【正文】 控制的內(nèi)在本質(zhì)。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵場(chǎng)合。由式(1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。2）串電阻調(diào)速：適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻，人為改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性。為了更好地應(yīng)用它，就需要讓它精確地工作，換句話說(shuō)，就是要對(duì)它進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)速。按使用電壓區(qū)分：有220V、380V、440V、660V、1140V、3KV、6KV 、10KV。第二章 電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 電動(dòng)機(jī)分類電動(dòng)機(jī)從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來(lái)看，是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成的，其工作原理是通過(guò)電流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)和定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子按照左手定律旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的使命。變頻器就負(fù)載類型而言主要有兩方面的典型應(yīng)用：恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用；變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用。它不但能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且在負(fù)載不同時(shí)，始終高效運(yùn)行，有良好的動(dòng)態(tài)特性，能實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動(dòng)控制。交流電動(dòng)機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，約占各類電動(dòng)機(jī)總數(shù)的 85%，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、不需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但它的弱點(diǎn)是調(diào)速困難，因而在許多應(yīng)用場(chǎng)合受到限制或借助機(jī)械方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。而經(jīng)溢流溢壓閥或比例調(diào)節(jié)閥溢流溢壓后，會(huì)釋放大量的能量，這部分耗散的能量實(shí)際上是電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量中的一部分，造成了電能極大的浪費(fèi)。但是，根據(jù)我國(guó)當(dāng)前風(fēng)機(jī)的使用現(xiàn)狀來(lái)看，只有注意大力提高“風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率” ，才能取得較好的節(jié)能效益。但是許多高效設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)往往處于低效運(yùn)行的狀態(tài)，并沒有達(dá)到節(jié)能的目的。設(shè)計(jì)中過(guò)多的考慮建設(shè)前后工藝要求的差異，選型欲量過(guò)大，使設(shè)備長(zhǎng)期在低負(fù)荷、低運(yùn)行效率下工作。因此，為了緩解這個(gè)矛盾，就必須重視對(duì)電機(jī)的節(jié)能改造。電機(jī)設(shè)備是煤礦生產(chǎn)中重要的設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備，電機(jī)設(shè)備具有容量大，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行是要求絕對(duì)可靠。第一章 論述 我國(guó)電機(jī)的現(xiàn)狀電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動(dòng)力設(shè)備。重點(diǎn)說(shuō)明了電機(jī)變頻節(jié)能方法與應(yīng)用。我國(guó)資源以煤炭為主，電機(jī)是煤礦生產(chǎn)中重要的設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的總裝機(jī)容量約為 4 億千瓦，年耗電量約為 6000 億 kWh，約占工業(yè)用電的 70～80%。我國(guó)以中小型電機(jī)為主，約占 80%，而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的90%。對(duì)電機(jī)節(jié)能方法進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文中給出的電機(jī)節(jié)能改造的變頻技術(shù)方法、基本原理，目的是為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)選擇合理的改造方案提供依據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的總裝機(jī)容量約為 4 億千瓦，年耗電量約為 6000 億 kWh，約占工業(yè)用電的 70—80%。例如主通風(fēng)機(jī)停止供風(fēng) 5min 就是煤礦大事故。通過(guò)對(duì)電機(jī)的節(jié)能改造，不僅能夠節(jié)約能源，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有很好的社會(huì)效益，而且能夠直接減少企業(yè)的成本支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。如某礦的主風(fēng)機(jī)以及輔助風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況表明，其負(fù)荷率（電動(dòng)機(jī)輸入功率/電動(dòng)機(jī)銘牌功率）在 76%以上者僅占 %，低于 60%者占 %。風(fēng)機(jī)只有在使用中才能反映出它的經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)在煤礦風(fēng)機(jī)普遍存在的問(wèn)題有：管理制度不完善；需要調(diào)節(jié)流量的地方，絕大部分采用擋板或閥門來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，節(jié)流功率損失非常大。