斬波內饋調速

斬波內饋調速及其功率控制原理
創始人： 屈維謙（中國）
摘要:
交流調速的所有方法都可歸結為電磁功率和損耗功率兩種控制方案，電磁功率控制改變的是理想空載轉速，調速是高效率的；損耗功率控制增大的是轉速降，調速是低效率的。
本文同時提出了一種新型交流調速——斬波內饋調速，通過功率控制調速理論證明，該調速與變頻調速遵循的是同一電磁功率控制原理。所不同的是變頻調速基於定子控制，而斬波內饋調速則基於轉子控制。
斬波控制比移相控制具有顯著的優點，本文介紹了專利技術自勵式晶閘管電流型斬波器的性能和特點。
理論和實踐證明，斬波內饋調速具有高效率、低成本等一系列優點，尤其在高壓大容量電機調速方面，優勢更為明顯。
關鍵字: 內饋調速 斬波控制 自勵式晶閘管斬波器 移相控制 功率控制 效率
電轉差功率
引言“斬波內饋”是我國首創的一種新型交流調速技術，通過近二十年的實踐探索和理論研究，斬波內饋調速在技術和理論上都取得了很大發展，實踐表明，斬波內饋調速具有效率高，成本低，功率因數高，諧波分量小等優點，不僅為我國的高壓、大容量風機泵類節能提供了一種經濟、高效的調速技術和產品，也為世界的交流調速填補了一項空白。
事實上，變頻調速與串級調速（包括雙饋調速及內饋調速）具有極為相似的調速性能，例如調速效率、機械特性等都很一致，但按傳統理論串級調速屬於變轉差率調速，被認為與變頻調速有著本質的區別。顯然，面對客觀事實，傳統電機學理論就值得探討了。
為此，作者提出了“交流調速的功率控制原理”（P理論），該理論表明，包括異步機在內的所有電動機，調速的實質在於功率控制。電機轉速是通過電磁功率或損耗功率控制得到改變的，所有電機調速方法都是功率控制原理的具體實施。斬波內饋調速和變頻調速同屬高效率的電磁功率控制，它們只有控制對象的不同，而沒有本質的區別。
1. 轉子電磁功率控制與內饋調速
1．1 轉子電磁功率控制調速原理
繞線型異步機的轉子是開啟的，可以通過電傳導對轉子直接進行電磁功率控制，實現高效率的調速。方法是從轉子口移出或注入電功率，以改變轉子的淨電磁功率，使理想空載轉速得以調節。轉子電磁功率控制與定子的控制相比有以下特點：
①定子電壓、頻率不變，主磁通亦不變。因此可以方便地實現恆轉矩調速，避免了定子控制調壓變頻的麻煩。
②可以通過轉子的低壓控制實現高效率的調速，迴避了定子控制的高壓問題。
③ 控制裝置的容量可以小於電機容量，根據調速範圍的需要具體確定，有利於降低成本。
④ 由於定、轉子的隔離作用，可以抑制諧波電流對電源的影響。
⑤ 缺點是電機存在滑環和電刷。
對於圖1的繞線型異步機模型
圖1 繞線型異步機模型
當在轉子的轉差功率連線埠引入附加的電磁功率時，轉子的淨電磁功率
， （1）
式中： 為定子傳輸給轉子的電磁功率，
為附加電磁功率（以下稱電轉差功率），
其值將隨 的方向和大小而改變。式（1）中的- 表示移出，而+ 表示注入，前者使轉子的淨電磁功率減小，後者則使其增大，注意不要把 理解成傳統電機學中的轉差功率 ，應該把 中的電磁功率和損耗功率區別開來，兩者性質不同，對調速的影響也不同，這裡將 稱為電轉差功率，它將改變異步機的理想空載轉速。此時異步機的理想空載轉速為：
。 （2）
可見，- 控制得到的是低同步調速，而+ 則是超同步調速。
1．2 內饋調速
低同步調速時，從轉子移出的電轉差功率饋入何處是調速的關鍵。傳統的串級調速及雙饋調速都是通過外附的變壓器回饋電網，所存在的缺點有三：
