及其功率控制原理
　　创始人： 屈维谦（中国）
　　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：
　　1 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。
　　2 逆变角不变和逆变器容量减小，提高了有源逆变的可靠性。
　　3 提高了系统功率因数（逆变器功率因数恒为0.9）。
　　4 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%。
　　5 减小内馈电机的体积和附加成本。
　　6 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：ZL 01 2 25301 .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