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、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，輸送和使用過程中，電機起著重要的作用。電機主要有發電機、電動機和變壓器：發電機：生產電能的設備；變壓器：（靜止電機）輸送電能的設備；電動機：使用電能的設備。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）電動機 鼠籠式2異步電動機的機械特性(1) 固有機械特性 n0(同步轉速)：60.f/p；n1(額定轉速)：n1=n0(1-Se)；Se(額定轉差率)：Se=(n0-n1)/n0；Te(額定轉矩)：Te=9550*Pe(kW)/

2、ne；Ts(起動轉矩)：Ts / Te < 1；Tm(最大轉矩)：Tm/Te > 1 過載倍數。 圖1-1 電動機的固有機械特性（2）人為機械特性 a. 降低定子電壓 b. 轉子回路串電阻 c-1 恒轉矩負載 c-2 恒功率負載c. 變頻調速機械特性 圖1-2 電動機的人為機械特性3電動機的拖動轉矩 （N·m） 式中： Pe電動機額定功率（W）； Ne電動機額定轉速（r/min），e-電動機額定角轉速（rad/s）。* 旋轉體的機械功率等于轉矩與轉速的乘積！二、電力拖動的基本知識1. 直線運動的運動方程式 ( F=ma) 牛頓第二定律式中：F 拖動力（N） Fz阻力（N）

3、 慣性力（N）2. 轉動慣量（kg·m2）式中：m或G旋轉部分的質量（kg）或重量（N） R或D 慣性（旋轉）半徑或直徑（m） g 重力加速度，g=9.81m/s2，G=mg GD2稱為飛輪矩（N·m2） GD2=4g·J3. 旋轉運動的運動方程式式中：Td 電動機產出的拖動轉矩（N·m） Tz 負載（阻力）轉矩（N·m） J·d/dt 慣性轉矩，或稱加速轉矩 （：旋轉運動的角速度rad/s）若以 =2n/60代入，則可得運動方程的實用形式： ( 4g·60/2=375具有加速度量綱 )可見： 1）當Td=Tz，dn/dt=

4、0，則n=0或n=常數，電動機靜止或等速旋轉，電機拖動系統處于穩定運轉狀態；2）當Td>Tz，du/dt>0，則電機拖動系統處于加速狀態；3）當Td<Tz，du/dt<0，則電機拖動系統處于減速狀態。4. 拖動電動機出力校驗起動時間： < 22秒！若t <22秒，則電動機可以拖動風機起動，不會因為發熱而燒毀；否則，要選大一檔的電機。5. 拖動負載的轉矩特性 a) 反抗性恒轉矩特性 b) 位能性恒轉矩特性 c) 通風機負載特性（平方率負載） d) 恒功率負載特性( 1、理想的 2、實際的 ) e.) 機床平移機構實際的負載特性圖1-3 拖動負載的轉矩特性三、

5、電動機的起動1. 三相籠型異步電動機的起動方法（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47倍，根據對國產電動機的實際測量，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系。對于需經常起動的電動機，過大的起動電流將造成電動機發熱，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，會發生變形，可能造成短路而燒壞電動機，甚至會使轉子籠條斷裂和與端環的焊接處開裂；過大的起動電流，也會使線路壓降增大，造成電網電壓顯著下降而影響到接在同一電網的其他異步電動機的工作，有

6、時甚至會使它們停下來或無法帶負載起動，這是因為電動機的起動轉矩 Tst 與最大轉矩 Tm 均與電網電壓的平方成正比，若電網電壓降低太多，會使Tst 和 Tm 降到低于Tz ，電動機就會停轉。一般規定，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，而電源的總容量較大，能符合下式的要求時，電動機也允許直接起動。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 I1st 限制到允許的數值。（2）降壓起動由于電動機的起動轉矩 Tst 與最大轉矩 Tm 都與定子所加電壓的平方成正比，任何降壓起動的方法都只適合于可輕載起動的電動機，一般允許的起動轉矩為額定轉

7、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（YD）起動方法: （見圖1-5）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

8、Y型接法以后，加在繞組上的電壓為原來的1/3，則電動機產生的轉矩為原來的1/3，所以只適用于起動轉矩為額定轉矩的1/3以下的負載，且通過開關控制，有二次沖擊。e) 延邊三角形起動方法:（見圖1-6）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）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，它的優越性有：a) 可實現平滑的連續升頻軟起動；b) 可實現無起動過電流；c) 對電網和生產機械無沖擊；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,節省電網投資。2. 三相繞線轉子異步電動機的起動方法(1) 轉子串聯電阻

