|
[編者按] 電動機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程是國家發(fā)改委制定的國家中長期節(jié)能規(guī)劃中的重點(diǎn)工程。
目前我國各類電動機(jī)總裝機(jī)容量約4.2億kW，實(shí)際運(yùn)行率比國外低10%~30%，用電量占全國總用電量的60%左右。如果對這些電動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，推廣變頻調(diào)速、自動化系統(tǒng)控制技術(shù)，使運(yùn)行效率提高2 個(gè)百分點(diǎn)，年節(jié)電就可達(dá)到200億kW·h。
為了推廣變頻技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用，普及變頻技術(shù)的理論知識，本刊特邀徐甫榮高工，專門撰寫一輯“變頻技術(shù)應(yīng)用講座”，分6 期刊出。主要面向應(yīng)用變頻技術(shù)的初學(xué)者，從電動機(jī)及電力拖動的基本知識入手，由淺入深地講述變頻技術(shù)的工作原理，通過工程應(yīng)用實(shí)例，分析應(yīng)用變頻器時(shí)會遇到的問題，提出解決方案，指導(dǎo)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員將變頻技術(shù)用于自己的實(shí)際工作中。
4 電動機(jī)的調(diào)速
由電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1、磁極對數(shù)p 之間的關(guān)系式為
可見，要調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過下述三個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：
1）改變定子繞組的磁極對數(shù)p（變極調(diào)速）；
2）改變供電電源的頻率f1（變頻調(diào)速）；
3）改變異步電動機(jī)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(jī)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），它是一種低效的調(diào)速方法，因?yàn)檎{(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(jī)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(jī)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。
4.1 轉(zhuǎn)差功率不變型
在電動機(jī)調(diào)速的過程中，保持轉(zhuǎn)差功率不變，通過改變交流異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，使電動機(jī)得以調(diào)速。由式（10）可知，要改變同步轉(zhuǎn)速n0 ，可以通過改變電動機(jī)的極對數(shù)p，或供電頻率來實(shí)現(xiàn)。
4.1.1 變極調(diào)速
改變電動機(jī)定子的極對數(shù)，可使異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0改變，從而改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。大中型異步電動機(jī)采用變極調(diào)速時(shí)，一般采用雙速電動機(jī)。變極調(diào)速通常只用于鼠籠式異步電動機(jī)，而不用于繞線式異步電動機(jī)。這是因?yàn)槭蠡\型電動機(jī)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(shí)只要改變定子繞組的極對數(shù)就行了，而繞線式電動機(jī)變極時(shí)必須同時(shí)改變定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)，這就使得變極時(shí)復(fù)雜多了。
用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的雙速電機(jī)一般不采用4/2、8/4等倍極比的雙速電機(jī)，而采用6轅4、8轅6、10轅8極的雙速電機(jī)，這與風(fēng)機(jī)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(jī)在極數(shù)比較小時(shí)（如8/6、10/8、12/10極等），由不同的繞組接線方式，分別近似為平方轉(zhuǎn)矩型、恒轉(zhuǎn)矩型和恒功率型三種特性的雙速電機(jī)。由于葉片式泵與風(fēng)機(jī)在管路靜揚(yáng)程或靜壓為零的情況下，近似為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以應(yīng)選用平方轉(zhuǎn)矩型特性的雙速電機(jī)，以便在高速及低速運(yùn)行時(shí)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速效率高，可靠性高，投資少。其缺點(diǎn)是有級調(diào)速，不能在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保證高效運(yùn)行，有時(shí)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(jī)在變速時(shí)必須電力瞬間中斷，這對電動機(jī)及電網(wǎng)都有沖擊作用；高壓電動機(jī)若須經(jīng)常進(jìn)行變速切換時(shí)，其切換裝置的安全可靠性尚須進(jìn)一步完善和提高。圖14所示為改變定子繞組的連接方式時(shí)定子極對數(shù)改變的原理。
4.1.2 變頻調(diào)速
通過改變電動機(jī)的供電頻率f來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，是無級的，連續(xù)的，是目前交流電動機(jī)最好的調(diào)速方式。
轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速屬高效調(diào)速方式，因?yàn)樵谡{(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。變頻調(diào)速用的變頻器是由可關(guān)斷的功率器件如GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驅(qū)動、保護(hù)電路組成的。
