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1、斩波内馈调速及其功率控制原理1斩波内馈调速及其功率控制原理斩波内馈调速及其功率控制原理屈维谦 摘要摘要: 交流调速的所有方法都可归结为电磁功率和损耗功率两种控制方案，电磁功率控制改变的是理想空载转速，调速是高效率的；损耗功率控制增大的是转速降，调速是低效率的。本文同时提出了一种新型交流调速斩波内馈调速，通过功率控制调速理论证明，该调速与变频调速遵循的是同一电磁功率控制原理。所不同的是变频调速基于定子控制，而斩波内馈调速则基于转子控制。斩波控制比移相控制具有显著的优点，本文介绍了专利技术自励式晶闸管电流型斩波器的性能和特点。理论和实践证明，斩波内馈调速具有高效率、低成本等一系列优点，尤其在高压大
2、容量电机调速方面，优势更为明显。关键词关键词: : 内馈调速 斩波控制 自励式晶闸管斩波器 移相控制 功率控制 效率电转差功率引言引言“斩波内馈”是我国首创的一种新型交流调速技术，通过近二十年的实践探索和理论研究，斩波内馈调速在技术和理论上都取得了很大发展，实践表明，斩波内馈调速具有效率高，成本低，功率因数高，谐波分量小等优点，不仅为我国的高压、大容量风机泵类节能提供了一种经济、高效的调速技术和产品，也为世界的交流调速填补了一项空白。事实上，变频调速与串级调速（包括双馈调速及内馈调速）具有极为相似的调速性能，例如调速效率、机械特性等都很一致，但按传统理论串级调速属于变转差率调斩波内馈调速及其功
3、率控制原理2速，被认为与变频调速有着本质的区别。显然，面对客观事实，传统电机学理论就值得探讨了。为此，作者提出了“交流调速的功率控制原理” （P 理论） ，该理论表明，包括异步机在内的所有电动机，调速的实质在于功率控制。电机转速是通过电磁功率或损耗功率控制得到改变的，所有电机调速方法都是功率控制原理的具体实施。斩波内馈调速和变频调速同属高效率的电磁功率控制，它们只有控制对象的不同，而没有本质的区别。1.1. 转子电磁功率控制与内馈调速转子电磁功率控制与内馈调速1 11 1 转子电磁功率控制调速原理转子电磁功率控制调速原理绕线型异步机的转子是开启的，可以通过电传导对转子直接进行电磁功率控制，实现
4、高效率的调速。方法是从转子口移出或注入电功率，以改变转子的净电磁功率，使理想空载转速得以调节。转子电磁功率控制与定子的控制相比有以下特点：定子电压、频率不变，主磁通亦不变。因此可以方便地实现恒转矩调速，避免了定子控制调压变频的麻烦。可以通过转子的低压控制实现高效率的调速，回避了定子控制的高压问题。 控制装置的容量可以小于电机容量，根据调速范围的需要具体确定，有利于降低成本。 由于定、转子的隔离作用，可以抑制谐波电流对电源的影响。 缺点是电机存在滑环和电刷。对于图 1 的绕线型异步机模型图 1 绕线型异步机模型斩波内馈调速及其功率控制原理3当在转子的转差功率端口引入附加的电磁功率时，转子的净电磁
5、功率， （1） esemPPP2式中： 为定子传输给转子的电磁功率，emP为附加电磁功率（以下称电转差功率） ，esP其值将随的方向和大小而改变。式（1）中的-表示移出，而+表示注入，前者esPesPesP使转子的净电磁功率减小，后者则使其增大，注意不要把理解成传统电机学中的转esP差功率，应该把中的电磁功率和损耗功率区别开来，两者性质不同，对调速的影sPsP响也不同，这里将称为电转差功率，它将改变异步机的理想空载转速。此时异步机esP的理想空载转速为：。 （2）TPPesem0可见，-控制得到的是低同步调速，而+则是超同步调速。esPesP1 12 2 内馈调速内馈调速低同步调速时，从转子移