9、起動繞線轉子異步電動機轉子串電阻起動，不僅可以達到減小起動電流的目的，還可以增大起動轉矩，減少起動時間。因此，繞線轉子電動機比籠型異步電動機有較好的起動特性，適用于功率較大的需重載起動的場合，如球磨機等。(2) 轉子繞組串聯頻敏變阻器起動轉子串聯電阻起動時，電阻上有功率損耗，轉子串聯頻敏變阻器起動就象定子串聯電抗器起動一樣，損耗很小，且具有結構簡單、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點，已獲得大量應用。(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，在同步電動機的結構上采取了一些措施，把類似于

10、異步電動機的鼠籠型轉子繞組，裝到了同步機的極靴上，鼠籠式繞組的導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聯成一體，叫做起動繞組。有了起動繞組以后，當定子繞組接上電源，便能產生異步轉矩，使同步電動機轉起來，這個過程與鼠籠式異步電動機的起動過程是一樣的。但是，異步電動機的轉速是達不到同步速的，不過與同步速已經很接近了（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雜的過渡過程，還不一定能夠成功。一般地說，在牽入同

11、步前轉差率越小，同步電動機的轉動慣量越小，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，在大滑差時，旋轉磁場會對它感應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，又會在勵磁繞組內產生一個比較大的感應電流，這個電流與氣隙磁場作用會產生單軸轉矩，單軸轉矩太大，有可能會使同步電動機的轉速起動不到同步速。解決這個問題的辦法是在勵磁繞組回路里串聯一個電阻R后再閉合，這樣就可以大大地減小單軸轉矩。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，由于電力電子技術的高速發展，對于大型同步電動機的起動

12、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，通過調節整流器輸出的直流電壓大小，采用自控式逆變（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下從靜止起動加速，平滑地加速到電機的同步轉速，再將電機并入電網運行。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起動的場合，用一套起動裝置順次起動數臺同步電動機，以便節省投資。電動機是在同步轉速下并入電網，對電網系統不存在沖擊，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機電機就是用一臺同步電動機驅動的，它的容量為12000kW，它使用

13、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、高功率因數下起動，起動時間短，運行可靠。四、電動機的調速由電機學原理可知，交流電動機的同步轉速n0與電源頻率f1、磁極對數P之間的關系式為：(r/min)異步電動機的轉差率S的定義式為：則可得異步電動機的轉速表達式為：可見，要調節異步電動機的轉速，可以通過下述三個途徑實現：改變定子繞組的磁極對數P（變極調速）；改變供電電源的頻率f1（變頻調速）；改變異步電動機的轉差率S調速。改變定子繞組磁極對數調速的方法稱為變極調速；改變電源頻率調速的方法稱為變頻調速，都是高效調速方法。而改變異步電動機轉差率的調速方法則稱為能耗轉差調速（串級調

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

15、的轉速n。大中型異步電動機采用變極調速時，一般采用雙速電動機。變極調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子的極對數是隨著定子的極對數而變的，所以變極調速時只要改變定子繞組的極對數就行了，而繞線式電動機變極時必須同時改變定子繞組和轉子繞組的極對數，這就使得變極時復雜多了。用于風機水泵調速節能的雙速電機一般不采用42、84等倍極比的雙速電機，而采用64、86、108極的雙速電機，這與風機水泵的調速范圍一般不需要很大有關。另外，對于非倍極比的雙速電動機在極數比較小時（如86、1081210極等），由不同的繞組接線方式，分別近似為平方轉矩型、恒轉矩型和恒功率型

16、三種特性的雙速電機。由于葉片式泵與風機在管路靜揚程或靜壓為零的情況下，近似為平方轉矩負載，所以應選用平方轉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，具有更為顯著的節能效果。雙速電機的優點是調速效率高，可靠性高，投資省。其缺點是有級調速，不能在整個調速范圍內保證高效運行，有時還要配合節流調節手段調節流量，增加了部分節流損耗。雙速電動機在變速時電力必須瞬間中斷，對電動機及電網都有沖擊作用；高壓電動機若需經常進行變速切換時，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改變的原理。 圖1-8. 改變定子繞組的聯接方式改變定子的極對數

