转子变频调速及内反馈技术与高压变频调速技术的比较.doc

转子变频调速（斩波内馈）与多级H桥串联方式高压变频器比较一、转子变频调速技术简介转子变频调速是晶闸管串级调速的一种改进, 主电路如图1。它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网,其原理如下：（1）定子绕组直接接至310kV电网。（2）转子绕组接4001000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。图1转子变频调速主电路斩波器的工作原理: 图2斩波器控制原理图斩波器控制如图2所示，斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，速度调节器的输出值作为转子电流的的设定值，电流调节器的输出外则控制斩波器输出波形的占空比，从而控制转子整流电压和转子交流电压，也就控制了电动机的转差率s，达到控制转速的目的。因为 ，通过改变占空比，也就改变了和与它相关的。由转子电压得，于是实现了调节转差率s，从而调节异步电动机的转速。二、斩波内馈调速技术简介采用内反馈电动机的转子变频主电路如图3所示，从原理上说属于斩波串调，只是逆变器为IGBT电压型PWM逆变器BI。绕线式异步电动机的定子内嵌有与转子最高逆变输出电压相适应的内反馈绕组，它具有转子正反馈作用。被控制电动机的转差功率直接回馈给电动机本身，增大了该电动机的出力，也节约了能源。此方案的原理基本上与上述典型的转子变频方案相同，但转差功率不回馈入电网，当然也不需要升压变压器。图2 采用内反馈电动机的转子变频主电路被调速的6kV或10kV高压电机的定子有2套绕组，一套定子绕组直接接6kV或10kV电网，另一套辅助绕组为变频器VF中的逆变器BI提供电源，把来自转子的滑差能量回馈至定子。风机和泵只要求向下调速，能量流的方向是从转子，经VF和辅助绕组返回至电网，所以变频器VF的接法与通常变频调速相反，二极管整流桥接转子绕组，PWM逆变器BI输出接50Hz电源，把直流母线电压VD变为固定频率和电压的交流电。电机转速变化(S变化)时，转子电压变化，整流电压UDR随之变化，但BI要求直流母线电压固定，故加设升压斩波器BC。设计BI的控制系统使其维持UD恒定，UDR=(1-D)UD，式中:D斩波器占空比。通过改变D就可改变UDR，从而实现调速，D减小，UDR加大，电机转速降低。这就是所谓的“转子变频调速”，更多称为“内反馈串级调速”。内反馈串级调速的介绍如下：内反馈串级调速系统由内反馈串级调速电机和与之配套使用的控制装置组成。内反馈串级调速电机是在国家标准系列绕线型感应电动机的定子上增设了一套三相对称绕组，称为调节绕组，而将原来的定子绕组称为主绕组，为保证合理的磁负荷，适当加长电机定转子铁芯，以保证有效的铁面积不变。因此属特制电机。内馈调速是通过将转子的部分功率（即电转差功率）转移出来，在电机定子上另外设置了内馈绕组，用来接受电转差功率，有源逆变器使内馈绕组工作在发电状态，通过电磁感应将功率反馈给电机定子。使定子的有功功率基本与机械输出功率相平衡，内馈调速因此而得名。内反馈串级调速使转子的净电磁功率发生改变，属绕线型感应电机转子串附和电势进行调速的理论范畴，在绕线型异步电动机转子回路中叠加一个与转子电势同频率的附加电势,通过改变这个附加电势幅值的大小和相位来实现调速。但在内反馈交流调速系统中,产生附加电势的附加电源是由电动机本身提供,而未被消耗的转差功率是反馈到电动机本身,而不象串级调速系统中其附加电源由电网通过逆变变压器产生,同时未被消耗的转差功率又反馈到电网。同时，调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用而产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。