由于大功率電動機(jī)一般都采用3 kV、6 kV 供電，所以必須采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速。限于目前功率器件的電壓耐量有限，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)不盡一致，雖不像低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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BUL原LETIN1557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ANSALDO公司生產(chǎn)的SILCOVERT TH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，成都東方日立公司，成都佳靈公司，上海科達(dá)公司，中山明陽公司，廣州智光公司和深圳微能公司等生產(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)。
4.1.2.1 多重化技術(shù)
所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM 功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)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(shí)現(xiàn)完美無諧波變頻。圖15為6 kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每相由5 個(gè)額定電壓為690 V 的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690 V伊5=3 450 V，所對應(yīng)的線電壓為6 000 V。每個(gè)功率單元由輸入變壓器相互隔離的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)12毅的相位差。圖16 中以中間吟接法為參考（0毅），上下方各有兩套分別超前（+12毅、+24毅）和滯后（-12毅、-24毅）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(shí)現(xiàn)。
圖15 中的每個(gè)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17。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11 種不同的電平等級，分別為依5、依4、依3、依2、依1和0。圖19為一相合成的輸出電壓波形。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(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件的均壓問題。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，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毅的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號，分別控制A1~A5 5個(gè)功率單元，經(jīng)疊加可得圖18 所示的具有11 級階梯電平的相電壓波形，它相當(dāng)于30 脈波變頻，理論
上29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(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)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)各單元之間的載波錯(cuò)開一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600 Hz，則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6 kHz。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(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機(jī)無特殊要求，可用于普通鼠籠型電機(jī)，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由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(gè)周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(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、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。
4.1.2.2 多電平技術(shù)
我國標(biāo)準(zhǔn)中壓電壓等級為6 kV和10 kV，若直接變頻，即使用耐壓4.5 kV~6 kV 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(dá)4.5 kV，ABB 公司研制的新型功率器件集成門極換流晶閘管（IGCT），耐壓可達(dá)6 kV，并在致力于研制耐壓9 kV的IGCT 器件。在研制高耐壓器件的同時(shí)，對變頻器的主電路拓?fù)涞难芯恳灿兴黄?，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6 kV 電壓的主電路拓?fù)浼夹g(shù)。圖19 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19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(gè)。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。
若采用耐壓6 kV 的IGCT，變頻器輸出電壓可達(dá)4.16 kV，采用耐壓5.5 kV的IGCT，變頻器輸出電壓可達(dá)3.5 kV，將Y型接法的6 kV中壓電動機(jī)改為吟接法，剛好適用此電壓等級，同時(shí)也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機(jī)的絕緣等級提高一級的要求，因此這個(gè)方案可能是最經(jīng)濟(jì)合理的。若要輸出6 kV電壓，還必須進(jìn)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19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，其一次側(cè)繞組接成三角形，其二次側(cè)繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個(gè)二次側(cè)繞組的線電壓相同，但相位則相差30毅，這樣5 次、7 次諧波在變壓器的一次側(cè)將會有180毅的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19 次諧波也會互相抵消。這樣經(jīng)過2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12 脈波的整流輸出波形，比6 脈波更平滑，并且每個(gè)整流橋的二極管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，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(jìn)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(bǔ)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，這是三電平逆變方式所固有的。輸出線電壓波形見圖20。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(jī)。同樣由于諧波的原因，電動機(jī)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(diǎn)才能達(dá)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。