17、a) 2p=4 b) 2p=2 c) 2p=2（2) 變頻調速通過改變電動機的供電頻率f來實現調速，是無極的，連續的，是目前交流電動機最好的調速方式。轉差功率不變型調速方式屬高效調速方式，因為在調速過程中不產生新的轉差功率，因而不會有附加的功率損耗產生。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節電動機轉速的調速方式稱為變頻調速。變頻調速用的變頻器是通過采用可關斷的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驅動、保護電路組成的。由于大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

18、致性的拓撲結構，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，國內外各變頻器生產廠商八仙過海，各有高招，因此主電路拓撲結構不盡一致，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）公司生產的第三代完美無諧波變頻器；羅克韋爾（AB）公司生產的BULLETIN1557和Power Flex7000變頻器；瑞典ABB公司生產的ACS1000變頻器；德國西門子公司生產的SimovertMv變頻器；意大利ANSALDO公司生產的SILCOVERT TH變頻器；以及日本的三菱、富士公司生產的完美無諧波變頻器和國內的北京利德華福公司，合康億盛公司，國電四維公司

19、，成都東方日立公司，成都佳靈公司，上海科達公司，中山明陽公司，廣州智光公司和深圳科陸公司等生產的高壓變頻器。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，再就是采用高耐壓器件的多電平技術。1）多重化技術所謂多重化技術就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯組成，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控制和以光導纖維隔離驅動。多重化技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產生的諧波問題，可實現完美無諧波變頻。圖1-9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，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應的線電壓為6000V。每

20、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接組別來實現。圖6. 多重化變頻器拓撲圖圖7.五功率單元串聯變頻器的電氣圖1-9 6KV變頻器的主電路拓撲圖 圖1-10 輸入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

21、-11。每個功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態電平，每相5個單元疊加，就可產生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。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器。采用功率單元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個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，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的5個信號，分別控制

22、A1A5 5個功率單元，經疊加可得圖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。它的輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數補償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關頻率若為600HZ，則當5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6KHZ。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的

23、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。這種主電路拓撲結構雖然使器件數量增加，但由于IGBT驅動功率很低，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96%以上。圖1-11 功率單元電路 圖1-12 五功率單元串聯輸出電壓波形2）多電平技術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，仍需串聯使用，使器件數量增加，電路復雜，成本

24、增加，可靠性大為降低。為了避免功率器件的串、并聯使用，世界上很多公司致力于開發高耐壓、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，對變頻器的主電路拓撲的研究也有所突破，多電平技術就是使用有限耐壓的功率器件，直接應用于6KV電壓的主電路拓撲技術。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構圖。 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

25、采用傳統的電壓型變頻器結構，通過采用高耐壓的IGCT功率器件，使得器件總數減少為12個。隨著器件數量的減少，成本降低，電路結構簡潔，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濟合理的。若要輸出6KV電壓，還必須進行器件串聯。由于變頻器的整流部分是非線性的，產生的高次諧波將對電網造成污染。為此，圖1-13所示的ACS1000系列變頻器的12脈波整流接

26、線圖中，將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯系起來，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，同樣的17、19次諧波也會互相抵消。這樣經過2個整流橋的串聯疊加后，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、K為自然數、N為特征諧波次數)。所以網側特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波

27、整流電路，網側諧波將更進一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數在全功率范圍內保證在0.95以上，不需要功率因數補償電容器。變頻器的逆變部分采用傳統的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產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11。因此在變頻器的輸出側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，隨著轉速的降低，功率因數和效率都會相應降低。圖1-13三電平IGCT變頻器主電路結構圖圖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對多重化變頻

28、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缺點，分別體現在以下各方面：器件數量以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，共計60個耐壓為1700V的低壓IGBT。從器件的數量上看，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，低壓器件的技術更加成熟、可靠，成本也較低。均壓問題：均壓問題（包括靜態均壓和動態均壓）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

29、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，器件直接串聯必然帶來均壓問題，失去三電平結構在均壓方面的優勢，大大影響系統的可靠性。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，電動機處于發電制動狀態，機械能轉化為動能，導致單元內直流母線電壓上升，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，這種技術在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。對電網的諧波污染和功率因數 由于CSML方式

