毕业设计正文1

朱延波：引风机串级调速系统设计

而采用交流电动机9000kw单电枢，GD2为4.3?104N.㎡，减少到直流时的1/4.5，转速响应时间由120ms降至80ms。

4）总成本对比 交流调速的功率装置（变频器和电网补偿器）和控制装置价格贵，但电动机价格便宜，三者在总装置成本中所占比例大致为1-1所示：

表1-1总装置成本比例表

Tab.1-1 The proportion of the total installation cost

直流调速 交流调速

控制装置 5% 10%

功率装置 40% 60%

电动机 55% 30%

由此看出，由于交流调速控制装置和功率装置在总成本中所占比重较大，在电动机容量较小时，交流电动机比直流电动机成本的因素不明显，但随着电动机功率的增加，交流调速的总成本的增加将比直流电动机总成本增加缓慢。大于一定功率后，交流调速将比直流调速成本低。目前，一般认为其临界功率是2000~3000kw。如果直流电动机的GD2不能满足要求，需要采用双电枢或三电枢时，交流调速比直流调速成本要低的多。

1.1.3 交流调速系统的基本类型

早期的交流传动均用不可调节传动，而可调传动则用直流传动，随着电力电子技术的，控制技术和计算机的发展，交流可调传动的应用已成为不争的事实。交流调速系统的类型由n=60f1/p(1-s)可知电动机调速方式分为改变转差率调速，变极调速和变频调速三大类。

交流可调传动的应用主要分为三方面：

a 用于大量的风机，水泵类电机的调速，以获得可观的节能效益； b 用于高性能的传动系统，取代直流传动系统； c 用于特大容量，极高转速的交流调速。 按照转差率可以把系统分成三类： 1）转差功率消耗型调速系统

转差功率转化成热能消耗在转子回路中，以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，这类系统的效率较低，且随着转速的降低而降低，这类系统设备成本低仍具有一定的应用价值，例如降电压调速。

2） 转差功率的一部分被消耗掉，大部分则通过变换装置回馈给电网或者转化成机械能予以利用，转速低时回收的功率也越多。

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这类系统的效率比转差功率消耗型高，若转差功率由转子侧送入，则可使转速高于同步转速，此类系统只能用于绕线型感应电动机，应用场合受到一定的限制，设备成本高于前一种。例如绕线式异步电动机串级调速。

3)转差功率不变型调速系统

这类系统中，无论转速高低，转差功率都为转子铜损，保持不变，因此效率也较高。 变极对数调速和变压变频调速属于此类。期中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有 变频调速应用最广。适用于异步电动机，同步电动机。 a 改变电动机磁极对数p——变极调速。

改变定子极对数p，可得不同的同步转速。改变定子极数时，转子极数也必须同时改变，鼠笼式转子其极数随定子磁场的极数而定，即能自动适应极对数变换，故变极调速只适于鼠笼式异步电动机。这种调速方法简单，但存在调速不连续、调速范围窄、电动机结构复杂等缺点，目前几乎不采用。

b改变定子供电频率f1——变频调速。

当改变定子供电频率f1时，异步电动机的同步转速n0也正比地变化，在转速降△n一定时，电机的转速n发生变化，达到调速目的。此时，电机机械特性的硬度不受影响。如果改变f1同时也改变定子绕组感应电势E1，则电动机的起动转矩和电磁转矩不受影响，就能得到与直流电动机调压调速类似的调速特性。因此，该方法是交流电动机调速方法中最有发展前途的一种方法。

1.2 国内外串级调速系统的发展

60年代末期我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的实验，70年代后期西安整流厂首先推出了系列产品，以后其它厂家也相继推出了系列产品。1984年当时的机械工业部发布了串级调速专职的电工专业标准。1990年国家技术监督局批准了半导体变流串级调速装置的国际（GB12669-90），规范了这类装置的设计、实验要求。70年代以来机械式串级及电机式串级调速系统也得到了发展，上海电机厂推出了机械式和电机式两种串级调速设备的系列产品。