4.1.2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)
主要優(yōu)點(diǎn)是：
1）調(diào)速效率高，變頻調(diào)速的特點(diǎn)是在頻率變化后，電動機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)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(shí)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(jī)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。
2）調(diào)速范圍寬，一般可達(dá)10頤1（50耀5 Hz）或20頤1（50耀2.5 Hz）。并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率濁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(yùn)行的負(fù)載。
3）必要時(shí)，變頻裝置可以退出運(yùn)行，改由電網(wǎng)直接供電。這對于泵或風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是很有利的。如萬一變頻裝置發(fā)生故障，就退出運(yùn)行，不影響泵與風(fēng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行；又如在接近額定頻率（50 Hz）范圍工作時(shí)，由變頻裝置調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性并不高，變頻裝置可退出運(yùn)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。
4）變頻裝置可以兼作軟起動設(shè)備，通過變頻器可將電動機(jī)從零速起動連續(xù)平滑加速直致全速運(yùn)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(diǎn)是：
1）目前，變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動中推廣應(yīng)用的主要問題有兩個(gè)，一個(gè)是我國發(fā)電廠輔機(jī)電動機(jī)供電電壓高（3耀10 kV），而功率開關(guān)器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；另一個(gè)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(jī)水泵節(jié)能改造都要求低投入，高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的問題。這兩個(gè)問題是它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的主要障礙。
2）因電流型變頻器輸出的電流波形和電壓型變頻器輸出的電壓波形均為非正弦波形而產(chǎn)生的高次諧波，對電動機(jī)和供電電源會產(chǎn)生種種不良影響。如使電動機(jī)附加損耗增加、溫升增高，從而使電動機(jī)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(shí)，高次諧波會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，其脈動頻率為6kf（k=1，2，3…）。
當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動頻率較低并接近裝置系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，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(diǎn)附近運(yùn)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(gè)問題可以得到極大的改善。
4.2 轉(zhuǎn)差功率消耗型
轉(zhuǎn)差功率消耗型屬低效調(diào)速方式，因?yàn)樵谡{(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；濁=n/n1，調(diào)速范圍越大，效率越低！其調(diào)速方式有以下幾種。
4.2.1 鼠籠式異步電動機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速
外特性如圖21所示。
4.2.2 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速
外特性如圖22所示。
4.2.3 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(jī)械。安裝在定速電動機(jī)與風(fēng)機(jī)水泵之間，達(dá)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(shí)可以近似認(rèn)為MB越原MT （13）式中：MB為穩(wěn)定流動時(shí)，泵輪葉片作用于液體的扭矩；
MT為穩(wěn)定流動時(shí)，液體作用于渦輪的扭矩。
即在忽略液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等時(shí)，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(gè)重要工作特性。
當(dāng)液力耦合器帶泵與風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速傳動時(shí)，泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于液力耦合器渦輪的轉(zhuǎn)速，即n越nT，而其軸功率等于渦輪傳遞的軸功率P越PT。根據(jù)葉片式泵與風(fēng)機(jī)的比例定律，泵與風(fēng)機(jī)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(jī)進(jìn)行調(diào)速傳動時(shí)，其最大轉(zhuǎn)差功率損耗駐Pmax發(fā)生在轉(zhuǎn)速比i=2/3處，并不是轉(zhuǎn)速越低，損耗越大。
