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内反馈高频斩波调速的原理和特点

 

【摘要】本文根据电机与拖动理论,讨论了斩波内反馈调速的转矩控制原理和功率传递关系。指出该调速系统具有控制电压低、控制功率小、可靠性高等特点,是一种高效、平滑的调速方式,节电效果十分显著。
 
一、前言
     长期以来,在电力、供水、供热、冶金、石油等行业大量使用的高压电机拖动的风机泵类等机械,其中大部分仍采用挡板阀门调节流量,节流损失很大,造成能源巨大浪费。高压电机斩波内反馈调速是一种高效调速系统,可取代传统的节流方式,并有十分显著的节电效果。
     该系统的调速控制装置已获国家专利,通过了国家建设部评估鉴定,经国家电控配电设备质量监督检验中心检测,各项指标均达到相关标准。有关技术在国内处于领先水平。系统具有优良的平滑调速特性和安全可靠、操作方便、功率因数高、性价比优等特点,可广泛应用于风机水泵等负载,是节约能源、提高企业效益的有效途径。
 
二、斩波内反馈调速原理
     斩波内反馈调速是在转子侧实施控制的调速系统。因转子侧电压明显低于定子电网电压,所以具有控制电压低、控制功率小、可靠性高等一系列优点。该调速系统的工作原理如图所示。
 
     由图可见. 转子电路主要由整流电路、斩波电路、有源逆变电路等部分组成。图中圆圈为内反馈调速电动机,它与普通绕线式异步电动机的区别是定子上有一个三相对称的调节绕组。调节绕组的主要作用是为有源逆变电路提供与定子绕组同频率的感应电动势,并将逆变后的转差功率回馈给转子加以利用。正是由于调节绕组的存在,使该电动机具有了内反馈的调速特性。
     转子电流经整流器整流后变换成脉动直流电流后再经过限流电抗器L1送到斩波器,斩波器是由IGBT元件和二极管,电容器等组成的,其中IGBT作周期性导通和关断动作,如图所示,在t1期间,IGBT关断。 

斩波器工作波形图
    
     当IGBT导通时,电动机转子电流被IGBT经由限流电抗器L短路(电抗器串联在整流器的输出端),其回路电流随时间斜坡上升,此时电机的转速也趋向于上升。当IGBT关断时,储藏在电抗器中的能量使IGBT两端的电压升高并经过二极管使电容器充电。由于斩波器后边的阻抗较大,所以转子电流将随时间下降,此时电机的转速也趋向于下降。电容器上的能量加到由SCR组成的有源逆变器,将电流重新变换成交流电并经过滤波器滤波后反馈到电动机定子的附加绕组。当IGBT不断地导通和关断时,转子电流平均值为ICP1,由此确定了电动机的转速为N1。当改变IGBT的关断时间为t2而周期时间不变时,转子电流的平均值达到ICP2,电动机的对应转速为N2。将IGBT导通时间与导通关断周期时间的比值用K来表示,并称K为占空比,可见当改变斩波器的占空比K时,可以改变通过斩波器回路的电流大小,从而改变了电动机的转速。如果斩波器IGBT持续导通,则转子电流达到最大值(其大小决定于负载转矩的大小),电机转速为最高;如果斩波器IGBT持续关断,转子电流被整流后全部加到逆变器并反馈到电动机附加绕组,这时电动机将具有最低的转速(最低的转速数值由转子绕组电压,反馈电压以及逆变器的逆变角等数据确定);这种方法,一方面当改变斩波器输出电压时,改变了电动机的转速,另一方面,通过逆变器将电动机的转差能量反馈到电动机的反馈绕组,从而提高了机组的效率。
     进一步分析得到调速装置工作时的速度表达式:
n = n0 [1-D2 ( U2 / E20 ) cos βmin ] --- (1)
其中:D2 ----为斩波器的关断占空比
E20 ----转子开路电动势(线电压)
U2 ----电动机反馈绕组电压(线电压)
n ----电动机转速
n0 ---电动机最高转速
βmin--- 最小逆变角30°电角
     由(1)式可以清楚看出,如果改变斩波器的占空比,可以改变电动机的转速,当关断占空比增加时,电动机转速下降;反之,电动机转速增加。这就是内反馈斩波调速的基本原理。
在逆变器中,β角被固定在一个最小值。
     当D2为1 时,就是斩波器一直关断,电动机达到最低转速,如下公式所示
n = n 0 [1- ( U2 / E20 ) cos βmin ]
     当电动机制造好以后,它能够达到的最低转速也就确定.
 
三、斩波内反馈调速特点
(一)系统运行可靠性高
     1.采用了DSP控制的全数字双闭环调节控制系统。通过现场调试和使用,速度响应快,动态性能好。对于负载的波动会有良好的跟踪响应,对负载的过流都有很好的保护作用。基于DSP电流闭环和速度闭环控制的高频斩波调速系统其可靠性、稳定性更高,是目前高频斩波调速最先进的控制方式。
     2.与高压变频器比较,采用IGBT元件的数量只有其十分之一,在相同元件质量的情况下,故障概率只有它的十分之一。
     3.所有元件工作在低电压条件下,元器件工作条件优越,所以可靠性高。
     4.独特的启动回路,保证电机启动电流小于额定电流的1.5倍。
     5.被控制功率只有电动机轴功率的25%-30%,更容易,对高压变频器而言,被控制功率是电动机轴功率的110%-125%,较难;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 ,控制电压低(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。
     6. 调速装置能适应电网电压突然波动的影响,如电压突然降落、母线快速切换(0.5-3秒)、频率变化等。
     7. 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。
     8. 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
     9. 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一步的发展。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。
     10. 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。
     11. 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。
     12. 抗电网干扰能力强,电网低电压、母线切换不影响调速连续性。
     13. 采用栅控板驱动的IGBT斩波器,无直通故障。
     14. 采用快速保护的SCR有源逆变器,逆变器过载能力强。
     15.控制电源采用三保一的方案,即380V低压控制电源;反馈绕组电源;直流母线电源共同对装置进行供电,在高压或低压断电或切换过程当中,都能保证装置有供电电源存在。
 
(二)调速装置性能优良
     1.  栅控板技术驱动的斩波器,工作频率2KHZ。
     2.  逆变器固定的36度逆变角,系统电流谐波含量小于3%。
     3.  特殊的故障对策,确保调速装置故障时,电动机转速平稳过渡到全速。
     4.  功率因数高。
 
(三)调速装置结构紧凑
    1.  装置的主要组成部分,整流器、斩波器、逆变器的元件充分整合,所以结构紧凑、维修方便。
    2.   装置的控制部分采用了PLC,DSP,HMI技术,也使得控制回路系统简单紧凑。
2009年5月4日
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