我国串级调速系统应用的特点:根据资料统计，国外晶闸管串级调速主要应用于大容量风机[2]、泵类即平方转矩负载的节能调速，单台电动机的容量达到20MW以上。晶闸管串级调速系统在我国应用比国外更广泛一些。串级调速的应用主要有以下几种类型：

a平方转矩负载调速型

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煤矿主井通风机、电动机容量达到1250kW以上，例如由沈阳低压开关厂提供的河南永夏矿务局陈四楼矿井1250kW晶闸管串级调速设备（2套，1995年投入运行）除了大、中容量的风机、水泵应用晶闸管串级调速外，在我过的许多纺织企业，很多小风机（容量均在100kW以下）也广泛应用串级调速进行节能调节。

b恒转矩负载调速型

一些不可逆机械设备例如型钢轧机、铁矿石自磨机、甘蔗压榨机等也应用了晶闸管串级调速。其中有些电动机的容量达到2000kW，例如沈阳低压开关厂提供沈阳线材厂45°高速线材轧机的串级调速设备（2套，单台电动机容量2000kW，1986年投入运行至今）。

c恒转矩位能负载起动调速型

矿山竖井提升机、矿山斜井带式输送机都属于这种恒转矩位能负载。除要求调速外，还要求起动、制动、加速、减速平稳，一般还带有动力制动功能。要利用晶闸管串级调速系统来完成这些任务有许多特殊的问题，沈阳低压开关厂为山东新汶矿务局南冶矿井，汶南矿井提供的住斜井钢绳牵引带式输送机串级调速设备较好地解决了这些问题。单台电动机容量达到630kW，分别于1983年、1989年投入运行至今。

国内最先是由屈维谦提出内反馈方案的，时间是在80年代后期。内反馈串级调速真正推向市场则是北京长城机电（集团）公司组织上海电机厂等单位的专家通过论证试验才得以实现的。90年代中期以后保定北方调速有限公司又推出斩波式内反馈串级调速。到目前为止有上海、兰州、哈尔滨等多家电机厂生产内反馈串级调速电动机。

国外20世纪60年代中期，W.舍费尔德（W.ShePherd）和J.司坦威（J.Stanway）两人就提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流，然后经过3相电网换相晶闸管逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机的钉子辅助绕组中的晶闸管串级方案。W.舍费尔德和J.司坦威把这种串级称为“定子反馈”方案。而把通过变压器（逆变变压器）将转差功率反馈到电网的串级（常规的晶闸管串级）称为“电网反馈”方案。在“定子反馈”方案中，辅助绕组与定子绕组电气上绝缘，通过磁耦合，即电磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网。这就是我们国家所说的“内反馈”串级调速。其后在1966年、1969年还有论文介绍这种“定子反馈”串级。

1.3 调速系统研究的意义

在我国电力、石化、矿山、冶金及给排水等领域，风机和泵类负载是应用最广泛、耗电量最大的一类生产机械。据统计，风机和泵类负载的耗电量占到整个工业用电量的40%

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以上，而风机、泵用电量的30～40%消耗在调节阀门及电网压降上，使用中存在运行效率低的缺点，这样就造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准还有相当大的差距，所以这类负载的节能潜力相当大。在能源日趋紧张的今天，如果能够对风机、泵类负载的节能技术改造有一个突破性的研究，则每年将形成数亿元的经济效益。众所周知，在风机和泵类负载的节能措施中调速运行是最有效的。在低电压小容量电机系统的节能调速中变频调速装置得到了广泛的应用和认同，而在高压大容量系统中，变频调速成本很高﹑体积大，存在诸多问题，在节电率相同的情况下，电动机的功率越大其节能效益也就愈大。因此，高压大功率电动机驱动的风机、泵采用调速传动，其节能效果将更加明显。尽管大功率风机和泵类负载采用调速传动后可节约大量电能，平均30%左右。但由于国内适合风机、泵类负载的高压变频器还没有成熟定型产品，国外高压变频器价格十分昂贵，推广应用受到很大限制。特别是大功率的风机和泵类负载，由于缺少简单、可靠、经济的中压电动机调速装置，使得节能调速基本没有推广开来。因此，研究性能更优越﹑节能效果更好的调速系统，有着重要的现实意义。

在能源日益紧张、能源费用高涨的今天，研究性能更优越﹑节能效果更好的调速系统，符合国家经济发展的需要，有着重要的现实意义。串级调速技术作为节约能源的一个重要手段，已在我国得到广泛应用。

对于风机类负载的调速，合理的方案应是绕线电机串级调速。在串级调速时，转子电路的功率为转差功率。风机类负载所需的调速范围小，一般为30%左右，这样电力电子装置的功率仅为电机功率的30%或15%。

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