内反馈调速的比较优势
转子变频调速原理 应用于风机、水泵类的高压电机,主要为三相异步电动机,包括鼠笼型和绕线型,高效率的调速方 式有两种,即定子侧变频和转子侧变频。定子侧变频也叫高压变频,普遍应用鼠笼型电动机,虽然性能较 好,但因为系统直接接高压电网,所以技术复杂、体积庞大、可靠性较低、价格昂贵,用户难以接受。转 子侧变频调速也叫转子变频调速,使用绕线型电动机,将变频调速基本原理应用于转子侧,因为转子侧使 用低压,所以技术复杂度降低、体积大为缩小、可靠性高、价格适中。 1. 转子附加电动势实现转子变频调速当在转子回路引入附加电动势Ef时,转子电流因此转子回 路引入附加电势可以调节转子电流,进而调节电磁转矩大小,实现调速。 2. 转子附加电动势的产生转子变频调速系统中,附加电动势是由晶闸管有源逆变器和升压斩波器 共同产生的。晶闸管有源逆变器固定在最小逆变角,则UD固足,通过调节斩波器的占空比D即可调节转 子附加电动势UDR的大小,其关系表示为:UDR= (1—D) UD又根据变流技术理论,在忽略转子绕组压 降条件下:由以上推导可见,只要调节斩波器的占空比D即可调节电动机的转速。 内反馈高频斩波调速原理 由于串级调速是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现对等效电势的调节的。这种移相触发的 方法存在着功率因数低、谐波量大及可靠性低的缺点。斩波调速系统,是在原串级调速的基础上,增加了 斩波环节。斩波调速把逆变角固足在最小值,附加电势调节则由斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间 与斩波周期的比率(即占空比或PWM调制脉宽),来改变串入转子回路的等效电势的大小,从而改变转 子电流,达到调节电机转速的目的。将逆变器的控制角固定在较小的位置(如25°),这样可以使逆变器的 功率因数达到0.92。当使用逆变变压器将转差功率回馈至电网时,为外反馈式斩波调速。在电动机定子绕 组中同槽嵌放一个反馈绕组来代替逆变变压器,将转差功率通过反馈绕组及电动机定子回馈致电网时,为 内反馈式串级调速。 当然,内反馈斩波调速由于节省了逆变变压器,使得整个系统也更为紧凑、简单、可靠。制造斩波器 的电力电子器件选用可控硅(SCR),一般工作频率为300—600Hz。可控硅斩波属于第二代内反馈调速 装置。 由于可控硅(SCR)属于半控器件,自身不能关断,且工作频率低,现已经被IGBT器件替代。IGBT 绝缘栅双极型晶体管,属于自关断器件,工作频率2500 — 10000Hz,有优良的工作特性。由IGBT器件 构成斩波器的调速称为高频斩波调速装置,属于第三代内反馈调速装置。 内反馈高频斩波调速技术特点 具有良好的调速机械特性和节能特性。调速范围宽,无级,平滑。 由于内反馈调速只控制电机的转差功率,和变频调速相比,控制容量小(对于风机泵类负载,总控制容量 为电机额定容量的14.815%)。系统较为容易满足可靠性要求,特别是对大型电动机来说,造价和可靠 性就更具有优势 内反馈调速装置自身功耗小,效率高。变频调速功耗一般约占电机额定功率的5%左右,而内反馈调速装 置由于控制容量小,其功耗在电机容量的1%以下。 由于内反馈调速是在电机转子侧施加控制,和变频调速相比,其控制电压低、其电力电子器件承压低。备 件充分。 由于内反馈调速使用绕线式电机,能够方便有效的控制电机起动电流。 由于内反馈调速只控制电机的转差功率,和变频调速相比,控制容量小。调速装置的外型尺寸很小,便于 设备改造,占地小。 现代电力电子技术和计算机控制技术与传统内反馈调速理论相结合,使内反馈调速技术得以更进-步的发 展。如采用直流回路斩波控制技术,与传统移相控制相比,其谐波和功率因数等指标具有明显的优势。特 别是新型功率器件(如IGBT等)应用于斩波控制,使得系统性能指标进一步提高,系统也更为简单可靠。 采用内反馈式高频斩波调速系统时,由于反馈绕组加装到电机内部,省去了逆变变压器及相关的电气设备, 使得系统更为简单可靠。 调速装置造价低,标准配备检修回路,可以实现自动或手动切换直至旁路运行。具有独立的软启动功能。 内反馈高频斩波调速 由于串级调速是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现对等效电势的调节的。这种移相触发的方法 存在着功率因数低、谐波量大及可靠性低的缺点。斩波调速系统,是在原串级调速的基础上,增加了斩波 环节。斩波调速把逆变角固定在最小值,附加电势调节则由斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩 波周期的比率(即占空比或PWM调制脉宽),来改变串入转子回路的等效电势的大小,从而改变转子电 流,达到调节电机转速的目的。将逆变器的控制角固定在较小的位置(如25°),这样可以使逆变器的功率 因数达到0.92。 图2-8 SCR斩波调速原理(外反馈式) 当使用逆变变压器将转差功率回馈至电网时,为外反馈式斩波调速,其原理如图2-8所示。 在电动机定子绕组中同槽嵌放一个反馈绕组来代替逆变变压器,将转差功率通过反馈绕组及电动机定子回 馈致电网时,为内反馈式串级调速,其原理如图2-9所示。 当然,内反馈斩波调速由于节省了逆变变压器,使得整个系统也更为紧凑、简单、可靠。制造斩波器的电 力电子器件选用可控硅(SCR), 一般工作频率为300—600Hz。可控硅斩波属于第二代内反馈调速装置。 图2-9 SCR斩波调速原理(内反馈式) 由于可控硅(SCR)属于半控器件,自身不能关断,且工作频率低,现已经被IGBT器件替代。IGBT绝 缘栅双极型晶体管,属于自关断器件,工作频率2500-1 OOOOHz,有优良的工作特性。由IGBT器件构 成斩波器的调速称为高频斩波调速装置,属于第三代内反馈调速装置。其原理如图2-10、2-11所示。 内反馈串级调速 串级调速是在转子回路中,通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接,向转子回路提供一个由调速 装置控制和调节的等效电势,同时,通过逆变变压器将转子的转差功率回馈至电网。等效电势的调节是通 过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现的。其原理如图2-6所示。 当使用逆变变压器将转差功率回馈至电网时,为外反馈式串级调速,其原理如图2-6所示。 在电动机足子绕组中同槽嵌放一个反馈绕组来代替逆变变压器,将转差功率通过反馈绕组及电动机足子回 馈致电网时,为内反馈式串级调速,其原理如图2-7所示。 由于内反馈绕组代替了逆变变压器,同时也节省了相关的电气设备,使得整个系统更为紧凑、简单。串级 调速属于第一代内反馈调速装置。 图2-6串级调速原理(外反馈式) 图2-7串级调速原理(内反馈式) 串级调速的基本原理 由于电机的电磁转矩:(2-2) 其中:为转矩常数 为磁通 为转子电流 为转子功率因数 可见电机转矩与转子电流成正比。 转子电流为:(2-3) 其中:为转子感应电势 为转子电阻 为转子电抗 s为转差率 当在转子回路引入附加电动势时 (2-4) 此时■,电机等效电路可表示为: 图2-4.转子串入等效电势时等效电路 其中:为定子电压 为定子电阻 为定子电抗 为激磁电阻 为激磁电抗 为折算至足子侧的转子电阻 为折算至定子侧的转子电抗 s为转差率 当附加电势与转子