內循環式轉子變頻調速系統性能分析
2007-12-31 00:00:00徐勇
現代商貿工業 2007年11期
摘要：中壓6kV～10kV電動機，風機類負載的調速方式選擇，一直為大家所關注，從多層面分析了轉子變頻的優缺點，并將轉子變頻調速與中壓變頻調速的性能等各方面進行對比，從根本上分析調速方式選擇的合理性，從而為今后技術改造提供依據。
關鍵詞：內循環式；轉子變頻調速；系統；性能；分析
中圖分類號：TH文獻標識碼：A文章編號：16723198（2007）11027702
1風機、泵類負載常用的調速方法及對調速裝置的要求
異步電機的調速方法：由交流異步電動機的轉速表達式：
n=n1(1-s)=60f1p(1-s)式中：n ——電動機的轉速；n1——電動機的同步轉速；s——電動機的轉差率，與負載有關；f1——電動機定子電流頻率；p——電動機的極對數。
可知，交流異步電動機的調速方法可以歸納為：調電源頻率、調電機極對數以及調電機轉差率。其中，調電機極對數為有級調速，不適用于風機調速。因此，風機、泵類負載的調速主要為變頻調速和調轉差率調速。
風機、泵類負載對調速設備的要求：風機和泵類負載的調速以節能為主要目的，通常需要的調速范圍為(60%~100)nN，且對調速性能的要求不高。由于以節能主要目的，因此需要其經濟性好，即價格便宜、使用安全可靠、維護成本低、系統效率及功率因素高、對電網的諧波干擾小等。
2轉子變頻調速的發展及特點
轉子變頻調速曾作為近代重要的交流調速技術，獲得普遍的重視和廣泛的應用。但是，隨著近年來變頻調速技術的迅速發展，轉子變頻調速受到了很大的沖擊。除了理論上的誤導作用之外，轉子變頻調速技術在理論深入和技術改進方面存在的不足也是主要原因之一。
其實轉子變頻調速與變頻調速統屬高效調速，特別對于中壓（6～10KV）、中大容量風機、泵類負載的調速，由于轉子變頻調速回避了中壓電動機（6～10）KV定子電壓，而是從轉子低壓側控制電動機的參數；同時，由于大多數風機、泵類負載所需要的調速范圍較小，轉子變頻調速只控制電動機的轉差功率，且一般情況下，風機類負載的轉差功率小于電機額定功率25%。即可以概括地形容風機、泵類負載的轉子變頻調速，是以低壓控制高壓，以小功率控制大功率。這顯然符合風機、泵類負載對調速裝置經濟性的要求。下圖為內循環式轉子變頻調速系統的原理簡圖。
圖中，U1為轉子側變流器，對于低同步轉子變頻調速，其一般為三相橋式整流器；U2為電源側變流器，一般為三相全控橋式逆變器；L為續流電抗器；R為頻敏變阻器。
圖1內循環式轉子變頻調速系統原理簡圖
內循環式轉子變頻調速系統包括轉子變頻調速控制裝置及轉子變頻調速電機（亦稱串級調速電動機），其調速原理仍屬于繞線式異步電動機轉子回路串附加電勢進行調速的理論范疇，但該附加電勢不是通過與電網聯接的逆變變壓器提供，而是通過與定子繞組同槽嵌入的逆變繞組提供的，通過電源側變流器及轉子側變流器，將該電勢串入電機的轉子繞組，改變變流器的工作狀態，即改變串入轉子回路的附加電勢的大小，達到調速的目的。同時逆變繞組吸收電機的轉差功率，并通過與轉子旋轉磁場相互作用產生正向的拖動轉矩，從而使電機從電網吸收的有功功率減少，達到調速節能的目的。
內循環式轉子變頻調速與傳統轉子變頻調速的區別，一方面內循環式轉子變頻調速的轉差功率不是直接饋入電網，而是反饋回電機內部，使電動機的轉差功率只在定子與轉子間循環，且通過電機的磁勢平衡使定子繞組有功電流下降，從而使電機從電網吸收的功率減小，定子繞組中不再含有多余的轉差功率，克服了傳統轉子變頻系統轉差功率在定子－轉子－電網間的無謂循環傳輸現象（傳統轉子變頻調速系統包括轉子變頻調速控制裝置、繞線式異步電動機、逆變變壓器等，電動機從電網吸收的有功功率包括電動機輸出給負載的功率、電機轉速下降后的轉差功率，電動機通過轉子滑環輸出轉差功率，由轉子變頻調速裝置采用交-直-交方式由逆變變壓器逆變回電網）；另一方面，由于轉子變頻電動機逆變繞組具有與電動機定子繞組相同的結構，即分布、短距的特點，使逆變電流中的諧波電流在逆變繞組中的繞組系數相比基波繞組系數大為減小，從而抑制了由于逆變電流中的諧波電流對電網造成的諧波污染。而傳統的轉子變頻調速系統，轉差功率是通過逆變變壓器逆變回電網的，變壓器的集中繞組使逆變電流中的諧波成分毫無阻擋地進入電網，影響了電網的電力質量。
