1、第一講 電機和拖動的基本知識徐甫榮廣東明陽龍源電力電子有限公司，廣東中山528437 編者按 電動機系統節能工程是國家發改委制定的國家中長期節能規劃中的重點工程。目前我國各類電動機總裝機容量約4.2億kW，實際運行率比國外低10%30%，用電量占全國總用電量的60%左右。如果對這些電動機進行優化改造，推廣變頻調速、自動化系統控制技術，使運行效率提高2 個百分點，年節電就可達到200 億kWh。為 了推廣變頻技術在各行各業中的應用，普及變頻技術的理論知識，本刊特邀徐甫榮高工，專門撰寫一輯“變頻技術應用講座”，分6 期刊出。主要面向應用變頻技術的初學者，從電動機及電力拖動的基本知識入手，由淺入深地

2、講述變頻技術的工作原理，通過工程應用實例，分析應用變頻器時會遇 到的問題，提出解決方案，指導生產一線的工程技術人員將變頻技術用于自己的實際工作中。1 電機的基本知識1.1 電機的分類由于電能的生產、輸送和使用都比較方便，因而電能得到了廣泛的使用。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。電動機又可以分為：1.2 異步電動機的機械特性1.2.1 固有機械特性異步電動機的固有機械特性如圖1所示。1.2.2 人為機械特性異步電動機的人為機械特性（調速特性）如圖2、圖3、圖4所示。1.3 電動機的拖動轉

3、矩2.7 拖動負載的轉矩特性拖動負載的轉矩特性如圖5圖9 所示。3 電動機的起動3.1 三相籠型異步電動機的起動方法3.1.1 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耀7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8耀12 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 于須經常起動的電動機，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，

4、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，能符合式（9）的要求時，電動機也允許直接起動。如果不能滿足式（9）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。3.1.2 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

5、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矩的60%以下。降壓起動方法有以下幾種。1）定子串電阻（包括水電阻）降壓起動電阻上有能量消耗，但起動階段的功率因數較高。2）定子串電抗器降壓起動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。3）自耦變壓器降壓起動起動是有級的，一般有0.65Un，0. 80 Un 抽頭，如圖10所示。4） 星形三角形（Y-D）起動如圖11所示，只適用于空載或輕載起動的負載，且只適用于吟接法運行的電動機。因為當電動機的定子繞組由吟接法改為Y型接法以 后，加在繞組上的電壓為原來的1/姨3 ，則電動機產

6、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。5）延邊三角形起動如圖12所示。6）電子式晶閘管移相控制軟起動器如圖13 所示。3.1.3 變頻軟起動是電動機最好的軟起動方式，它的優越性有：1）可實現平滑的連續升頻軟起動；2）可實現無起動過電流；3）對電網和生產機械無沖擊；4）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。3.2 三相繞線轉子異步電動機的起動方法3.2.1 轉子串聯電阻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

7、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。3.2.2 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像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。3.3 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，在導條的兩端用端環聯成

8、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，使其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

9、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=10 Rf（Rf是勵磁繞組的電阻）即可。自上世紀80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可以采用一種軟起動的方式：使用由晶閘管組成的高電壓、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

10、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12 000 kW，它使用了一套4 800 kW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，

11、運行可靠。作者簡介： 徐甫榮（1946-）男，1970年畢業于西安交通大學電機工程系發電廠電力網及電力系統專業，原為國家電力公司熱工研究院自動化所教授級高工，主要從事火電廠熱工自動化及交直流調速拖動技術的研究工作。現為廣東明陽龍源電力電子有限公司高級技術顧問，從事高壓變頻器的開發和應用工作。曾發表論文50 余篇，并著有高壓變頻調速技術應用實踐一書。4 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：1）改變定子繞組的磁極對數p（變極調速）；2）改變供電電源的頻率f1（變頻調速）；3）改變異步

12、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。4.1 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，通過改變交流異步電動機的同步轉速，使電動機得以調速。由式（10）可知，要改變同步轉速n0 ，可以通過改變電

13、動機的極對數p，或供電頻率來實現。4.1.1 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n0改變，從而改變異步電動機的轉速。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 4/2、8/4等倍極比的雙速電機，而采用6轅4、8轅6、10轅8極的雙速電機，這與風機水泵的調速范圍一般不需要很

14、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，分別近似為平方轉矩型、恒轉矩型和恒功率型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，投資少。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必須電力瞬間中斷，這對電動機及電網都有沖擊作用；高壓電動機若須經常進行

15、變速切換 時，其切換裝置的安全可靠性尚須進一步完善和提高。圖14所示為改變定子繞組的連接方式時定子極對數改變的原理。4.1.2 變頻調速通過改變電動機的供電頻率f來實現調速，是無級的，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。變頻調速用的變頻器是由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3 kV、6 kV 供電，所以必須采用高壓變頻器進行調速。限于目前功率器件的電壓耐量有限，國內外各變頻器生產廠商八仙過海，各有高招，因此

16、主電路拓撲結構不盡一致，雖不 像低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓撲結構，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BUL原LETIN1557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，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微能公

17、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。4.1.2.1 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15為6 kV變頻器的主電路拓撲圖，每相由5 個額定電壓為690 V 的功率單元串聯，因此相電壓為690 V伊5=3 450 V，所對應的線電壓為6 000 V。每個功率單元由輸入變壓器相互隔離的15個二次繞組分別供電，15個

