ROBICON）公司生產(chǎn)的第三代完美無諧波變頻器；羅克韋爾（AB）公司生產(chǎn)的 BULLETIN1557和 Power Flex7000 變頻器；瑞典 ABB公司生產(chǎn)的ACS1000變頻器；德國西門子公司生產(chǎn)的SimovertMv 變頻器； 意大利 ANSAL

22、DO公司生產(chǎn)的SILCOVERTTH變頻器；以及日本的三菱、 富士公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器和國內(nèi)的北京利德華福公司，合康億盛公司，國電四維公司，成都東方日立公司，成都佳靈公司，上?？七_公司，中山明陽公司，廣州智光公司和深圳科陸公司等生產(chǎn)的高壓變頻器。但歸納起來主要有兩種：一是采用低耐壓器件的多重化技術(shù)，再就是采用高耐壓器件的多電平技術(shù)。1）多重化技術(shù)所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成， 各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電， 用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般 6 脈沖和12 脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。圖1-

23、9 為6KV 變頻器的主電路拓撲圖，每相由5 個額定電壓為690V 的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V× 5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15 個二次繞組分別供電， 15 個二次繞組分成 5 組，每組之間存在一個 12°的相位差。 圖 1-10中以中間接法為參考（ 0°），上下方各有兩套分別超前（ +12°、 +24°）和滯后（ -12 °、 -24 °）的 4 組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。10/21圖 1-9 6KV 變頻器的主電路拓撲圖圖 1-10輸入

24、移相變壓器的連接方式圖 1-9 中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）構(gòu)成的三相輸入， 單相輸出的低壓 PWM電壓型逆變器。 功率單元電路見圖1-11 。每個功率單元輸出電壓為1、0、-1 三種狀態(tài)電平，每相 5 個單元疊加，就可產(chǎn)生11 種不同的電平等級，分別為±5、± 4、±3、± 2、± 1 和 0。圖 1-12 為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器， 也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器。 采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出， 所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受

25、全部的輸出電流，但僅承受 1/5 的輸出相電壓和 1/15 的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由 5 對依次相移 12°的三角載波對基波電壓進行調(diào)制。對A 相基波調(diào)制所得的5 個信號，分別控制 A1A5 5 個功率單元，經(jīng)疊加可得圖1-18 所示的具有11 級階梯電平的相電壓波形，它相當于 30 脈波變頻， 理論上 19 次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2%和 0.8%，堪稱完美無諧波（Perfect Harmony）變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元

26、之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT 開關(guān)頻率若為600HZ，則當 5 個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6KHZ。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗， 而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、du/dt 值和電機的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機無特殊要求， 可用于普遍籠型電機，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由11/21于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受 -30%電源電壓下降和5 個周期的電源喪失。這種主電路拓撲結(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于 IGBT 驅(qū)動功率很低， 且不必采用均壓電路、吸

27、收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達96%以上。圖 1-11功率單元電路圖 1-12五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形2）多電平技術(shù)我國標準中壓電壓等級為6KV和 10KV，若直接變頻， 即使用 4.5KV6KV 耐壓的功率器件，仍需串聯(lián)使用，使器件數(shù)量增加，電路復(fù)雜，成本增加，可靠性大為降低。為了避免功率器件的串、并聯(lián)使用，世界上很多公司致力于開發(fā)高耐壓、低損耗、高速度的功率器件。如西門子公司研制的HV-IGBT 耐壓可達4.5KV ，ABB公司研制的新型功率器件一集成門極換流晶閘管（ IGCT），耐壓可達6KV，并在致力于研制耐壓9KV 的 IGCT器件。在研制高耐壓器件的同時， 對變頻器的主

28、電路拓撲的研究也有所突破，多電平技術(shù)就是使用有限耐壓的功率器件，直接應(yīng)用于6KV 電壓的主電路拓撲技術(shù)。圖 10 是 ABB公司 ACS1000型 12 脈沖輸入三電平高壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)圖。整流部分采用12 脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖 1-13 可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用高耐壓的IGCT 功率器件，使得器件總數(shù)減少為12 個。隨著器件數(shù)量的減少，成本降低，電路結(jié)構(gòu)簡潔，從而使體積縮小，可靠性更高。若采用 6KV 耐壓的 IGCT，變頻器輸出電壓可達4.16KV，采用 5.5KV 耐壓的 IGCT，變頻器輸出電壓可達3500V，將