① 電轉差功率在系統中無謂的循環傳輸，沒有產生能量轉換，造成不必要的損耗，降低調速效率。
② 外附的變壓器使系統複雜、龐大，成本增高。
③ 回饋電網的諧波電流分量較大。
內饋調速就是旨在克服上述缺點提出的。
圖2的內饋調速傳統，異步機的定子上，附加了與原繞組相絕緣的內饋繞組（亦稱調節繞組），用來接受轉子移出的電轉差功率。內饋繞組在旋轉磁場的作用下，產生頻率為f1、幅值恆定的感應電勢E3。變流裝置使內饋繞組工作在發電狀態，把所接受的電轉差功率又通過電磁感應，反方向傳輸給定子原繞組，使定子的輸入功率減小，與機械功率相平衡，實現了高效率的無級調速。
內饋調速與串級調速同屬轉子電磁功率控制的調速，但和後者不同的是電轉差功率封閉於電機之內，而不是泄露於電機系統之外。結構上也不存在串級關係，因此不能稱為“內饋串級調速”，另外，以前將“內饋”稱為“內反饋”，與自動控制的“反饋”有混淆之嫌，故命名為“內饋調速”是較為準確的。
分析表明，內饋調速時的定子功率為
， （3）
其中： 為無內饋的定子功率， 為內饋繞組功率，
為機械功率， 為損耗功率。
定子輸入功率中不含電轉差功率，而隨機械功率變化，調速沒有產生額外的損耗功率。
內饋調速的範圍取決於內饋繞組電勢E3與轉子開路電勢E2之比，比值越大，調速範圍越寬。從電轉差功率的角度觀察， 越大調速下限越低，調速範圍越大；反之 越小調速範圍越小。 的大小取決於內饋繞組的感應電勢E3的量值，當E3=E2時調速可以從零開始。但無謂地擴大調速範圍將使系統成本有所增大，因此，對於風機、泵類等調速範圍不需要很大的負載，沒有必要把調速範圍設計得很寬。
內饋調速是基於轉子的電磁功率控制調速，與串級調速相比，由於加強了電機調速的內因，沒有外附的變壓器，而且定子不含無謂循環傳輸的電轉差功率，因此簡化了系統，提高了效率。
圖2 內饋調速的電機與系統
2. 內饋調速的斬波控制
2.1 移相控制的缺點
內饋調速控制時要儘量避免產生感性無功功率,否則將使內饋調速電機的激磁電流和激磁功率劇烈增大，定子原繞組和內饋繞組無功損耗增大，功率因數降低,嚴重影響電機的正常運行。
圖3的傳統移相控制變流電路中,有源逆變器通過改變逆變角控制電轉差功率。根據變流理論，逆變器功率因數
， （4）
當畸變係數μ近似不變時，功率因數取決於逆變角。忽略變流損耗，有 ，P3為內饋繞組的有功功率，且
。 （5）
於是，改變逆變角β就可以控制電轉差功率。移相控制的最大缺點是人為地產生感性無功功率Q3，即
。 （6）
在有功功率隨逆變角β增大而減小時，無功功率卻相應增大，使電機運行惡化。
移相控制的另外缺點是可靠性差。一是脈衝移相要求具有快速回響性，因此抗干擾能力降低（抗干擾強的脈衝電路必然具有大時間常數的慣性環節，這和快速回響是矛盾的）。二是逆變器電流等於轉子電流（I3=I2），換向重疊角大。增加換向難度。逆變器易發生顛覆故障。
圖3 移相控制的變流電路
串級調速和第一、二代的內饋調速，限於當時的技術條件，採用的都是移相觸發控制，逆變器承擔著頻率變換和功率控制的雙重任務，怎樣改進都難免顧此失彼，從根本上解決問題只能另闢蹊徑。
2.2 斬波控制的原理與意義
斬波控制是克服移相控制缺點的較好方法，斬波控制時，逆變角固定在最小值不變，電轉差功率通過改變逆變電流I3來控制。
圖4所示的斬波控制電路是在逆變器NB兩端並聯一個斬波開關K。
圖4 斬波式逆變器原理及等效電路
