交流調速的功率控制原理與斬波內饋調速

轉子電磁功率控制調速技術(shù)的關(guān)鍵為：

1)由于轉子電壓的頻率為變化的轉差頻率，因此必須要進(jìn)行頻率變換，以使轉子和附加電源進(jìn)行有功功率交換;

2)能夠連續地控制Pes的大小，以獲得平滑的無(wú)級調速。

另外，要合理確定Pes額定值，它將決定調速范圍。上述的技術(shù)要點(diǎn)是設計調速控制裝置應該注意的原則。

附加電源是轉子電磁功率控制的結構要點(diǎn)，它是Pes傳輸所必須的。傳統的方法例如串級(Cascade Control)、雙饋(Double Feed)等調速的附加電源都由

外部來(lái)提供，但外附電源使系統復雜化，而且在低同步調速時(shí)造成Pes在定子至外附電源之間的無(wú)謂循環(huán)，增大了定子損耗。較好的方法是在我國首創(chuàng )的斬波內饋調速，其原理如圖5所示。

該系統的突出特征是采用了內饋調速的特殊異步機，在內饋電機的定子槽中，與原邊繞組同槽嵌放一個(gè)內饋繞組(前亦稱(chēng)調節繞組)，內饋繞組在旋轉磁場(chǎng)的作用下，感應出電動(dòng)勢E3，其頻率為固定的電源工頻頻率。內饋繞組與變流控制裝置的輸出端聯(lián)接，接受從轉子移出的電轉差功率P3，此時(shí)內饋繞組處于發(fā)電狀態(tài)，并通過(guò)電磁感應抵消定子原邊輸入的多余電功率。定子的有功功率由調速前的P1變?yōu)镻1-P3，此時(shí)的定子有功功率為

P1K=P1-P3=PM+ΣP (25)

分析表明，定子有功功率不含電轉差功率，只隨機械功率而變化，而且電機的損耗功率沒(méi)有增大。

內饋調速的調速范圍取決于電轉差功率的大小，Pes越大調速下限越低，調速范圍越大;反之Pes越調速范圍越小。Pes的大小取決于內饋繞組的感應電勢E3的量值，當E3=E20(轉子開(kāi)路電勢)時(shí)調速可以從零開(kāi)始。但無(wú)謂地擴大調速范圍必須付出相應的技術(shù)、經(jīng)濟代價(jià)，因此，對于像風(fēng)機、泵類(lèi)調速范圍不需要很大的負載，就沒(méi)有必要把調速范圍設計得很寬。

內饋調速是基于轉子的電磁功率控制調速，與串級調速相比，由于加強了電機調速的內因，所以?xún)瑞佌{速沒(méi)有外附的變壓器，而且定子不含無(wú)謂循環(huán)傳輸的電轉差功率，進(jìn)一步減小了電損耗。因此，內饋調速具有結構簡(jiǎn)單，調速效率高的明顯優(yōu)點(diǎn)，同目前的高壓變頻、串級等高效率調速相比，內饋調速是更高效、更經(jīng)濟的調速。

6 內饋調速的斬波控制

6.1 問(wèn)題的提出

前已敘及，調速控制時(shí)要盡量避免產(chǎn)生感性無(wú)功功率以提高功率因數，減小無(wú)功損耗。否則將使內饋調速電機的激磁電流和激磁功率劇烈增大，導致定子原繞組和內饋繞組無(wú)功損耗增大，嚴重影響電機的正常運行。

現在把注意力集中在調速控制的變流裝置上，問(wèn)題出現在變流控制中有源逆變器的控制方式上。

為了連續控制從轉子移出的功率即內饋繞組的功率，實(shí)現轉速的無(wú)級調節，傳統的方法是采用移相控制。由于內饋繞組的功率

這樣，當內饋調速電機的有功功率隨逆變角茁的增大而減小時(shí)，而無(wú)功功率卻在相應增大，從而使電機運行惡化。

另外，移相控制的缺點(diǎn)是可靠性差。眾所周知，有源逆變對觸發(fā)脈沖的要求是嚴格的，任何觸發(fā)失誤都將導致逆變顛覆造成短路，不僅嚴重影響運行的可靠性，而且檢修也困難(無(wú)法在故障狀態(tài)進(jìn)行分析、查找)。造成移相控制可靠性低的原因是：

1)觸發(fā)脈沖的移動(dòng)。觸發(fā)線(xiàn)路復雜而且要求具有快速響應性，觸發(fā)線(xiàn)路抗干擾能力就降低。因為抗干擾強的觸發(fā)電路必然具有大時(shí)間常數的慣性環(huán)節，這和快速響應是矛盾的。

2)逆變器的容量較大，換相困難。移相控制的全部受控功率都要經(jīng)過(guò)逆變器，逆變器的容量相對就要增大，致使換相矛盾突出，難度加大。實(shí)際上晶閘管有源逆變器的可靠性關(guān)鍵就在換相上，一旦換相失敗，逆變器就會(huì )發(fā)生短路故障，且無(wú)法自動(dòng)恢復。