29、Y 型接法的6KV中壓電動機改為接法，剛好適用此電壓等級，同時也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機的絕緣等級提高一級的要求，因此這個方案可能是最經(jīng)濟合理的。 若要輸出6KV電壓，還必須進行器件串聯(lián)。由于變頻器的整流部分是非線性的，產(chǎn)生的高次諧波將對電網(wǎng)造成污染。為此，圖1-13 所示的ACS1000 系列變頻器的12脈波整流接線圖中，將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來，其初級繞組接成三角形，其次級繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個次級繞組的線電壓相同，但相位則相差30°角，這樣5 次、 7 次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移，因而能夠互相抵消，

30、同樣的17、 19 次諧波也會互相抵消。這樣經(jīng)過2 個整流橋的串聯(lián)疊加后，12/21即可得到12 波頭的整流輸出波形，比6 個波頭更平滑，并且每個整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12 相整流電路減少了特征諧波含量，由于N=KP± 1(P 為整流相數(shù)、K 為自然數(shù)、 N 為特征諧波次數(shù)) 。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、 13、23、 25 次等。如果采用24 脈波整流電路， 網(wǎng)側(cè)諧波將更進一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在 0.95 以上，不需要功率因數(shù)補償電容器。變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆

31、變方式所固有的。輸出線電壓波形見圖11。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出濾波器才能用于普通的籠型電動機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。圖 1-13三電平 IGCT變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖圖 1-14三電平 PWM變頻器輸出線電壓波形圖3）兩種類型變頻器的性能比較現(xiàn)對多重化變頻器（CSML）和三電平 ( 中性點鉗位 ) 變頻器（ NPC）進行性能比較，兩種高壓變頻器各有優(yōu)缺點，分別體現(xiàn)在以下各方面：器件數(shù)量以 6KV 輸出電壓等級的變頻器為例， 采用 NPC方式，逆變器部分需 36 個耐

32、壓為 3300V 的高壓 IGBT，或者采用 24 個耐壓為 5000V 的 IGCT。采用 CSML方式，需要 15 個功率單元，13/21共計 60 個耐壓為 1700V 的低壓 IGBT。從器件的數(shù)量上看， CSML方式要多于 NPC方式，但CSML方式采用的是低壓 IGBT，相對于高壓功率器件而言， 低壓器件的技術(shù)更加成熟、 可靠，成本也較低。均壓問題：均壓問題 （包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓）是影響高壓變頻器可靠性的重要因素，采用 NPC方式，當輸出電壓等級較高（如6KV）時，單用12 個器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)， 器件直接串聯(lián)必然帶來均壓問題，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的

33、優(yōu)勢，大大影響系統(tǒng)的可靠性。采用CSML方式，不存在均壓問題，唯一存在的問題是當變頻器處于快速制動時，電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，機械能轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，但這個問題很容易解決，通過檢測功率單元直流母線電壓， 當任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓“泵升” ，即所謂的過電壓失速防止功能，這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)由于 CSML方式輸入整流電路的脈沖數(shù)超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢是明顯的，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢。輸入波形NPC方式輸

34、出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而6KV 等級的 CSML方式輸出相電壓為 11 電平，線電壓為21 電平。而且，后者的等效開關(guān)頻率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在輸出波形質(zhì)量方面優(yōu)勢也是明顯的。dv/dtNPC方式的輸出電壓跳變臺階為一半的高壓直流母線電壓，對于6KV 輸出變頻器而言，為 4000V 左右， CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1000V，所以二者在輸出dv/dt方面的差距也是明顯的。系統(tǒng)效率就變壓器與逆變電路而言，NPC方式和 CSML方式的效率非常接近，但考慮到輸出波形的質(zhì)量的差異， 若采用普通電機，前者必須設(shè)置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的

35、存在大約會影響效率0.5%左右。若采用特殊變頻電機，兩種變頻器的效率基本接近，但由于輸出波形方面的優(yōu)勢，采用CSML方式時， 電機運行效率相對較高。但由于IGBT 導(dǎo)通壓降大，效率較低，而IGCT 則損耗較小，因而器件效率較高。四象限運行NPC方式當輸入采用對稱的PWM整流電路時，可以實現(xiàn)四象限運行，可用于軋機、卷揚機等設(shè)備；而CSML方式則無法實現(xiàn)四象限運行，只能用于風(fēng)機、水泵類負載。冗余設(shè)計NPC方式的冗余設(shè)計很難實現(xiàn)。而CSML方式可以方便地采用功率單元旁路技術(shù)和冗余14/21功率單元設(shè)計方案，大大地有利于提高系統(tǒng)的可靠性?？删S護性除了可靠性以外，可維護性也是衡量高壓變頻器優(yōu)劣的一個重要