從這類負(fù)載的工作特性可知，其電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，而轉(zhuǎn)速又與頻率成正比。隨著電力電子成本降低和系統(tǒng)性能改善以及新型電力電子元件的問(wèn)世和發(fā)展，機(jī)電一體化基礎(chǔ)技術(shù)——微型計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器以及大規(guī)模集成電路芯片的出現(xiàn)正在意義深遠(yuǎn)地影響著電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。相對(duì)于其它調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、交流串級(jí)調(diào)速等） ，變頻調(diào)速性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、效率高，隨著現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，它已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。就應(yīng)用的目的而言主要有：以改進(jìn)工藝為主要目的，確保工藝過(guò)程中的最佳轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下的最佳轉(zhuǎn)速以及準(zhǔn)確定位等。按電機(jī)的功能區(qū)分：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、控制電機(jī)按電流性質(zhì)區(qū)分：有直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)如發(fā)電機(jī)，交流如軋鋼機(jī)等 按用電相位區(qū)分：有二相電動(dòng)機(jī)、三相電動(dòng)機(jī)；二相電機(jī)如吹風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇等，三相如電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等。以電機(jī)的作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，稱為電力拖動(dòng)系統(tǒng)。額定功率= 3額定電流額定電壓功率因數(shù)功率因數(shù)越高的電機(jī)在變頻使用當(dāng)中，其被調(diào)節(jié)的能力越強(qiáng)，也就是說(shuō)其節(jié)電空間的變化可以接近理論值。3）降壓調(diào)速：適用于較大電阻的高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變定子電壓來(lái)調(diào)速。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。第二階段：矢量控制。矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。1994 年將該系列擴(kuò)展至 315kW 以上。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從 1991 年 INTEL 公司推出 8X196MC 系列以來(lái)，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。20 世紀(jì) 70 年{BANNED}始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM—VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。為此常見的變頻器為交直交電壓脈寬調(diào)制。因此交流電的周期（頻率）可以通過(guò)改變開關(guān)的通斷的速度來(lái)調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值的 U1。通過(guò)以上分析說(shuō)明 6 個(gè)開關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可以調(diào)節(jié)就交流電的頻率。其工作特點(diǎn)是：它是通過(guò)門極信號(hào)進(jìn)行接通和和關(guān)斷的晶閘管。（二）大功率晶閘管（GTR 或 BJT）1 結(jié)構(gòu)大功率晶閘管，又叫雙極性晶閘管（BJT） ，GTR 在結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上常采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的形式，由多個(gè)晶閘管復(fù)和組成大功率的晶閘管，同時(shí)還可將反相續(xù)流二極管與 GTR 組成一個(gè)模塊。GTR 具有自管斷能力及開關(guān)時(shí)間段、飽和壓降低、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，廣泛用于交流調(diào)速、變頻電源中。其缺點(diǎn)是擊穿電壓及工作電流大不是特別大，所以應(yīng)用不是特別廣泛。 變頻調(diào)速方法由于異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 0n與電源頻率 1f成正比，所以改變 1f就改變了0n而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。我們希望在調(diào)節(jié)頻率 f 時(shí)能夠維持 φ ｍ （因?yàn)樵陬~定工作時(shí)電機(jī)的磁通已經(jīng)接近飽和， φ ｍ 繼續(xù)增大，將會(huì)是電機(jī)鐵芯出現(xiàn)深度的飽和，這將使勵(lì)磁電流急劇升高，導(dǎo)致定子電流和鐵芯損耗急劇增加，使電機(jī)工作不正常影響電機(jī)的使用。改變調(diào)制波的電壓脈沖頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也隨之改變，降低調(diào)制波的幅值時(shí)，各段脈沖寬度都將變窄，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)減少） 。由于定子電壓不允許超過(guò)額定電壓，則磁通 1/Uf??將隨著 1f升高而降低電機(jī)的輸出功率 P 基本維持不變的，相對(duì)應(yīng)額定電流的轉(zhuǎn)矩也減小，特性也要變軟，則可得近似恒功率的調(diào)速特性。在低速時(shí)補(bǔ)償少，在高速是補(bǔ)償多。究其原因，是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)十分重要的特點(diǎn):(a) 磁場(chǎng)特點(diǎn) 它的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間是互相垂直的，如圖(a)所示；（a ）直流電動(dòng)機(jī)的磁通 （b）直流電動(dòng)機(jī)的電路圖 311 (b) 電路特點(diǎn)它的勵(lì)磁電路和電樞電路是互相獨(dú)立的，如圖(b)所示。