三、转子变频调速、斩波内馈调速装置与变频调速的比较的优势：由于转子变频调速、斩波内馈调速装置在电机的转子侧进行整流逆变等过程，所控制的容量仅为电机额定功率的30%左右，转子的工作电压一般低于1000V（若采用3300V/800A的IGBT,转子工作电压提高到1500V,做到3000KW/10KV电机），回避了定子侧的高压与大容量问题，所以成本较低、处理能量也低、处理电压也低是其最大优势，转子变频调速、斩波内馈调速在调速范围较小、功率较小时，价格上有优势。特别地内馈调速无变压器，占地面积相对又较小。四、转子变频调速、斩波内馈调速装置与定子变频调速的比较的劣势：1、 转子变频调速、内馈调速仅适用于绕线式电机，且内反馈方式必须更换增加内馈绕组的特制电动机；如果是普通电机节能改造，则需要加装逆变变压器。2、 存在调速范围窄(多为额定转数的50%100%)、低速特性变差、调速范围小（节能范围亦窄）；3、 电流谐波大(约5%，超过了国标限值4%，若采用内反馈电机的漏抗设计加大（成本增加）利用电机漏抗降低谐波电流，可勉强达到4。4、 转子变频调速或斩波内馈调速时不能实现软起动，启动需采用外加的软启动设备限流（一般1000KW以上采用水电阻启动，1000KW以下用频敏变阻器的居多）。5、 运行功率因数比变频调速低得多(特别转速降低越多差距越大，需加上补偿电容器和斩波技术，才达0.9)；6、 内馈调速节能效果在高速运行（90%额定转速以上）时是比变频调速效率高约24，转子调速由于需配置变压器，效率并无优势；特别在速度再低时这两种方式的实际效率低于高压变频调速系统；7、 有些技术落后的转子变频调速或斩波内馈调速其逆变器甚至还在采用可控硅触发逆变角调节，这样易造成逆变颠覆，造成设备严重事故等缺点，由此产生一些采用SCR逆变技术的需要复杂的“防颠覆保护技术” 以防止逆变颠覆。8、 转子变频调速或斩波内馈调速装置的一个通病就是当需要响应速度快时不能实现闭环控制,响应太慢，控制精度太低。 9、若封闭转子的接触器或者真空开关连锁失败时，会造成转子开路的严重后果，造成烧毁电动机和调速设备的毁坏性事故。五、转子变频调速、斩波内馈调速与多级H桥串联方式的高压变频器在几个主要方面比较l 对电机的要求转子变频调速须采用绕线式电机，并配备回馈电网的变压器；斩波内馈调速必须使用特殊的电机；高压变频器则可以使用任意的异步电机。特别是内馈电机制造工艺复杂，属于非标产品，维修时可能会比较麻烦，维修费用肯定比普通电机高，另外，转子上有滑环，维护工作量大；内馈调速系统在功率较大时，可靠性很低，与电机有一定的关系。高压变频器可以一带多运行，对于水泵类负载，常常需要在运行电机和备用电机之间进行切换，内馈调速电机不能满足此需要。转子调速的绕线式高压电机、内馈内反馈调速的高压电动机的转子必须是绕线式的，必须有三个滑环，增加了电动机故障。而由于转速较高时滑环的制造工艺复杂影响斩波内馈调速的功率做不大，例如做到1200KW时，如果转速要调到一半，则转子滑环上的电流超过1000A。这些增加了由于滑环故障导致的电动机故障与维护工作量与维修更换时间。l 功率因数高压变频器在整个负载范围内，电网侧的功率因数都在0.96以上，所以无需附加任何功率因数补偿措施。转子调速或斩波内馈的控制部分的功率因数可以达到0.9左右，但这只是系统功率很小的一部分，其电网侧的功率因数随着转速的下降而下降，低于异步电机本身的额定功率因数，调速系统的功率因数在0.5-0.7之间。用户可以购买补偿柜来提高功率因数，但是功率因数是随着负载变化的，补偿起来非常麻烦，这个问题在技术上没有很好的解决办法。l 谐波高压变频器，在电网侧采用多脉冲整流，电机侧采用多级PWM调制，使其电网侧的电流谐波小于4%，电机侧的谐波小于2%。内馈调速的变流器采用6脉冲整流和逆变，所以在转子绕组、变流器、内馈绕组存在谐波，定子绕组肯定会受到影响，其谐波情况比高压要差。l 效率高压变频调速与转子变频调速（内馈调速为转子串级调速的一种型式）都是技术界公认的高效调速方式。高压变频调速的效率一般在96%-97%左右。