斬波器對功率的控制是通過改變電流平均值實現的。斬波器通常以恆頻調寬方式工作，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電流對功率的控制作用，就可以說明調速機理。斬波控制的電機調速等效電路如圖5所示。
圖5斬波控制的內饋調速電機T形等效電路
斬波開關工作時，斬波電流iM和逆變器閥端電流iN波形如圖6。
圖6 斬波與逆變直流電流波形
其中，斬波電流產生機械功率，逆變電流則產生電轉差功率。設斬波開關導通時間為t1，周期為T，斬波電流平均值為
。 （7）
令： ， 稱為占空比。
則 ， （8）
相應的逆變直流電流值為：
。 （9）
這樣，只要控制斬波開關導通時間t1就改變了占空比，也就改變了電機的機械功率和轉速。
如果從逆變器輸出角度觀察，轉速與P3的關係為
。 （10）
由於改變占空比即可控制反饋功率P3，因此實現轉速控制。斬波控制的優點為：
1 使逆變器和內饋繞組容量減小，最大值僅為電機容量的4/27。
2 逆變角不變和逆變器容量減小，提高了有源逆變的可靠性。
3 提高了系統功率因數（逆變器功率因數恆為0.9）。
4 減小逆變的電壓波形畸變和逆變電流的諧波幅值，使系統的諧波電流小於5%。
5 減小內饋電機的體積和附加成本。
6 提高了調速的控制精度、線性度和機械特性硬度。
3. 自勵式晶閘管斬波器晶閘管雖然不能門極自關斷，但具有大電流、高電壓、可靠性高等優點，迄今仍然是大功率變流電路的重點選擇器件。
晶閘管斬波器的技術關鍵在於關斷，通常採用電容儲能方式對斬波晶閘管實行強迫關斷。典型電路如圖 7。
圖7 他勵式晶閘管斬波的典型關斷電路
該電路的缺點是可靠性差，關斷損耗大。關斷電容由外附的整流電源充電，當意外擾動時，輔晶閘管KF1、KF2可能同時導通，造成整流電源短路。特別在小占空比時，這種現象極易發生，嚴重影響電路正常工作。另外，關斷電容的充電電流幅值很大，趨膚效應強，整流變壓器發熱嚴重，電路難以實用。
圖8 是作者設計的自勵式晶閘管電流型斬波電路（專利號：ZL 01 2 25301 .4 ），較好的克服了上述電路的缺點。其工作原理為：由輔晶閘管KF1-4和關斷電容C1構成自勵式關斷電路，其充電電源取自平波電抗器的輸出端，無需另設。在主斬波晶閘管KV導通之前，預先觸發KF1-2，使C充電，UC電壓被箝位在逆變電壓，充電電流降至零KF1-2自行關斷。然後觸發KV，斬波關斷時，觸發另外的輔晶閘管KF3-4，電容C放電，使KV關斷並反向充電，電路周而復始，完成了晶閘管斬波工作。
圖8 自勵式晶閘管電流型斬波電路
自勵式晶閘管電流型斬波器的優點有：
①不需要外附的充電電源，使電路簡化，效率提高。
② 關斷可靠性高，即使關斷橋臂直通，也不會產生短路現象。
③ 橋式關斷電路的每半周期都產生關斷作用，關斷頻率為斬波頻率的一半，有利於提高斬波頻率。
4. 結束語
斬波內饋調速是基於轉子的電磁功率控制調速，與定子調壓變頻調速相比，兩者只有控制對象的不同，沒有本質的區別，傳統電機學認為變轉差率調速一定不如變頻調速的觀點是錯誤的。
斬波控制實際上是數位化的功率控制，它較好地克服了移相控制的缺點，目前已成為電力電子技術的發展方向。把斬波技術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、產品可靠性高等一系列優點，使內饋調速取得了質的提高，也是第三代內饋調速產品典型特徵。
參考文獻
[1] 屈維謙.交流調速的功率控制原理[C] 北方調速論文集
[2] 陳伯時.陳敏遜.交流調速系統[M].機械工業出版社，2000.11