18、二次繞組分成5組，每組之間存在一個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 聯接組別來實現。圖15 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17。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。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平 PWM電壓型變頻

19、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，所以不存在器件的均壓問題。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毅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A1A5 5個功率單元，經疊加可得圖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。它的輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因

20、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600 Hz，則當5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6 kHz。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，可用于普通鼠籠型電機，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

21、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。4.1.2.2 多電平技術我 國標準中壓電壓等級為6 kV和10 kV，若直接變頻，即使用耐壓4.5 kV6 kV 的功率器件，仍需串聯使用，使器件數量增加，電路復雜，成本增加，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4.5 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，對變頻器的主電

22、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6 kV 電壓的主電路拓撲技術。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19可以看出，該系列變頻器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。若采用耐壓6 kV 的IGCT，變頻器輸出電壓可達4.16 kV，采用耐壓5.5 kV的IGCT，變頻器輸出電壓可達3.5 kV，將Y型接法的6 k

23、V中壓電動機改為吟接法，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6 kV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系起來，其一次側繞組接成三角形，其二次側繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個 二次側繞組的線電壓相同，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

24、抵消。這樣經過2個整流橋的串聯疊加后，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，所以網側特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用 24脈波整流電路，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20。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

25、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。4.1.2.3 變頻調速系統的主要優缺點主要優點是：1） 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。所以變頻調速是一種高效調速方式。2）調速范圍寬，一般可達10頤1（50耀5 Hz）或20頤1（50耀2.5 Hz）。并在整個調速范圍內均具有較高的調速裝置效率濁V。所以變頻調速方式適用于調速范圍寬，且

26、經常處于低轉速狀態下運行的負載。3） 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（50 Hz）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。4）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，變頻器是目前最好的軟起動設備。主要缺點是：1） 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，一個是我國發電廠輔機電動機供電電壓高（3耀

27、10 kV），而功率開關器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；另一個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。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

28、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極大的改善。4.2 轉差功率消耗型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；濁=n/n1，調速范圍越大，效率越低！其調速方式有以下幾種。4.2.1 鼠籠式異步電動機定子調壓調速外特性如圖21所示。4.2.2 繞線式異步電動機轉子串電阻調速外特性如圖22所示。4.2.3 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

29、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MB越原MT （13）式中：MB為穩定流動時，泵輪葉片作用于液體的扭矩；MT為穩定流動時，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轉速，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

30、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駐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q越190伊103 m3/h時，風機的軸功率為158 kW，當通過節流調節使流量q越95伊103 m3/h 時，風機的軸功率為115 kW。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其1轅8。再考慮到i=1/2 時的液力耦合器的效率濁越i=0援5。原動機的輸出功率應為19援75 kW伊2越39.5 kW

31、，較之節流調節仍有115 kW原39.5 kW 越75.5 kW的節電效果，是相當可觀的。液力耦合器的優點是：1）無級調速，調速范圍大，較之節流調節有顯著節能效果；2）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，延長了電動機使用壽命，使起動更為安全可靠；3）隔離振動，能減輕負荷沖擊，延長了電動機和泵與風機的壽命；4）過載保護，保護電動機及風機水泵；5）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；6）工作平穩，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速，便于實現自動控制，適合于各種伺服控

32、制系統；8）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20 MW以上。其缺點是：1）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；2）由于液力耦合器的最大轉速比in=0.97耀0.98，因此液力耦合器的輸出最大轉速要比輸入轉速低；3）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；4）調速精度不高，不適用于要求精確轉速的場合使用；5）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作；6）調速效率低（濁越i），等于轉速比，產生的損耗大，在各種

33、變速裝置中屬低效調速裝置。4.2.4 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，前者的勵磁電流須通過集電環和電刷引到轉子。圖23所示為

34、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的。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耦合。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，其方向與電樞的旋轉方向相反，是與帶動電樞

35、旋轉的拖動轉矩相平衡的制動力矩。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n2越n1，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駐n越n1原n2，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

36、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工作原理，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：1）可靠性高，只要把絕緣處理好，就能實現長期無檢修工作；2）占地面積小，控制功率小，一般僅為電動機額定功率的1%耀2豫；3）結構簡單，加工容易，價格低廉。其缺點是：1）存在轉差損耗，尤其是當in較低時，運行經濟性較差；2）容量較大時，須采用空冷或水冷，結構較復雜；3）調速響應時間長，噪聲較大。電磁轉差離合器調速適用于轉速不很高

37、、調速范圍不很寬的中小容量泵與風機的調速傳動。4.2.3與4.2.4兩種調速方式中，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。4.3 轉差功率回饋型為了實現繞線式異步電動機的轉速調節，還可采用在轉子回路串電勢的方法。這種在轉子回路引入附加電勢進行調速的方法，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

38、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

39、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，僅是在晶閘管等變流器件變流時產生一些不大的變流損失，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，稱為超同步串級調速，或稱為雙饋調速。圖24所示為 低同步串級調速系統的原理圖，繞線式異步電動機的轉差電勢E2（SE20）經三相整流橋ZL 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：一是為轉子回路提供附加直流電勢E茁，它與直流電勢Ed相當，因是低同步 串級調速，所以其方向與轉子直流電勢Ed相反；二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T匹配成電網電壓，送回 電網。圖25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