雖然液力耦合器工作在低速時(shí)其調(diào)速效率很低（等于轉(zhuǎn)速比），但在帶泵與風(fēng)機(jī)調(diào)速時(shí)，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較，仍具有顯著的節(jié)能效果。例如某離心風(fēng)機(jī)，當(dāng)流量q越190伊103 m3/h時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率為158 kW，當(dāng)通過節(jié)流調(diào)節(jié)使流量q越95伊103 m3/h 時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率為115 kW。當(dāng)用液力耦合器調(diào)速時(shí)，由于流量為原流量的一半，則風(fēng)機(jī)的軸功率應(yīng)為其1轅8。
再考慮到i=1/2 時(shí)的液力耦合器的效率濁越i=0援5。原動機(jī)的輸出功率應(yīng)為19援75 kW伊2越39.5 kW，較之節(jié)流調(diào)節(jié)仍有115 kW原39.5 kW 越75.5 kW的節(jié)電效果，是相當(dāng)可觀的。
液力耦合器的優(yōu)點(diǎn)是：
1）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；
2）可空載起動電動機(jī)和逐步起動大慣量負(fù)荷，降低了起動電流，延長了電動機(jī)使用壽命，使起動更為安全可靠；
3）隔離振動，能減輕負(fù)荷沖擊，延長了電動機(jī)和泵與風(fēng)機(jī)的壽命；
4）過載保護(hù)，保護(hù)電動機(jī)及風(fēng)機(jī)水泵；
5）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；
6）工作平穩(wěn)，可以和緩地起動、加速、減速和停車；
7）便于控制，液力耦合器是無級調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)自動控制，適合于各種伺服控制系統(tǒng)；
8）能用于大容量泵與風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)，目前單臺液力耦合器傳遞的功率已達(dá)20 MW以上。
其缺點(diǎn)是：
1）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)；
2）由于液力耦合器的最大轉(zhuǎn)速比in=0.97耀0.98，因此液力耦合器的輸出最大轉(zhuǎn)速要比輸入轉(zhuǎn)速低；
3）調(diào)節(jié)延遲時(shí)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(jī)調(diào)速的場合；
4）調(diào)速精度不高，不適用于要求精確轉(zhuǎn)速的場合使用；
5）因?yàn)闊o直聯(lián)機(jī)構(gòu)，故液力耦合器一旦發(fā)生故障，泵與風(fēng)機(jī)也只能停止工作；
6）調(diào)速效率低（濁越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。
4.2.4 電磁轉(zhuǎn)差離合器（滑差電機(jī)）調(diào)速
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(jī)與泵或風(fēng)機(jī)之間的一種變速傳動裝置，使泵與風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。
電磁轉(zhuǎn)差離合器的基本部件為電樞與磁極，這兩者之間沒有機(jī)械聯(lián)系，各自可以自由旋轉(zhuǎn)。電樞是主動部分，直接與電動機(jī)的輸出軸連接，并由電動機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)。電樞通常為圓筒形整塊鑄鋼，在外表面常鑄或焊有風(fēng)扇葉，以提高散熱效果。磁極為從動部分，它通過聯(lián)軸器與泵或風(fēng)機(jī)的輸入軸相連。磁極由鐵芯和勵(lì)磁繞組組成，勵(lì)磁繞組有裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上的，
也有固定在機(jī)殼上的，前者的勵(lì)磁電流須通過集電環(huán)和電刷引到轉(zhuǎn)子。圖23所示為電磁轉(zhuǎn)差離合器的示意圖。從圖可見，主動部分（電樞）與從動部分（磁極）之間在機(jī)械上是分開的，當(dāng)中有氣隙。當(dāng)勵(lì)磁繞組無勵(lì)磁電流通過時(shí)，則這兩部分互不相干；只有在通以勵(lì)磁電流時(shí)，才能靠電磁效應(yīng)相互聯(lián)系起來
電磁轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速原理是基于電磁感應(yīng)定律的。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電時(shí)，沿氣隙圓周面將形成若干對極性交替的磁極，其磁通穿過氣隙與電樞耦合。當(dāng)電動機(jī)帶動電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞與磁極之間有相對運(yùn)動，因感應(yīng)而產(chǎn)生電勢，這一感應(yīng)電勢將在電樞中形成渦流，其方向可由右手定則確定。此渦流又與磁場的磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力，其方向可按左手定則確定，這個(gè)力作用于電樞一個(gè)轉(zhuǎn)矩，其方向與電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反，是與帶動電樞旋轉(zhuǎn)的拖動轉(zhuǎn)矩相平衡的制動力矩。這個(gè)力及力矩也同樣作用在磁極上，其方向與電樞旋轉(zhuǎn)方向相同，它使磁極沿電樞旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，并拖動泵或風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。
電磁轉(zhuǎn)差離合器與硬性聯(lián)接的普通聯(lián)軸器傳動的不同之處是電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極轉(zhuǎn)速n2是可以連續(xù)調(diào)整的，且n2一定小于電樞轉(zhuǎn)速n1。這是因?yàn)槿鬾2越n1，則磁極與電樞之間不存在相對運(yùn)動，即電樞沒有切割磁力線，也就不可能在電樞中感應(yīng)出電勢，更談不上產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩了。因此，電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極與電樞之間必存在一個(gè)轉(zhuǎn)速差駐n越n1原n2，這和異步電動機(jī)的原理相似。
