交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小,但起制动及调速性能不如直流电动机。因此在交流电动机能满足生产需要的场合都应采用交流电动机,仅在起制动和调速等方面不能满足需要时才考虑直流电动机。近年来,随着电力电子及控制技术的发展,交流调速装置的性能与成本已能和直流调速装置竞争,越来越多的直流调速应用领域被交流调速占领。在选择电动机种类时应从以下几方面考虑选用交流电动机还是直流电动机。
包括长期工作制、短时工作制和重复短时工作制机械,应采用交流电动机。仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和起制动特性不能满足要求时,才考虑直流电动机,只需几级固定速度的机械可采用多极交流电动机。
1)转速与功率之积
受换向器换向能力限制,按目前的技术水平,直流电动机最大的转速与功率之积约为106kW·r/min,当接近或超过该值时,宜采用交流电动机,这问题不仅对大功率设备存在,对某些中小功率设备在要求转速特别高时也存在。
2)飞轮力矩
为改善换向器换向条件,要求直流电动机电枢漏感小,电动机转子短粗,因而造成飞轮力矩GD2大。交流电动机(无换向器电动机除外)无此限制,转子细长,GD2小,电动机转速越高,交直流电动机GD2之差越大,当直流电动机的GD2不能满足生产机械要求时,宜采用交流电动机。下表中列出了几台实际电动机的GD2值,仅供参考。
3)为解决直流电动机GD2大和功率受限制的问题,过去许多机械采用双电枢或三电枢直流电动机传动,但电动机造价高,占地面积大,易产生轴扭振,随着交流调速技术的发展,上述方案已不可取,应考虑改用单台交流电动机。
4)在环境恶劣场合,例如高温、多尘、多水气、易燃、易爆等场合,宜采用无换向器、无火花、易密闭的交流电动机。
5)交直流电动机调速性能差不多,目前高性能系统的转矩响应时间都是10~20ms,速度响应时间都在100ms左右,交流电动机GD2小,略快一些,为获得同样的性能,交流调速系统比直流调速系统复杂,要求较高调整维护水平。
6)对电网的影响
a.可控整流直流调速装置存在输入功率因数低及输入电流中存在5、7、11、13、…次谐波问题。
b.晶闸管交-直-交变频交流调速装置的输入部分仍是可控整流,对电网的影响和直流调速时相同。
c.晶闸管交-交变频交流调速也基于移相控制,输入功率因数和直流调速时差不多,输入电流中除5、7、11、13、…次谐波外,还有旁频、谱线数目增加,但幅值减少。
d.IGBT和IGCT PWM交流变频调速传动输入功率因数好,接近“1”,采用有源前端整流(PWM整流)可以做到功率因数等于“1”,且输入电流为正弦,供电设备容量小,不必装无功补偿装置,节约供电费用。
7)成本
交流调速用变流装置比直流调速用整流装置贵,因为变流调速用变流装置按电动机的电压电流峰值选择器件,当三相电流中某一相电流处于峰值时,另两相电流只有一半,器件得不到充分利用,交流电动机比直流电动机便宜,可以补偿变流装置增加的成本。
a. 中小功率(300kW以下)传动系统采用IGBT的PWM变频调速装置的成本比直流装置略贵,但可以从电动机差价和减少维修中得到补偿,交流调速正逐步取代直流调速。
b. 中功率(200~2000kW)调速传动系统,交流装置比直流装置贵许多,目前直流用得较多,由于IGBT PWM变频可节约电费,现在1000kW以下的新建传动系统也在考虑使用交流。
c. 大功率(2000kW以上)调速传动系统,交流电动机和调速装置的总价格已与直流相当或略低,新建设备基本上已全部采用交流传动,原有直流调速设备也逐步改用交流调速设备。
8)损耗与冷却通风
a.采用直流电动机时,主电路功率流入转子,散热困难,需要通风功率大,冷却水多。
b.采用交流同步电动机时,主电路功率流入定子,散热条件好,通风功率小,比直流电动机节能、节水一半左右。
c.采用交流异步电动机时,主电路功率虽也流入定子,但功率因数低,效率与直流电动机产不多。
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