36、因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計， 更換功率單元時只要拆除3 個交流輸入端子和兩個交流輸出端子，以及一個光纖插頭，就可抽出整個單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。綜上所述，三電平電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)簡單，且可做成四象限運行的變頻器，應(yīng)用范圍較寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯(lián)，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設(shè)置輸出濾波器。在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時，還要設(shè)置輸入濾波器。多重化 PWM電壓源型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波輸出諧波及dv/dt等方面有明顯的優(yōu)勢，但只能二象限運行。從負載類型而言，對于風(fēng)機、 水泵等一般不要求四象限運行的設(shè)備，CSML變頻器有較

37、大的應(yīng)用前景； 對軋機、 卷揚機等要求四象限運行的設(shè)備而言，適合采用NPC型變頻器。從電壓等級來看， 在目前的電力電子功率器件的耐壓水平下，考慮到器件串聯(lián)帶來的均壓問題，6KV以上電壓等級（含6KV），宜優(yōu)先考慮CSML方式。4）變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點：主要優(yōu)點是：調(diào)速效率高。 變頻調(diào)速的特點是在頻率變化后，電動機仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運行， 基本上保持額定轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差損失不增加。變頻調(diào)速時的損失，只是在變頻裝置中產(chǎn)生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動機的損耗有所增加，相應(yīng)效率有所下降。所以變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。調(diào)速范圍寬，一般可達10 1（ 50 5Hz）或 20 1（ 5

38、0 2.5Hz ）。并在整個調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率 V。所以變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運行的負載。必要時， 變頻裝置可以退出運行，改由電網(wǎng)直接供電。這對于泵或風(fēng)機的安全經(jīng)濟運行是很有利的。如萬一變頻裝置發(fā)生故障，就退出運行，不影響泵與風(fēng)機的繼續(xù)運行；又如在接近額定頻率（50Hz）范圍工作時， 由變頻裝置調(diào)速的經(jīng)濟性并不高，變頻裝置可退出運行，由電網(wǎng)直接供電，改用節(jié)流等常規(guī)的調(diào)節(jié)方式。變頻裝置可以兼作軟起動設(shè)備，通過變頻器可將電動機從零速起動連續(xù)平滑加速直致全速運行。變頻軟起動是目前最好的軟起動方式，變頻器是目前最好的軟起動設(shè)備。主要缺點是：目前，變頻調(diào)速技

39、術(shù)在高壓大容量傳動中推廣應(yīng)用的主要問題有兩個：一個是我國高壓電動機供電電壓高（ 3 10KV），而功率開關(guān)器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；二是高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、難度大， 因而投入也高， 而一般風(fēng)機水泵節(jié)能改造都要求低投入，高回報， 從而造成經(jīng)濟效益上的問題。這兩個問題是它應(yīng)用于風(fēng)機水泵調(diào)速節(jié)能的主要障礙。15/21 因電流型變頻器輸出電流的波形和電壓型變頻器輸出電壓的波形均為非正弦波形而產(chǎn)生的高次諧波，對電動機和供電電源會產(chǎn)生種種不良影響。如使電動機附加損耗增加、溫升增高， 從而使電動機的效率和功率因數(shù)下降，出力受到限制， 噪聲增大以及對無線電通信干擾增大等。 同時，高

40、次諧波會引起電動機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，其脈動頻率為6kf ( k=1，2，3) 。當轉(zhuǎn)矩脈動頻率較低并接近裝置系統(tǒng)的固有頻率時， 可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 因此，裝置系統(tǒng)必須注意避免在共振點附近運行。 如采用 PWM變頻器或采用多重化技術(shù)的電流型和電壓型變頻器，其輸出波形大為改善，高次諧波大大減少，所以這個問題可以得到大大的改善。（ 2） 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速轉(zhuǎn)差功率消耗型屬低效調(diào)速方式，因為在調(diào)速的過程中產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)差功率并消耗掉，其調(diào)速效率等于調(diào)速比； n=n/n1 ，調(diào)速范圍越大，效率越低！其調(diào)速方式有：1)鼠籠式異步電動機定子調(diào)壓調(diào)速（圖 1-15 ）nU1>U1'>U1'

41、'nn0U1T2n1a1n1n2bn3U1'c2r2U1''dnm3r2+R14r2+R2OTnTmTr2+R30TnT圖 1-15 定子調(diào)壓調(diào)速圖 1-16轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速2)繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（圖 1-16 ）3) 液力耦合器調(diào)速液力耦合器是一種利用液體 （多數(shù)為油） 的動能來傳遞能量的葉片式傳動機械。 安裝在定速電動機與風(fēng)機水泵之間，達到平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。液力耦合器的調(diào)速效率等于輸出功率與輸入功率之比。 在忽略各種阻力扭矩時可以近似認為：MB MT式中： MB穩(wěn)定流動時，泵輪葉片作用于液體的扭矩；MT穩(wěn)定流動時，液體作用于渦輪的扭矩。即在忽略液