30、輸入整流電路的脈沖數超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優勢是明顯的，因此在綜合功率因數方面也有一定的優勢。輸入波形 NPC方式輸出相電壓是三電平，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，后者的等效開關頻率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在輸出波形質量方面優勢也是明顯的。dv/dt NPC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。系統效率就變壓器與逆變電路而言，NPC方式和CSML

31、方式的效率非常接近，但考慮到輸出波形的質量的差異，若采用普通電機，前者必須設置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的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勢，采用CSML方式時，電機運行效率相對較高。但由于IGBT導通壓降大，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，可以實現四象限運行，可用于軋機、卷揚機等設備；而CSML方式則無法實現四象限運行，只能用于風機、水泵類負載。冗余設計 NPC方式的冗余設計很難實現。而CSML方式可以方便地采用功率單元旁路技術和冗余功率單元設計方

32、案，大大地有利于提高系統的可靠性。可維護性 除了可靠性以外，可維護性也是衡量高壓變頻器優劣的一個重要因素，CSML方式采用模塊化設計，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構簡單，且可做成四象限運行的變頻器，應用范圍較寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設置輸出濾波器。在電網對諧波失真要求較高時，還要設置輸入濾波器。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等方面有明顯的優勢，但只

33、能二象限運行。從負載類型而言，對于風機、水泵等一般不要求四象限運行的設備，CSML變頻器有較大的應用前景；對軋機、卷揚機等要求四象限運行的設備而言，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，考慮到器件串聯帶來的均壓問題，6KV以上電壓等級（含6KV），宜優先考慮CSML方式。4）變頻調速系統的主要優缺點：主要優點是：調速效率高。變頻調速的特點是在頻率變化后，電動機仍在該頻率的同步轉速附近運行，基本上保持額定轉差率，轉差損失不增加。變頻調速時的損失，只是在變頻裝置中產生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動機的損耗有所增加，相應效率有所下降。所以變頻調速是

34、一種高效調速方式。調速范圍寬，一般可達101（505Hz）或201（502.5Hz）。并在整個調速范圍內均具有較高的調速裝置效率V。所以變頻調速方式適用于調速范圍寬，且經常處于低轉速狀態下運行的負載。必要時，變頻裝置可以退出運行，改由電網直接供電。這對于泵或風機的安全經濟運行是很有利的。如萬一變頻裝置發生故障，就退出運行，不影響泵與風機的繼續運行；又如在接近額定頻率（50Hz）范圍工作時，由變頻裝置調速的經濟性并不高，變頻裝置可退出運行，由電網直接供電，改用節流等常規的調節方式。變頻裝置可以兼作軟起動設備，通過變頻器可將電動機從零速起動連續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

35、，變頻器是目前最好的軟起動設備。主要缺點是：目前，變頻調速技術在高壓大容量傳動中推廣應用的主要問題有兩個：一個是我國高壓電動機供電電壓高（310KV），而功率開關器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；二是高壓大功率變頻調速裝置技術含量高、難度大，因而投入也高，而一般風機水泵節能改造都要求低投入，高回報，從而造成經濟效益上的問題。這兩個問題是它應用于風機水泵調速節能的主要障礙。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生的高次諧波，對電動機和供電電源會產生種種不良影響。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下降，出力受到限制，噪聲增大以及

36、對無線電通信干擾增大等。同時，高次諧波會引起電動機轉矩產生脈動，其脈動頻率為6kf(k=1，2，3)。當轉矩脈動頻率較低并接近裝置系統的固有頻率時，可能產生共振現象。因此，裝置系統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） 轉差功率消耗型調速轉差功率消耗型屬低效調速方式，因為在調速的過程中產生新的轉差功率并消耗掉，其調速效率等于調速比；n=n/n1，調速范圍越大，效率越低！其調速方式有：1) 鼠籠式異步電動機定子調壓調速 （圖1-15） 圖1-15 定子調壓調速 圖1-16

37、 轉子串電阻調速2) 繞線式異步電動機轉子串電阻調速（圖1-16）3) 液力耦合器調速液力耦合器是一種利用液體（多數為油）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機水泵之間，達到平滑調節轉速的目的。液力耦合器的調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：MBMT式中：MB穩定流動時，泵輪葉片作用于液體的扭矩；MT穩定流動時，液體作用于渦輪的扭矩。即在忽略液力耦合器的機械損失和容積損失等時，液力耦合器的調速效率等于轉速比。轉速比越小，其調速效率也越低，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機進行調速傳動時，泵或風機的轉速等于液力耦合器渦輪的

