滑差电动机调速与变频调速的运行性能比较

滑差电动机调速与变频调速的运行性能比较

摘 要：本文通过对滑差电动机调速和变频调速的原理和运行性能进行比较，得出变频调速在经济性、可靠性、控制性能等方面的优点，指出变频调速的广泛应用前景。

关键词：滑差电动机；变频；调速性能；比较

引言 在燃煤电厂中，为了保证锅炉的燃烧能满足机组负荷的要求，必须根据锅炉负荷及工况的变化合理地调节给煤率，所以要求给煤机的电动机能够在一定的范围内实现无级调速。由于异步电动机的结构特点决定了异步电动机的调速十分困难，在变频调速问世之前，异步电动机在实现无级调速方面应用较广泛的就是滑差电动机（又称电磁调速电动机）调速。美国STOCK公司生产的G8224MPC型电子重力式皮带给煤机所采用的原动机就是滑差电动机，这种电动机虽然能够在一定的范围内实现无级调速，但是这种调速方法存在设备复杂、易出现故障且故障点多、操作繁琐、运行可靠性差、调速精度及线性度差、维护工作量大等缺点，同时调速电机长期在额定转速下运行，处于高耗能运行状态，运行不经济。

1 两种调速方法的实现途径

由电动机特性可知,异步电动机输出轴转速(简称电机转速)为:

其中： —电动机转子转速； 

—电动机定子供电频率；

—电动机极对数；

—为转差率。

显然，只要改变公式中的参数和s中任何一个，便可改变电机的转速。

滑差电动机由恒速电动机、电磁离合器组成，其原理如图1（a）所示，相当于两级异步电动机：第一级就是恒速电动机，第二级就是电磁滑差离合器。电磁滑差离合器由电枢、励磁绕组、转子等构成，安装在恒速电动机和负载中间，通过改变电磁滑差离合器的励磁电流以改变电磁滑差离合器的转差率s来实现调速。

其工作原理是：电动机M带动电枢及励磁绕组旋转，励磁绕组由调速控制器提供直流电流。当电动机M带动电枢及励磁绕组旋转时，在第二级中便产生一个“直流旋转磁场”，于是在转子绕组中产生了感应电流，并产生电磁转矩，使转子旋转。调节控制器的输出电压，也就调节了电枢的励磁电流和电磁转矩，从而调节了转速，即：当转速低于给定值时，通过转速反馈来增大励磁电流；转速高于给定值时，又通过转速反馈来减小励磁电流，从而得到如图1（b）所示的机械特性。可见，滑差电动机通过无级调节电磁离合器电枢的励磁电流，能够较好地实现无级调速。

变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率f来实现无级调速的，其原理图如图2（a）所示，电动机采用变频调速以后，电动机转轴直接与负载连接，电动机由变频器供电。变频调速的关键设备就是变频器，变频器是一种将交流电源整流成直流后再逆变成频率、电压可变的变流电源的专用装置，主要由功率模块、超大规模专用单片机等构成，变频器能够根据转速反馈信号调节电动机供电电源的频率，从而得到如图2(b)所示的机械特性，可以实现相当宽频率范围内的无级调速。

2 滑差电动机调速与变频调速的运行比较 由于滑差电动机调速和变频调速的原理、结构都不同，在运行过程中，其经济性、可靠性、调节及控制特性等方面也有很多差别。

2.1 经济性比较

滑差电动机的电磁离合器涡流损耗大，效率低。不管转速高低，对于恒速电动机的输入功率基本不变，而将多余的能量消耗在电磁离合器中，电能浪费较大，其调速效率随着转速的下降而降低，是一种低效耗能型调速方式。

变频调速属于高效率调速方式，通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率来实现调速，除本身控制所需很少的一部分能量消耗保持不变外，电力电子器件的损耗基本与输出功率成正比，因此变频调速可以全转速范围内实现较高效率运行，调速效率高达96%以上。

在同样输出功率的情况下，采用变频调速可比滑差电动机调速节能1/3以上。以一台给煤机的电动机为例：每日运行24小时、一年365个工作日，电厂厂用电的功率因数为0.9。两种调速方式的电机输入功率、输入电流、用电量等的比较如下表。