對(duì)于控制電路分解出的控制信號(hào) iM和 iT，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號(hào) iA、i B 和 iC，對(duì)三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖所示。拒資料介紹，以目前普遍使用的正弦波PWM 型變頻器為例，其低次諧波基本為零，剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為：2u+1（ u 為調(diào)制比） 。這些損耗都會(huì)使電動(dòng)機(jī) 額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，如將普通三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般要增加10%～ 20%。諧波電磁噪聲與震動(dòng)普通異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電時(shí)，會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的震動(dòng)和噪聲變的更加復(fù)雜。電動(dòng)機(jī)對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的適應(yīng)能力由于采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無(wú)沖擊電流的方式啟動(dòng)，并可利用變頻器所供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng) 造了條件，因而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來(lái)疲勞和加速老化問(wèn)題。而變頻電動(dòng)機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn) 差率接近 1 時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過(guò)載能力和啟動(dòng)性能不在需要過(guò)多考慮，而要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。3）冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)可在： ～130Hz 范圍長(zhǎng)期運(yùn)行，普通電機(jī)可在：2 極的為 20～65Hz 范圍長(zhǎng)期運(yùn)行； 4 極的為 25～75Hz 范圍長(zhǎng)期運(yùn)行； 6 極的為 30～85hz 范圍長(zhǎng)期運(yùn)行； 8 極的為 35～100hz 范圍長(zhǎng)期運(yùn)行。我國(guó)在用的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家 50 年代水平。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)在經(jīng)過(guò)幾年的應(yīng)用推廣下已得到了較快的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的領(lǐng)域已初步涉及到電子、機(jī)械、石化、冶煉、紡織、汽車等多種行業(yè)，應(yīng)用范圍已覆蓋注塑機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)、恒壓供水、紡織機(jī)等各種交流電機(jī)設(shè)備。20 世紀(jì) 60 年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體變流技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，都為交流調(diào)速的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在 20 世紀(jì) 20 年代就已被人們認(rèn)識(shí)，但受到元器件的限制，當(dāng)時(shí)只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于技資大，效率低，體積大而未能推廣。為確保電機(jī)節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效益，克服改造的盲目性，對(duì)每個(gè)項(xiàng)目都應(yīng)進(jìn)行可行性研究。 投資對(duì)比根據(jù)市場(chǎng)情況，在上海地區(qū)收集了生產(chǎn)調(diào)速裝置和電機(jī)有關(guān)廠家的產(chǎn)品價(jià)格，按照容量大小，分為 ～50kW 小功率裝置、 15～100kW 中功率裝置、130～3000kW 大功率裝置。該火電機(jī)組采用 480t/h 的超高壓再熱 CFB 循環(huán)流化床鍋爐，參與改造的 2 臺(tái)鍋爐引風(fēng)機(jī)的型號(hào)參數(shù)為：1400kW、6KV；由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司提供的 2 臺(tái)高壓變頻器型號(hào)為 SH－HVF－Y6K/1400 。即工頻條件時(shí)的實(shí)際負(fù)載沒有變頻條件時(shí)負(fù)載大，如將其考慮進(jìn)去節(jié)電量遠(yuǎn)大于現(xiàn)有結(jié)果。 案例 2：煤礦 1 號(hào)主通風(fēng)機(jī)改造以后，運(yùn)行一年多來(lái)，曾對(duì)改造后的風(fēng)機(jī)做過(guò) 4 次性能測(cè)試。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造前后基本情況及其它參數(shù)對(duì)比表項(xiàng)目?jī)?nèi)容 單位 改前 改后型 號(hào) 27014BNo?27014BNo?效 率 % 63 80風(fēng) 量 3/min8500 9600風(fēng) 壓 Pa 2022 2109生產(chǎn)廠家 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)出廠時(shí)間型 號(hào) JR15108 JR15108效 率 % 93 93額定功率 kW 475 475轉(zhuǎn) 速 /minr750 750生產(chǎn)廠家 哈爾濱電機(jī)廠 哈爾濱電機(jī)廠電機(jī)銘牌數(shù)據(jù) 時(shí) 間 風(fēng)機(jī)流量 3/i8320 9507風(fēng)機(jī)全壓 Pa 風(fēng)機(jī)靜壓 Pa 有效接管點(diǎn)流量 3/mh8315有效接管點(diǎn)全壓 Pa 風(fēng)機(jī)有效功率 kW 電機(jī)輸效率 kW 風(fēng)機(jī)靜壓效率 % 61 75電機(jī)效