38、轉速，即nnT，而其軸功率等于渦輪傳遞的軸功率PPT。根據葉片式泵與風機的比例定律，泵與風機的軸功率與其轉速n的三次方成正比：由此證明，液力耦合器帶泵或風機進行調速傳動時，其最大轉差功率損耗Pmax發生在轉速比i=2/3處，并不是轉速越低，損耗越大。雖然液力耦合器工作在低速時其調速效率很低（等于轉速比），但在帶泵與風機調速時，與節流調節相比較，仍具有顯著的節能效果。例如某離心風機，當流量Q190×103m3/h時，風機的軸功率為158kW，當通過節流調節使流量Q95×103m3/h時，風機的軸功率為115kW。當用液力耦合器調速時，由于流量為原流量的一半，則風機的軸功率應為

39、其18。再考慮到i=1/2時的液力耦合器的效率i=05。原動機的輸出功率應為1975 kW×239.5 kW，較之節流調節仍有115 kW 39.5kW 75.5kW的節電效果，仍是相當可觀的。液力耦合器的優點是：無級調速，調速范圍大，較之節流調節有顯著節能效果；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機的壽命；過載保護，保護電動機及風機水泵；除軸承外無其他摩損部件，因滑差損耗產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，可以和緩地起動、加

40、速、減速和停車；便于控制，液力耦合器是無級調速，便于實現自動控制，適合于各種伺服控制系統；能用于大容量泵與風機的變速調節，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：和節流調節相比，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備外，還要一套諸如冷油器等輔助設備與管路系統；由于液力耦合器的最大轉速比in=0.970.98，因此液力耦合器的輸出最大轉速要比轉入轉速低；調節延遲時間較長，不適應處理緊急事故的要求，因此液力耦合器適合于較高轉速的泵與風機調速的場合；調速精度不高，不適用于要求精確轉速的場合使用；因為無直聯機構，故液力耦合器一旦發生故障，泵與風機也只能停止工

41、作；調速效率低（i），等于轉速比，產生的損耗大，在各種變速裝置中屬低效調速裝置。4) 電磁轉差離合器（滑差電機）調速電磁轉差離合器的功用和液力耦合器及液力調速離合器相同，都是安裝在定速電動機與泵或風機之間的一種變速傳動裝置，使泵與風機可以實現無級調速。電磁轉差離合器的基本部件為電樞與磁極，這兩者之間沒有機械聯系，各自可以自由旋轉。電樞是主動部分，直接與電動機的輸出軸連接，并由電動機帶動其旋轉。電樞通常為圓筒形整塊鑄鋼，在外表面常鑄或焊有風扇葉，以提高散熱效果。磁極為從動部分，它通過聯軸器與泵或風機的輸入軸相連。磁極由鐵芯和勵磁繞組組成，勵磁繞組有裝設在轉子上的，也有固定在機殼上的，前者的勵磁電

42、流需通過集電環和電刷引到轉子。圖1-17所示為電磁轉差離合器的示意圖。從圖可見，主動部分（電樞）與從動部分（磁極）之間在機械上是分開的，當中有氣隙。當勵磁繞組無勵磁電流通過時，則這兩部分互不相干；只有在通以勵磁電流時，才能靠電磁效應相互聯系起來。 電磁轉差離合器的調速原理是基于電磁感應定律。當勵磁繞組通以直流電時，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相連。當電動機帶動電樞旋轉時，電樞與磁極之間有相對運動，因感應而產生電勢，這一感應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，產生電磁力，其方向可按左手定則確定，這個力作用于電樞一個轉矩，其

43、方向與電樞的旋轉方向相反，是與帶動電樞旋轉的拖動轉矩相平衡的制動力矩。 圖1-17 電磁轉差離合器示意圖這個力及力矩也同樣作用在磁極上，其方向與電樞旋轉方向相同，它使磁極沿電樞旋轉方向旋轉，并拖動泵或風機旋轉。電磁轉差離合器與硬性聯接的普通聯軸器傳動的不同之處是：電磁轉差離合器的磁極轉速n2是可以連續調整的，且n2一定小于電樞轉速n1。這是因為若n2n1，則磁極與電樞之間不存在相對運動，即電樞沒有切割磁力線，也就不可能在電樞中感應出電勢，更談不上產生力和轉矩了。因此，電磁轉差離合器的磁極與電樞之間必存在一個轉速差nn1n2，這和異步電動機的原理相似。磁極轉速n2的高低由磁極磁場的強弱而定，亦即