磁極轉(zhuǎn)速n2的高低由磁極磁場的強(qiáng)弱而定，亦即由勵(lì)磁電流的大小而定。當(dāng)勵(lì)磁電流大時(shí)，n2就高，磁極與電樞之間只要有較小的轉(zhuǎn)差率，就能產(chǎn)生足夠大的渦流轉(zhuǎn)矩來帶動負(fù)載；當(dāng)勵(lì)磁電流小時(shí)，n2就低，必須有大的轉(zhuǎn)差率才能產(chǎn)生帶動負(fù)載的渦流轉(zhuǎn)矩。所以，改變勵(lì)磁電流的大小就可達(dá)到泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速的目的。
根據(jù)電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理，它又被稱作渦流聯(lián)軸器、渦流式電磁轉(zhuǎn)差離合器等。
其優(yōu)點(diǎn)是：
1）可靠性高，只要把絕緣處理好，就能實(shí)現(xiàn)長期無檢修工作；
2）占地面積小，控制功率小，一般僅為電動機(jī)額定功率的1%耀2豫；
3）結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，價(jià)格低廉。
其缺點(diǎn)是：
1）存在轉(zhuǎn)差損耗，尤其是當(dāng)in較低時(shí)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差；
2）容量較大時(shí)，須采用空冷或水冷，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；
3）調(diào)速響應(yīng)時(shí)間長，噪聲較大。
電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速適用于轉(zhuǎn)速不很高、調(diào)速范圍不很寬的中小容量泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速傳動。
4.2.3與4.2.4兩種調(diào)速方式中，電動機(jī)都保持定速運(yùn)行，而是通過機(jī)械的或者電氣的離合器達(dá)到改變拖動負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。
4.3 轉(zhuǎn)差功率回饋型
為了實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，還可采用在轉(zhuǎn)子回路串電勢的方法。這種在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢進(jìn)行調(diào)速的方法，稱為繞線式異步電動機(jī)的串級調(diào)速。
串級調(diào)速的關(guān)鍵是串入到轉(zhuǎn)子回路的電勢Ef的頻率必須與轉(zhuǎn)子電勢頻率f2相等，但f2是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，即f2是由旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n決定的。
但要串入一個(gè)永遠(yuǎn)跟隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的電勢Ef是相當(dāng)困難的。解決的辦法是先把轉(zhuǎn)子電勢整流成直流電勢Ed，再在此直流回路中串入一與Ef相當(dāng)?shù)目烧{(diào)節(jié)的直流電勢，就可避免隨時(shí)改變Ef頻率的困難了。具體的實(shí)現(xiàn)串級調(diào)速有下述三種方式：
第一種是由一臺直流電動機(jī)與主繞線式異步電動機(jī)組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫機(jī)械串級調(diào)速系統(tǒng)或叫克萊墨系統(tǒng)。第二種是由一臺直流電動機(jī)、一臺交流發(fā)電機(jī)與主繞線式異步電動機(jī)組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫電機(jī)式串級調(diào)速系統(tǒng)或謝菲爾畢斯系統(tǒng)。第三種是由變頻器與繞線式異步電動機(jī)組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)或靜止謝菲爾畢斯系統(tǒng)。上述第一種及第二種串級調(diào)速方式過去早有應(yīng)用，第三種晶閘管串級調(diào)速是一種新的串級調(diào)節(jié)方式，它在目前應(yīng)用最廣泛，已有取代第一、二種串級調(diào)速的趨勢。
與轉(zhuǎn)子串電阻方式相比較，轉(zhuǎn)子串電勢的串級調(diào)速的優(yōu)越性是可以回收轉(zhuǎn)差損失，僅是在晶閘管等變流器件變流時(shí)產(chǎn)生一些不大的變流損失，所以繞線式異步電動機(jī)的串級調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。
晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)又可分為低（次）同步串級調(diào)速系統(tǒng)和超同步串級調(diào)速系統(tǒng)兩種。當(dāng)串接到繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的附加電勢Ef 與轉(zhuǎn)子電勢SE20反向時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速只能朝電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下的方向調(diào)節(jié)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速恒低于電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，稱為低（次）同步串級調(diào)速。當(dāng)Ef與SE20既可同向串接，又可反向串接時(shí)，電動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速既可高于又可低于電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，稱為超同步串級調(diào)速，或稱為雙饋調(diào)速。
圖24所示為低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差電勢E2（SE20）經(jīng)三相整流橋ZL 整流為直流電勢Ed，再經(jīng)電抗器L 濾波后，加到三相逆變橋NB上。由晶閘管組成的三相有源逆變器NB的作用有兩個(gè)：一是為轉(zhuǎn)子回路提供附加直流電勢E茁，它與直流電勢Ed相當(dāng)，因是低同步串級調(diào)速，所以其方向與轉(zhuǎn)子直流電勢Ed相反；二是把直流電再逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的三相交流電，從而把轉(zhuǎn)差功率PS通過逆變變壓器T匹配成電網(wǎng)電壓，送回電網(wǎng)。
圖25為超同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。
