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斩波内馈调速及功率控制原理
斩波内馈调速及其功率控制原理
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,尤其在高压大容量电机调速方面,优势更为明显。
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
“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.转子电磁功率控制与内馈调速
1.1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:
①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。
②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。
③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。
④由于定、转子的隔离作用,可以抑制谐波电流对电源的影响。
⑤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
当在转子的转差功率端口引入附加的电磁功率时,转子的净电磁功率
,
(1)
式中:
为定子传输给转子的电磁功率,
为附加电磁功率(以下称电转差功率),
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。
此时异步机的理想空载转速为:
。
(2)
可见,-
控制得到的是低同步调速,而+
则是超同步调速。
1.2内馈调速
低同步调速时,从转子移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:
①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。
②外附的变压器使系统复杂、庞大,成本增高。
③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)
其中:
为无内馈的定子功率,
为内馈绕组功率,
为机械功率,
为损耗功率。
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
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。
图2内馈调速的电机与系统
2.内馈调速的斩波控制
2.1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)
当畸变系数μ近似不变时,功率因数取决于逆变角。
忽略变流损耗,有
,P3为内馈绕组的有功功率,且
。
(5)
于是,改变逆变角β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功率Q3,即
。
(6)
在有功功率随逆变角β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。
2.2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。
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。
设斩波开关导通时间为t1,周期为T,斩波电流平均值为
。
(7)
令:
,称为占空比。
则
,(8)
相应的逆变直流电流值为:
。
(9)
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)
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,最大值仅为电机容量的4/27。
逆变角不变和逆变器容量减小,提高了有源逆变的可靠性。
提高了系统功率因数(逆变器功率因数恒为0.9)。
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5%。
减小内馈电机的体积和附加成本。
提高了调速的控制精度、线性度和机械特性硬度。
3.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:
ZL01225301.4),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
自励式晶闸管电流型斩波器的优点有:
①不需要外附的充电电源,使电路简化,效率提高。
②关断可靠性高,既使关断桥臂直通,也不会产生短路现象。
③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.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,传统电机学认为变转差率调速一定不如变频调速的观点是错误的。
斩波控制实际上是数字化的功率控制,它较好地克服了移相控制的缺点,目前已成为电力电子技术的发展方向。
把斩波技术与内馈调速有机结合所形成的斩波内馈调速,具有功率因数高、谐波分量小、逆变器和内馈绕组容量小、产品可靠性高等一系列优点,使内馈调速取得了质的提高,也是第三代内馈调速产品典型特征。
参考文献
[1]屈维谦.交流调速的功率控制原理[C]北方调速论文集
[2]陈伯时.陈敏逊.交流调速系统[M].机械工业出版社,2000.11
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- 斩波内馈 调速 功率 控制 原理
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