44、由勵磁電流的大小而定。當勵磁電流大時，n2就高，磁極與電樞之間只要有較小的轉差率，就能產生足夠大的渦流轉矩來帶動負載；當勵磁電流小時，n2就低，必須有大的轉差率才能產生帶動負載的渦流轉矩。所以，改變勵磁電流的大小就可達到泵或風機調速的目的。根據電磁轉差離合器的上述工作原理，所以它又被稱作渦流聯軸器、渦流式電磁轉差離合器等。其優點是： 可靠性高，只要把絕緣處理好，就能實現長期無檢修工作；占地面積小，控制功率小，一般僅為電動機額定功率的12；結構簡單，加工容易，價格低廉。其缺點是：存在轉差損耗，尤其是當in較低時，運行經濟性較差；容量較大時，需采用空冷或水冷，結構較復雜；調速響應時間長，噪聲較大。

45、適用于轉速不很高、調速范圍不很寬的中小容量泵與風機的調速傳動。液力耦合器和電磁滑差離合器這兩種調速方式，電動機都保持定速運行，而是通過機械的或者電氣的離合器達到改變拖動負載轉速的目的。（3）轉差功率回饋型 從電機學原理可知，為了實現繞線式異步電動機的轉速調節；除可通過在轉子回路中串電阻的方式外，還可采用在轉子回路串電動勢的方法。這種在轉子回路引入附加電動勢進行調速的方法，稱為繞線式異步電動機的串級調速。串級調速的關鍵是串入到轉子回路的電勢Ef的頻率必須與轉子電勢頻率f2相等，但f2是隨著轉速的變化而變化的，即f2是由旋轉磁場轉速n0和轉子轉速n決定的。但要串入一個永遠跟隨著轉速的變化而變化的電

46、勢Ef是相當困難的。解決的辦法是先把轉子電勢整流成直流電勢Ed，再在此直流回路中串入一與Ef相當的可調節的直流電勢，就可避免隨時改變Ef頻率的困難了。具體的實現串級調速有下述三種方式：第一種是由一臺直流電動機與主繞線式異步電動機組成的串級調速系統，這種系統叫機械串級調速系統或叫克萊墨系統。第二種是由一臺直流電動機、一臺交流發電機與主繞線式異步電動機組成的串級調速系統，這種系統叫電機式串級調速系統或謝菲爾畢斯系統。第三種是由變頻器與繞線式異步電動機組成的串級調速系統，這種系統叫晶閘管（可控硅）串級調速系統或靜止謝菲爾畢斯系統。上述第一種及第二種串級調速方式過去早有應用；第三種晶閘管串級調速是一種

47、新的串級調節方式，它在目前應用最廣泛，已有取代第一、二種串級調速的趨勢。與轉子串電阻方式相比較，轉子串電勢的串級調速的優越性是可以回收轉差損失，僅是在晶閘管等換流元件換流時產生一些不大的換流損失，所以繞線式異步電動機的串級調速是一種高效調速方式。晶閘管串級調速系統又可分為低（次）同步串級調速系統和超同步串級調速系統兩種。當串接到繞線式異步電動機轉子上的附加電勢Ef與轉子電勢SE20反向時，電動機的轉速只能朝電動機額定轉速以下的方向調節，運行轉速恒低于電動機的同步轉速，稱為低（次）同步串級調速。當Ef與SE20既可同向串接，又可反向串接時，電動機的運行轉速既可高于又可低于電動機的同步轉速，稱為超

48、同步串級調速，或稱為雙饋調速。圖1-18所示為低同步串級調速系統的原理圖，其工作原理為：繞線式異步電動機的轉差電勢E2（SE20）經三相整流橋ZL后整流為直流電勢Ed，再經電抗器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：一是為轉子回路由電網提供附加直流電勢E，它與外串附加交流電勢Ef相當，因是低同步串級調速，所以他的方向與轉子直流電勢Ed相反。NB的第二個作用是把直流電再逆變為與電網同頻率的三相交流電，從而把轉差功率PS通過逆變變壓器B匹配成電網電壓，送回電網。圖1-19為超同步晶閘管串級調速系統的原理圖。它與低同步串級調速系統的主要區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