限于當時(shí)的技術(shù)水平，串級調速和第一、二代的內饋調速，采用的都是移相觸發(fā)控制，逆變器承擔著(zhù)頻率變換和功率調節的雙重任務(wù)，怎樣改進(jìn)都難免顧此失彼，多年的實(shí)踐證明，要從根本上解決問(wèn)題只能另辟蹊徑。

6.2 斬波控制的調速原理

要克服移相控制的缺點(diǎn)，只有改為對逆變電流進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單的方法是在直流回路實(shí)行斬波控制。圖6所示的斬波控制原理電路是在逆變器NB 兩端并聯(lián)一個(gè)斬波開(kāi)關(guān)K。

斬波開(kāi)關(guān)對功率的控制作用是通過(guò)對電流平均值的控制實(shí)現的，斬波開(kāi)關(guān)通常以恒頻調寬方式工作，即工作頻率一定，而開(kāi)關(guān)導通時(shí)間可調。這樣，當斬波開(kāi)關(guān)導通時(shí)，轉子電流經(jīng)K而成回路，電流不流過(guò)逆變器，逆變器輸出功率P3=0，轉子的電磁功率轉化為機械功率。

當開(kāi)關(guān)K打開(kāi)時(shí)，轉子電流被迫流入逆變器，電流所產(chǎn)生的功率轉化為反饋功率。

根據電機調速的功控原理，電機轉速決定于機械功率(或反饋功率)的大小，在電流連續條件下，斬波電流和反饋電流互補，因此，只要分析其中任意一個(gè)電流對功率的控制作用，就可以說(shuō)明調速機理了。

斬波控制的電機調速等效電路如圖7所示。

分析可知，電機轉速正比于機械功率，而機械功率正比于斬波開(kāi)關(guān)電流，因此，調速就成為單只改變斬波開(kāi)關(guān)電流的問(wèn)題了。

為了簡(jiǎn)化分析，設負載轉矩不變，轉子直流電流為定值，即Id=C。斬波開(kāi)關(guān)工作時(shí)，斬波電流iK和逆變閥端電流iN波形如圖8所示。

可見(jiàn)改變占空比即可實(shí)現對反饋功率P3的控制，從而實(shí)現轉速控制。

斬波控制實(shí)際上是數字化的功率控制，它較好地克服了移相控制的缺點(diǎn)，目前已成為電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。把斬波技術(shù)與內饋調速有機結合所形成的斬波內饋調速，具有功率因數高、諧波分量小、逆變器和內饋繞組容量小、產(chǎn)品可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，使內饋調速取得了質(zhì)的提高，也是第三代內饋調速的典型特征。

7 新異步機調速分類(lèi)與結論

電機調速P理論揭示了電機調速的實(shí)質(zhì)，使調速原理和調速性能有機聯(lián)系起來(lái)，結束了傳統電機學(xué)調速分類(lèi)缺乏科學(xué)性的歷史。根據P理論，新異步機調速分類(lèi)如圖9所示。

8 結語(yǔ)

1)電機調速的實(shí)質(zhì)是基于功率控制。功率控制原則有兩種，一種是電磁功率控制，所改變的是電機理想空載轉速，調速是高效率的節能型調速;另一種是損耗功率控制，增大電機轉速降，調速是低效率、耗能型調速。電機轉速普遍表達為理想空載轉速與轉速降之差，所有電機調速方法都歸結于功率控制原理之中，或是從屬電磁功率控制原則，或是從屬損耗功率控制原則。

2)交流異步機調速的實(shí)質(zhì)在于功率控制，電磁功率控制改變的是理想空載轉速，損耗功率控制增大轉速降。調速效率只取決于功率控制的屬性而與其它無(wú)關(guān)。

3)經(jīng)典的調速理論按變f 、變s、及變P劃分調速方法缺乏科學(xué)性，電機學(xué)中的異步機轉速表達式是人為定義式而非公式，不能視為指導交流調速的理論依據。

4)內饋調速與變頻調速同屬電磁功率控制調速，只有作用對象區別，沒(méi)有本質(zhì)區別。

5)凡電磁功率控制的調速，無(wú)論是以定子還是轉子為控制對象，調速都是高效率的，機械特性為平行曲線(xiàn);而增大損耗功率的調速，調速效率較低，機械特性為匯交曲線(xiàn)。兩種調速的機械特性曲線(xiàn)的區別如圖10所示。

反之，凡機械特性為平行曲線(xiàn)的調速必然是電磁功率控制的高效率調速;而機械特性為匯交曲線(xiàn)的調速必然是增大損耗功率的低效率調速。這種簡(jiǎn)明的推論對交流調速的選擇、應用具有十分簡(jiǎn)便的指導意義。