6、出的电转差功率馈入何处是调速的关键。传统的串级调速及双馈调速都是通过外附的变压器回馈电网，所存在的缺点有三： 电转差功率在系统中无谓的循环传输，没有产生能量转换，造成不必要的损耗，降低调速效率。 外附的变压器使系统复杂、庞大，成本增高。 回馈电网的谐波电流分量较大。内馈调速就是旨在克服上述缺点提出的。图 2 的内馈调速传统，异步机的定子上，附加了与原绕组相绝缘的内馈绕组（亦称调节绕组） ，用来接受转子移出的电转差功率。内馈绕组在旋转磁场的作用下，产生频率为 f1、幅值恒定的感应电势 E3。变流装置使内馈绕组工作在发电状态，把所接受的电转差功率又通过电磁感应，反方向传输给定子原绕组，使定子的输入
7、功率减小，与机械功率相平衡，实现了高效率的无级调速。内馈调速与串级调速同属转子电磁功率控制的调速，但和后者不同的是电转差功斩波内馈调速及其功率控制原理4率封闭于电机之内，而不是泄露于电机系统之外。结构上也不存在串级关系，因此不能称为“内馈串级调速” ，另外，以前将“内馈”称为“内反馈” ，与自动控制的“反馈”有混淆之嫌，故命名为“内馈调速”是较为准确的。分析表明，内馈调速时的定子功率为， （3）pPPPPmK311其中：为无内馈的定子功率，为内馈绕组功率，1P3P为机械功率，为损耗功率。mPp定子输入功率中不含电转差功率，而随机械功率变化，调速没有产生额外的损耗功率。内馈调速的范围取决于内馈绕
8、组电势E3与转子开路电势E2之比，比值越大，调速范围越宽。从电转差功率的角度观察，越大调速下限越低，调速范围越大；反之esP越小调速范围越小。的大小取决于内馈绕组的感应电势E3的量值，当 E3=E2时调esPesP速可以从零开始。但无谓地扩大调速范围将使系统成本有所增大，因此，对于风机、泵类等调速范围不需要很大的负载，没有必要把调速范围设计得很宽。内馈调速是基于转子的电磁功率控制调速，与串级调速相比，由于加强了电机调速的内因，没有外附的变压器，而且定子不含无谓循环传输的电转差功率，因此简化了系统，提高了效率。斩波内馈调速及其功率控制原理5图 2 内馈调速的电机与系统2.2. 内馈调速的斩波控制
9、内馈调速的斩波控制2.12.1 移相控制的缺点移相控制的缺点 内馈调速控制时要尽量避免产生感性无功功率,否则将使内馈调速电机的激磁电流和激磁功率剧烈增大，定子原绕组和内馈绕组无功损耗增大，功率因数降低,严重影响电机的正常运行。 图 3 的传统移相控制变流电路中,有源逆变器通过改变逆变角控制电转差功率。根据变流理论，逆变器功率因数， （4）coscos3斩波内馈调速及其功率控制原理6当畸变系数 近似不变时，功率因数取决于逆变角。忽略变流损耗，有，3PPesP3为内馈绕组的有功功率，且。 （5）33313cosIUmP 于是，改变逆变角 就可以控制电转差功率。移相控制的最大缺点是人为地产生感性无功
10、功率 Q3，即 。 （6）33313sinIUmQ 在有功功率随逆变角 增大而减小时，无功功率却相应增大，使电机运行恶化。移相控制的另外缺点是可靠性差。一是脉冲移相要求具有快速响应性，因此抗干扰能力降低（抗干扰强的脉冲电路必然具有大时间常数的惯性环节，这和快速响应是矛盾的） 。二是逆变器电流等于转子电流（I3=I2） ，换向重叠角大。增加换向难度。逆变器易发生颠覆故障。图 3 移相控制的变流电路串级调速和第一、二代的内馈调速，限于当时的技术条件，采用的都是移相触发控制，逆变器承担着频率变换和功率控制的双重任务，怎样改进都难免顾此失彼，从根本上解决问题只能另辟蹊径。2.22.2 斩波控制的原理与