42、力耦合器的機械損失和容積損失等時，液力耦合器的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比。轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率也越低，這是液力耦合器的一個重要工作特性。當液力耦合器帶泵與風(fēng)機進行調(diào)速傳動時，泵或風(fēng)機的轉(zhuǎn)速等于液力耦合器渦輪的轉(zhuǎn)速，即 nnT，而其軸功率等于渦輪傳遞的軸功率P PT。根據(jù)葉片式泵與風(fēng)機的比例定律，16/21泵與風(fēng)機的軸功率與其轉(zhuǎn)速n 的三次方成正比：由此證明，液力耦合器帶泵或風(fēng)機進行調(diào)速傳動時，其最大轉(zhuǎn)差功率損耗P 發(fā)生在轉(zhuǎn)速比 i=2/3處，并不是轉(zhuǎn)速越低，損耗越大。max雖然液力耦合器工作在低速時其調(diào)速效率很低（等于轉(zhuǎn)速比） ，但在帶泵與風(fēng)機調(diào)速時，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較， 仍具有顯著的節(jié)能效果。 例如

43、某離心風(fēng)機， 當流量33Q 190× 10 m/h 時，風(fēng)機的軸功率為 158kW，當通過節(jié)流調(diào)節(jié)使流量Q95× 1033115kW。m/h 時，風(fēng)機的軸功率為當用液力耦合器調(diào)速時，由于流量為原流量的一半，則風(fēng)機的軸功率應(yīng)為其1 8。再考慮到i=1/2時的液力耦合器的效率 i=0 5。原動機的輸出功率應(yīng)為1975 kW× 2 39.5 kW ，較之節(jié)流調(diào)節(jié)仍有 115 kW 39.5kW 75.5kW 的節(jié)電效果，仍是相當可觀的。液力耦合器的優(yōu)點是：無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，較之節(jié)流調(diào)節(jié)有顯著節(jié)能效果；可空載起動電動機和逐步起動大慣量負荷，降低了起動電流， 延長電動機

44、使用壽命，使起動更為安全可靠；隔離振動，能減輕負荷沖擊，延長電動機和泵與風(fēng)機的壽命；過載保護，保護電動機及風(fēng)機水泵；除軸承外無其他摩損部件，因滑差損耗產(chǎn)生的熱量均勻地分散到油中，不會引起局部過熱，故工作可靠，能長期無檢修工作，壽命長；工作平穩(wěn)，可以和緩地起動、加速、減速和停車；便于控制，液力耦合器是無級調(diào)速，便于實現(xiàn)自動控制，適合于各種伺服控制系統(tǒng)；能用于大容量泵與風(fēng)機的變速調(diào)節(jié)，目前單臺液力耦合器傳遞的功率已達20MW以上。液力耦合器的點是：和節(jié)流調(diào)節(jié)相比，增加了初投資，增加了安裝空間，大功率的液力耦合器除本體設(shè)備外，還要一套諸如冷油器等輔助設(shè)備與管路系統(tǒng)；由于液力耦合器的最大轉(zhuǎn)速比i n=0.97 0.98 ，因此液力耦合器的輸出最大轉(zhuǎn)速要比轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)速低；調(diào)節(jié)延遲時間較長，不適應(yīng)處理緊急事故的要求，因此液力耦合器適合于較高轉(zhuǎn)速的泵與風(fēng)機調(diào)速的場合；調(diào)速精度不高，不適用于要求精確轉(zhuǎn)速的場合使用；因為無直聯(lián)機構(gòu)，故液力耦合器一旦發(fā)生故障，泵與風(fēng)機也只能停止工作；調(diào)速效率低（ i ），等于轉(zhuǎn)速比，產(chǎn)生的損耗大，在各種變速裝置中屬低效調(diào)速裝置。4) 電磁轉(zhuǎn)差離合器（滑差電機）調(diào)速17/21電磁轉(zhuǎn)差離合器的功用和液力耦合器及液力調(diào)速離合器相同，都是安裝在定速電動機與泵或風(fēng)機之間的一種變速傳動裝置，使泵與風(fēng)機可以實現(xiàn)無級調(diào)速。電磁轉(zhuǎn)差離合器的基本部件為電樞