转子变频及内馈调速的效率不会比变频调速具有明显的优势，这是因为：（1）内馈调速须配置内馈绕组，电机的效率肯定低于标准异步电机；转子变频须配置回馈变压器产生额外损耗；（2）在调速运行中，有一部分能量在定子绕组-转子绕组-调速装置-内馈绕组之间循环；（3）系统的功率因数低，铜损大，效率低；（4）转子绕组、变流器、内馈绕组或回馈变压器均存在谐波，影响电机及系统的效率。（5）定子绕组与内馈绕组的耦合效率较低。目前，尚不能提供内馈调速系统的效率测试数据，宣称其效率高是没有依据的。l 调速范围高压变频器的调速范围是0-200%，全范围无级调速。转子调速或斩波内馈的每个斩波周期内，必须用1520%的时间留给关断电路充电。减小了导通比的可调节范围，电机调速范围减小。内馈调速的调速范围一般为70%-95%，95%以上就必须切换到工频运行。如果要增大调速范围，则价格优势不复存在，技术难度也将加大。l 调速精度变频调速可以精确调节电机的转速，误差在几转之内，无速度传感器矢量控制、直接转矩控制等空子技术更加保证控制精度与响应速度。转子变频条速或内馈调速依靠转子导出的功率来调节转速，两者之间的函数关系非常复杂，只能做到大致的调节，当需要响应速度快时不能实现闭环控制，响应慢，控制精度低，实际应用中与DCS自动控制的配合较难处理。l 启动方式高压变频器可以做到高压电动机的完全软启动。而转子变频调速或内馈调速在启动时必须额外采用软启动设备，如在转子串频敏电阻的情况下，启动电流仍旧可以达到额定电流的3倍左右，启动时必须先启动到工频，将启动电阻切除，再将变流器投入，然后进行调速，造成很大的麻烦，有些工况下这种操作是不允许的。l 断电方式高压变频器对操作顺序无特殊要求，在出现故障时，允许用户直接断开电网侧的高压开关，与以前未上变频调速时的操作相同；转子变频调速或内馈调速在停机时，必须先运行到工频，将变流器切除，再断开电机，直接断开电机是不允许的非正常操作，用户必须设计工艺过程满足这一要求。l 对电网的适应性高压变频器对电网有极强的适应能力，允许电网电压波动15%，电网电压跌落35%不停机，电网电压丢失5个周波继续满载运行，电网电压丢失3秒不停机；电网输入电源在掉电较长时变频器停止输出而电源恢复后采用转速追踪技术可无冲击再启动，避免瞬时停电造成的停机事故。内馈调速由于采用有源逆变部分，电网掉电会造成逆变失败，基本无法实现上述功能。l 发展趋势从国际与国内上看，高压变频调速是技术发展的趋势，转子变频调速或内馈调速仅是作为电力电子技术产品在高压应用技术不成熟前的过渡技术方案，在高压变频技术已经成熟的今天，以前生产、销售转子变频、串级调速、内馈调速的日本、德国企业现在都已转向高压变频调速，国内作为内馈调速最大厂商的哈尔滨九洲也只是将内馈调速技术作为过渡，现也已全面主推高压变频器。由此相比之下，内馈调速不是高压大容量电动机节能调速的方向，而变频调速的优势是明显的。斩波内馈与多级H桥串联方式高压变频器比较比较项目斩波内反馈调速单元级联式高压变频调速工作电压一般低于1000V，不超过1500V3kV、6kV、10kV等级电压控制功率电机额定功率的30%左右电机额定功率的100% 成本与价格中小容量具有价格优势，大容量则不明显大容量具有价格优势调速范围及调速特性调速范围窄(额定转数的50%95%)、低速特性差额定转数的0%120%)、全范围调速特性好适用电机功率中小容量（1000KW以下为主）大、中、小容量（20010000kW）占地面积相对较小相对较大（含变压器）适用电机特制内馈电机，维修时间长生产影响大普通鼠笼电机、绕线电机电流谐波47%0.95（额定功率20以上）节能效果90%额定转速以上时变频调速效率高约24，但低速时效率降低。20100输出时，效率在9097整流逆变器件可控硅、IGBTIGBT控制效果响应速度慢，控制精度低响应速度快，控制精度高控制难度需防止逆变颠覆、转子短路开关控制失灵造成毁坏性事故采用类似低压变频器的单元式多级串联，为成熟可靠的控制技术操作控制先运行到工频将变流器切除，再断开电机允许直接跳开关，与原操作顺序相同电网适应性电网掉电会造成逆变失败，无法启动旋转负载电机允许电网电源060秒中断，恢复后自