它與低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的主要區(qū)別是把由二極管組成的不可控的整流器改為由晶閘管組成的可控的整流器，這樣它既可作整流器用，又可以作為逆變器使用。當(dāng)超同步串級調(diào)速系統(tǒng)在低同步范圍調(diào)速時(shí)，可控的整流器的作用與不可控的整流器完全相同。
但當(dāng)超同步串級調(diào)速系統(tǒng)在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時(shí)，原來的逆變器成為整流器，它通過變壓器從電網(wǎng)吸收交流能量，并將其整流為直流電，而原可控的整流器則成為逆變器，它把直流電變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)子頻率相同的交流電，由變頻器向轉(zhuǎn)子繞組供電。這樣，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工作方式已是一種繞線式異步電動機(jī)的變頻調(diào)速方式了，其定子繞組由工頻電源供電；而轉(zhuǎn)子繞組則由變頻電源供電，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子變頻電源的頻率就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。由上述可以看出，繞線式異步電動機(jī)的這種變頻調(diào)速方式與鼠籠式異步電動機(jī)的變頻調(diào)速方式并不相同，后者僅由定子側(cè)供電，而前者是由定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)雙方饋電的。因此，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)又稱為雙饋感應(yīng)電動機(jī)或簡稱雙饋電動機(jī)。
低同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)常稱為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)；超同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)常稱為雙饋調(diào)速系統(tǒng)。
晶閘管串級調(diào)速方式用于泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速時(shí)，其主要優(yōu)點(diǎn)為：
1）晶閘管串級調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。一般而言，晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率（即電動機(jī)和調(diào)速裝置的綜合效率濁s）應(yīng)高于鼠籠式電動機(jī)及變頻裝置的綜合效率濁I。這是因?yàn)榫чl管串級調(diào)速系統(tǒng)中，只有轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變頻器；而鼠籠式電動機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，其由電網(wǎng)輸入的全部有功功率都要通過變頻器。所以從通過變頻器時(shí)的功率損失（稱為變流損失）來看，顯然晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)要小得多。
2）晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)具有故障或其他原因時(shí)自動切換至額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的功能。故當(dāng)串級調(diào)速裝置有故障時(shí)，泵與風(fēng)機(jī)仍可以繼續(xù)工作。此外，由于晶閘管串級調(diào)速裝置的硅二極管、電抗器、晶閘管、變壓器等元器件要產(chǎn)生電壓降，故低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到原電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的95豫左右，因此，若要電動機(jī)在原額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，亦須把串級調(diào)速系統(tǒng)的“調(diào)速狀態(tài)”切換到異步狀態(tài)。
3）調(diào)速裝置由靜止元器件組成，噪聲小，易于維護(hù)，壽命長。當(dāng)泵或風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍較小時(shí)，調(diào)速裝置的容量可大大減小，價(jià)格也相應(yīng)降低。
晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)存在的主要問題是：
1）晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)低，在100豫額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總功率因數(shù)還不到0.6；在50豫額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)還不到0.3。造成系統(tǒng)總功率因數(shù)低的主要原因是串級調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管逆變器在工作時(shí)需要吸收無功功率。另外，由于系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流器的作用，使電動機(jī)本身的運(yùn)轉(zhuǎn)功率因數(shù)變壞，加之系統(tǒng)中電動機(jī)和逆變變壓器的電流波形發(fā)生畸變，使系統(tǒng)的總功率因數(shù)變壞。后兩個(gè)原因所造成的系統(tǒng)總功率因數(shù)降低約10豫。
2）系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波電流對電網(wǎng)有污染。高次諧波電流不但對串級調(diào)速系統(tǒng)本身產(chǎn)生不良影響（如使系統(tǒng)的損耗增加，功率因數(shù)降低等），更重要的是對整個(gè)供電系統(tǒng)也將產(chǎn)生不良影響，使供電電網(wǎng)的電壓波形產(chǎn)生畸變?；冸妷簳鹪S多不良現(xiàn)象，諸如使感應(yīng)電動機(jī)的定子損耗增加，其轉(zhuǎn)子回路中亦因感應(yīng)諧波電勢而使轉(zhuǎn)子損耗增加；使電源變壓器損耗增加，噪聲增大；可能引起母線與補(bǔ)償電容器和線路上的感抗元件發(fā)生共振，使電容器過熱；可能導(dǎo)致并聯(lián)工作的晶閘管變流裝置相互干擾而使控制失調(diào)；會給儀表裝置和通訊設(shè)備帶來電干擾和磁干擾等。
| 
：岳紹義
：15303736697
：新鄉(xiāng)宏達(dá)振動電機(jī)設(shè)備有限責(zé)任公司