內循環式轉子變頻調速系統與傳統轉子變頻調速系統相比，不僅性能得到了提高，而且由于省卻了逆變變壓器，降低了系統造價，同時使系統體積大為減小。
為了克服轉子變頻調速系統功率因數比較低的缺點，可在轉子直流電路增設直流斬波器或在逆變繞組并聯內補償裝置。
斬波內循環式轉子變頻調速：轉子側整流器通過斬波器與逆變器相連，組成斬波式逆變器。斬波內循環式轉子變頻調速系統的調速是通過改變斬波器的占空比來實現的，其逆變器的逆變角取最小值β=30°，使逆變器的反電勢E3cosβ=0.866E3最大，通過調節斬波器的占空比，改變轉子回路的附加電勢的幅值，實現電機調速。由于逆變角取最小值，從而使逆變繞組中無功電流大大減小，提高了系統的功率因素。
圖2斬循環式轉子變頻調速系統原理簡圖
具有p、q、h控制的斬波內循環式轉子變頻調速：
眾所周知，SPWM的核心內容是以正弦波為調制波的方波列，其基波即為需要輸出的正弦波，當脈沖頻率達到一定值（一般在20KHz以下）時，輸出波形中只剩下基波和高次諧波。改變一個周期中各脈沖的起始位置、脈沖寬度及占空比，可以改變輸出波形的基波頻率、幅值和相位，也可以根據需要消除特定的諧波電流。
由現代瞬時無功理論，將三相瞬時電流矢量i→a、i→b、i→c 和三相瞬時電壓矢量u→a、u→b、u→c在三維平面對稱坐標系A-B-C中合并為合成電流矢量 和合成電壓矢量u→，由傳統有功電流和無功電流理論可知，其有功電流即為電流矢量在電壓矢量上的投影，無功電流即為電流矢量在電壓矢量法線上的投影。將三維平面坐標系A-B-C轉換成二維平面坐標系αβ，并將電流矢量與電壓矢量分解為α軸及β軸上的分量，從而很容易地計算出無功功率及有功功率，并通過二維到三維的逆運算，計算出各相電流的有功電流、無功電流及諧波電流的瞬時值。在轉子變頻調速系統中，可以通過檢測電動機高壓側的電流和電壓，控制三相橋式IGBT逆變器輸出脈沖的起始位置、脈沖寬度及占空比，一方面可以將轉子的轉差功率即有功功率輸出給電動機逆變繞組，另一方面，可以向電動機逆變繞組輸送容性無功電流和吸收諧波電流，從而使電動機工作在理想工作狀態。帶p、q、h控制的斬波內循環式轉子變頻調速系統如下圖所示。
圖3p、q、h控制的斬波內循環式轉子變頻調
速系統原理簡圖
3轉子變頻調速的機械特性
轉子變頻調速時，異步電動機氣隙磁通的電磁功率一部分轉化為電動機輸出的機械功率，即電動機的內功率，一部分被附加電勢吸收回饋電網，還有一部分為轉子銅損，表示為：
上式中：
Ω1——異步電動機的同步角速度；
ΔΩadd——由于附加電勢引起的角速度降；
ΔΩCu2——由于轉子銅損引起的角速度降；
Ωk——轉子變頻調速，在轉子串入附加電勢為 時的理想空載角速度。
由于，因而可以得到，轉子變頻調速時轉速表達式：
圖4轉子變頻調速的機械特征
實際上由于電動機轉速下降時，轉子電流的頻率將上升，使轉子漏抗增大，轉子回路功率因素減小，從而使電動機的機械特性相比固有特性變軟，同時，臨界轉矩下降。不過對于風機類負載的調速，這種機械特性的差別對風機的調速性能毫無防礙。總的來說，轉子變頻調速的機械特性與變頻調速相似。
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