调速类型 滑差电动机调速 变频调速

给煤量（t/h） 50 /45 50/ 45

输入电流（A） 5.95/ 5.55 3.2/ 2.58

输入功率（kW） 3.7 /3.4 2.0 /1.6

用电量（kWh/年） 32412 /29784 17520 /14016

表中 两种调速方式的经济性比较 由表中可以看出：当机组满负荷时，每台给煤机的给煤量为50t/h，这时变频调速每年可节省的电量为：14892kWh/年，节电率为46%。当机组不是带满负荷时，每台给煤机的的给煤量有所下降，当给煤量为45t/h时，变频调速每年可节省的电量为：15768kWh/年，节电率为53%。

如果按每度电0.4元计算，机组全年满负荷运行，每台给煤机可以节约电费5957元，考虑到调峰因素，机组不可能全年满负荷运行，则每台给煤机每年节约的电费还更多。可见，变频调速的节能效果很显著。

2.2 运行可靠性、运行维护工作量比较

由于给煤机所处的工作环境粉尘较多，粉尘容易在滑差电动机的电磁离合器中受潮结块，电磁离合器的涡流环和爪极卡住，使电机总是全速运转，造成不可调速的“飞车”现象。另外，由于电磁离合器本身固有的涡流发热，由于粉尘的原因容易产生故障，引起维护工作量大，再加上原来的电磁离合器为进口设备，备件昂贵、供货周期长，给使用带来了很大的不便。给煤机采用变频调速以后，由于电动机可以采用全封闭的结构，受粉尘的影响很小，所以故障率很低，实践应用也证明给煤机采用变频调速的维护工作量较滑差调速有明显的下降。变频调速的变频器和电动机都可以在国内采购到，供货周期短，设备更换方便，使用更有保障。

2.3 控制性能比较

原来的滑差电动机的调速范围是（150~1450）r/mim，偏差达±5r/min，而且在最小给煤率时，容易出现滑差电动机爪极和涡流环间时碰时不碰，造成给煤率波动很大，给煤率大于50%时就正常。

变频调速属于数字式控制，频率改变速度相当快，完全可以以系统允许的最高速度进行调速，调速精度高，偏差小，改造以后变频调速范围是（100~1450）r/min，偏差为±1r/min，可以实现软启动，减少启动电流对电动机的冲击，延长电动机的寿命。

2.4 变频调速的电磁干扰的抑制

变频调速相对于滑差电动机调速最大的缺点就是变频器会产生高次谐波，这些高次谐波会形成对其它设备的干扰信号，严重的甚至使某些设备无法正常工作，因此如何对变频器产生的电磁干扰进行抑制，是一个必须认真思考的问题。在削弱变频器产生的高次谐波方面常采用如下方法：

（1）在变频器的输入侧接入电抗器，可使输入电流的波形大为改善，能够显著地提高功率因数，也能非常有效地削弱输入电流中的高次谐波成分对其他设备的干扰。

（2）在变频器的输入输出电路中接入由线圈和电容组成的滤波器，可以抑制具有辐射能力的频率很高的谐波电流。

（3）降低变频器输出载波的频率，也有利于抑制高次谐波的干扰。

同时，还可以在给煤机变频改造时采取一些具体的措施来避免高次谐波对控制系统的影响，如：控制柜进行良好接地；与变频器的连接线采用屏蔽线；在给煤机控制系统的软件中增加软件滤波等。这些具体措施的采用能够把变频调速的负面影响降到最小，保证给煤机控制系统的正常工作。

3 结束语

变频调速是交流电动机中最好的一种调速方法，这个结论从交流电动机诞生之日起就已经知道的。随着电力电子技术的发展，变频技术已趋成熟，变频器的可靠性已经很高，而且检修维护也很方便。本文通过对给煤机的变频调速和原来的滑差电动机调速进行比较，指出了变频调速的突出优点，随着变频技术的进一步发展，特别是高压大功率变频器的开发和应用，变频技术将得到越来越广泛的应用。