11、意义斩波控制的原理与意义斩波控制是克服移相控制缺点的较好方法，斩波控制时，逆变角固定在最小值不变，电转差功率通过改变逆变电流 I3来控制。图 4 所示的斩波控制电路是在逆变器 NB 两端并联一个斩波开关 K。斩波内馈调速及其功率控制原理7图 4 斩波式逆变器原理及等效电路斩波器对功率的控制是通过改变电流平均值实现的。斩波器通常以恒频调宽方式工作，在电流连续条件下，斩波电流和反馈电流互补，因此，只要分析其中任意一个电流对功率的控制作用，就可以说明调速机理。斩波控制的电机调速等效电路如图 5所示。图 5 斩波控制的内馈调速电机 T 形等效电路斩波开关工作时，斩波电流 iM和逆变器阀端电流 iN波形
12、如图 6。图 6 斩波与逆变直流电流波形其中，斩波电流产生机械功率，逆变电流则产生电转差功率。设斩波开关导通时斩波内馈调速及其功率控制原理8间为 t1，周期为 T，斩波电流平均值为。 （7）dtdTITtdtiTI1011令： ， 称为占空比。Ttd1则 ， （8）dTIdI相应的逆变直流电流值为：。 （9） dTdNIdIII)1 ( 这样，只要控制斩波开关导通时间 t1就改变了占空比，也就改变了电机的机械功率和转速。如果从逆变器输出角度观察，转速与P3的关系为。 （10） Tp TPPem23由于改变占空比即可控制反馈功率P3，因此实现转速控制。斩波控制的优点为：使逆变器和内馈绕组容量减小
13、，最大值仅为电机容量的 4/27。1逆变角不变和逆变器容量减小，提高了有源逆变的可靠性。2提高了系统功率因数（逆变器功率因数恒为 0.9）。3减小逆变的电压波形畸变和逆变电流的谐波幅值，使系统的谐波电流小于45%。减小内馈电机的体积和附加成本。5提高了调速的控制精度、线性度和机械特性硬度。63.3. 自励式晶闸管斩波器自励式晶闸管斩波器晶闸管虽然不能门极自关断，但具有大电流、高电压、可靠性高等优点，迄今仍斩波内馈调速及其功率控制原理9然是大功率变流电路的重点选择器件。晶闸管斩波器的技术关键在于关断，通常采用电容储能方式对斩波晶闸管实行强迫关断。典型电路如图 7。图 7 他励式晶闸管斩波的典型关
14、断电路该电路的缺点是可靠性差，关断损耗大。关断电容由外附的整流电源充电，当意外扰动时，辅晶闸管 KF1、KF2可能同时导通，造成整流电源短路。特别在小占空比时，这种现象极易发生，严重影响电路正常工作。另外，关断电容的充电电流幅值很大，趋肤效应强，整流变压器发热严重，电路难以实用。图 8 是作者设计的自励式晶闸管电流型斩波电路（专利号：ZL 01 2 25301 .4 ），较好的克服了上述电路的缺点。其工作原理为：由辅晶闸管 KF1-4和关断电容 C1构成自励式关断电路，其充电电源取自平波电抗器的输出端，无需另设。在主斩波晶闸管 KV 导通之前，预先触发 KF1-2，使 C 充电，UC电压被箝位
15、在逆变电压，充电电流降至零 KF1-2自行关断。然后触发 KV，斩波关断时，触发另外的辅晶闸管 KF3-4，电容 C放电，使 KV 关断并反向充电，电路周而复始，完成了晶闸管斩波工作。 图 8 自励式晶闸管电流型斩波电路4ACD21 e 2噋 TE匲 1斩波内馈调速及其功率控制原理10自励式晶闸管电流型斩波器的优点有：不需要外附的充电电源，使电路简化，效率提高。 关断可靠性高，既使关断桥臂直通，也不会产生短路现象。 桥式关断电路的每半周期都产生关断作用，关断频率为斩波频率的一半，有利于提高斩波频率。4.4. 结束语结束语斩波内馈调速是基于转子的电磁功率控制调速，与定子调压变频调速相比，两者只有控制对象的不同，没有本质的区别，传
