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變壓高效無級調速系統

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更新時間：2018-06-19
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變壓高效無級調速系統20180619摘要：籠型雙定子電動機，利用轉差功率反饋原理，使用調壓裝置改變定子電壓，實現高效無級電壓調速。該系統性價比高于變頻調速系統與永磁磁力調速系統(見附件“三種高效無級調速系統對比表”)。
關鍵詞：雙定子高效調速電壓調速
無級調速性價比反饋轉差功率
中圖分類號:TM306文獻標識碼: A
Abstract: the Squirrel cage double stator motor,Using the slip power feedback principle,Use voltage regulator to change stator voltage,Realize high efficiency stepless voltage speed regulation.The system,The ratio of performance to price is higher than that of frequency conversion speed regulation system and permanent magnet magnetic speed regulation system(See Annex, "Comparative tables of three efficient stepless Speed Control Systems").
風機類設備（風機、水泵、螺旋槳、壓縮機等）的功率p與轉速n的關系是
P=kn3 [1]
可知調速減少功率（即節電）的比例是很大的，于是產生了各種調速方法。
調速，按不同的分類有電氣調速與機械調速；有低效調速與高效調速；有無級調速與有級調速。
長期以來，風機類設備的無級調速，小功率的使用電壓或電磁調速，大、中功率的多使用液力耦合器。它們都是低效調速，因其能耗高正逐漸退出市場。
變頻調速引入國內后，它以較優良的性能，逐漸占領市場，近些年幾乎一統無級調速的天下。但變頻調速的缺陷也是嚴重的：價格高、壽命短、難修理、諧波多、功率因數低、環境適應性差......。
變頻器不斷發展與完善，解決了諧波和功率因數低等問題，但它價格更高、體積更大、占地太多......。而環境適應性、壽命（名品10年左右）均無提高，由于電子元器件增加太多，可靠性反而更低。因此美國在2004年前就提出逐漸淘汰變頻器（見我國環球日報20040107文章）。
高效電壓無級調速系統的出世，使調速技術提到一個新高度。它可靠性高、壽命長、價格低、易修理、使用簡單......。
高效電壓無級調速系統由新型鼠籠電機與調控裝置組成。調控裝置已有成熟技術，此處不再贅述，本文重點介紹高效電壓無級調速籠型電機。
一、高效電壓無級調速籠型電機的原理
1、電壓無級調速的原理
眾所周知，三相電動機的轉速n
n=(1-s)60 f / p
f:電源頻率
P:極對數
s:轉差率
由電機學可知：s是下列各物理量的函數
s = f（U1，r1，x1σ，r’2，x’2σ）[2]
U1、r1、x1σ：定子繞組電壓、電阻、漏抗；
r’2、x’2σ：轉子的電阻、漏抗
由s的函數式可知，通過調節定子電壓U1可以改變轉差率s的大小，即調節了轉速。
本電機實施調速的措施是：在電動機外殼里，有一個加長的轉子，對應大小兩個三相定子（見圖1）。

兩個定子分別加電U1與U2后，產生轉向相同、電角度相差1800的兩個旋轉磁場。兩磁場在轉子上感生的電勢大小分別是E21與E22，兩電勢的矢量相差1800電角度，即方向相反。此時轉子的合成電勢E2的大小：
E2=E21-E22 （1）
因為U1＞U2→E21＞E22，所以轉子電流I2
I2=E21/(r’22+x’2σ2)1/2。
由式（1）可知，降低E21（對應于大定子U1），使轉子合成電勢E2降低，從而轉子電流I2下降，轉子的電磁力矩me
me=E2*I2*cosφ2 下降
式中：cosφ2：轉子回路的功率因數
電機的電磁力矩me↓→電機與其帶動的風機的轉速n↓
此即U1↓→E21↓→E2↓→me↓→n↓
反之U1↑→n↑
上述表明，通過細調定子電壓可以細調轉子轉速，實現無級調速。
2、高效原理
本電機采用轉差功率反饋原理
式（1）中，轉子的反向電勢E22 小于正向電勢E21 ，在正向電勢E21的作用下，轉子產生正向電流I2。反向電勢E22 與正向電流I2產生的功率P22：
P22=－E22*I2 *cosφ2 （3）[3]
由（3）可知：電勢E22在轉子上產生的功率P22是負值，表明電勢E22吸收功率，即產生E22的小定子吸收功率，小定子將P22反饋給電源，實現轉差功率反饋。
降低U1，轉速下降的同時，也使大定子的鐵損下降（鐵損占大中型電機總損耗的大部）。
本電機在鼠籠轉子上引入附加電勢，實現高效電壓無級調速，又兼具啟動裝置的作用，降低啟動電流。
二、高效電壓無級調速系統
該系統包括高效電壓無級調速籠型電機與調控裝置。
調控裝置有三類。第一類：機械式自耦調壓器，用電動調壓或用帶負載調壓開關調壓，此方法無諧波、使用簡單、環境適應性強，但調壓（調速）慢、價格較高、占地較大、維修多、自動控制及與DCS連接需另加電子裝置；第二類：電子式斬波交流調壓器，價格相對低很多，體積小，諧波極小，便于自動控制與連接DCS，第三類：機械與電子結合式磁閥電抗器，無機械運動、反應快、自動控制方便；但價格較高、有噪音。
三、樣機實測
近20年來克服種種困難，不斷試制樣機，屢敗屢戰，終于研制成較滿意的2.2kW樣機，經帶軸流風機實測，隨著電壓的上升與下降，風機的轉速隨著增加或減少，電流均不大于額定值；電壓長時停留在額定電壓下運行2小時，機殼溫升小于250C；轉速可以在額定值及以下任一點長時停留。高效電壓無級調系統樣機實測見表一。
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