（电气工程专业论文）内反馈调速电机的设计及应用研究.pdf

工程硕士学位论文 a b s t r a c t m o t o ra r eb e i n gu s e di nm a n ya r e a sa n d1 a r g eq u a n t i t i e si n o u rd o m e s t i c e c o n o m y ，t h ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o no fw h i c ha c c o u n t sf o r4 0 o ft h et o t a ln u m b e r c u r r e n t l y ，m o s to ft h em o t o r su s et h ev a l v e so rw i n d - p r e v e n t i n gs l a b st oa d ju s tn o 、， i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do fc h a r g ev a r i a t i o n ，w h i c hc a u s es e r i o u sw a s t e so f e l e c t r i c i t y ，a n dt h e r e f l o r es p e e d a d ju s t a b l ea n de n e r g y s a v i n gp r o d u c t sa r ei ng r e a t d e m a n d a m o n gt h e s ep r o d u c t s ，e s p e c i a l l yi nt h e s el o w v 0 1 t a g ea n ds m a l l c a p a c i t y m o t o r s y s t e m s ，f r e q u e n c y - c h a n g e a b l es p e e d a d ju s t a b l e a p p a r a t u s r e c e i v e s a c c e p t a n c ea n dl a r g ea p p l i c a t i o n w h i l ei nh i g h v o l t a g es p e e d a d j u s t a b l es y s t e m s ，i t i sh a r df - o rt h ef r e q u e n c y c h a n g e a b l ea n ds p e e d - a d ju s t a b l ea p p a r a t u st ob ep r o m o t e d a n da p p l i e di nl a r g es c o p e sd u et oi t sh i g hc a s t ，l a r g ev o l u m ea n dm a n yp r o b l e m s e x i s t i n gi ni t sa p p l i c a t i o n a n di n f 色r n a l 一f e e d b a c ks e r i e ss p e e d a d ju s t a b l ea p p a r a t u s m e e t st h i sv e r yr e q u i r e m e n ta n di sat e c h n o l o g i c a l l ya d v a n c e da n de c o n o m i c a l l y a p p l i c a b l eh i g h t e c hp r o d u c t ，w h i c hi sd e v e l o p e da n dm a n u f a c t u r e do nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a ls e r i e ss p e e d - a d j u s t a b l et h e o r i e s ， a n dh a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，c a p a b l eo fs m o o t h l ya d j u s t i n gs p e e da n ds oo n i tw i l ln od o u b ts a v ec o n s i d e r a b l ee n e r g ya n dc a nb ep r o m o t e di nl a r g es c o p e s t h o u g h a n a l y s e s o ft h e w o r k i n gt h e o r y o ft h e i n f e r n a l - f e e d b a c k s p e e d - a d ju s t a b l em o t o r ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a g n e t i ca n d s t r u c t u r a ld e s i g na n d e x p e r i m e n tm e t h o d so ft h ei n f e r n a l - f e e d b a c ks p e e d - a d j u s t a b l em o t o r f i n a l l y ， t h i s p a p e rc a r r i e s o nd e t a i l e dt e s ta n da n a l y s e so fs o m ef a c t u a l e x a m p l e s ，a n dd e m o n s t r a t e st h i ss p e e d a d j u s t a b l es y s t e m sc o m p l e t e l ya c c o r d sw i t h t h e d e s i g n i n gt h o u g h t s o ft h i st h e s i s ， a n dc o n t r i b u t e st ot h ea p p l i c a t i o na n d p r o m o t i o no ft h i ss e r i e so fm o t o r s k e y w o r d s ：a d j u s t a b l e - s p e e dm o t o r ， s a v i n ge n e r g yi nm o t o r ，s y s t e ma p p l i c a t i o n i i i - 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 名：岌i 季艰 嗍碲r 月丫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留产向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采影印、缩 印中扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密。 ( 请将以上相应方框涂黑) 剖参良 名暂缸 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 电机系统是把电机转换成机械能的普遍适用系统，主要由调速( 或调压或全 压) 控制传动装置一电动机一被拖动机械三大部分组成，为世界公认的耗电和节能 潜力大户，因此备受各国政府关注。为此，美国于1 9 9 8 年提出了“电机挑战 计划”，通过提高电机自身效率每年可节电2 4 6 亿千瓦时，占美国电动机耗电量 的4 3 ，采用调速等方法来提高整个电机系统效率节电潜力每年可达6 6 0 亿千 瓦时，占电动机总能耗的1 0 5 ，总的节能潜力为1 4 8 。日本科学技术厅曾发 表其资源调查所主任调查官关于调速技术的调查报告，称通过调速技术的广泛应 用，日本将在目前单位国民生产总值能耗已居世界最低谷的基础上再节能1 0 。 我国国家发展和改革委员会今年启动了“十一五 国家十大重点节能工程， 电机系统节能工程是其中之一。2 0 0 7 2 0 0 8 年将全面启动电机系统节能工程的 各项工作，规划在重点用电行业节电改造示范的基础上，推广到有改造行业，每 年改造5 0 0 万千瓦，形成年节电能力5 0 亿千瓦时；推广先进电机调速技术，改 善风机、泵类电机系统调节方式，实现电机系统运行提高2 个百分点。电动机系 统是一个面大量广的应用产业。2 0 0 5 年各类电动机总装机容量约为4 2 亿千瓦， 年耗电1 0 0 0 0 亿千瓦时以上，约占全国用电量的6 0 ，运行效率比国外先进水平 低1 0 2 0 个百分点，相当于每年浪费电能约15 0 0 亿千瓦时。2 0 0 5 年我过电动 机年产量约围4 5 0 0 万千瓦，平均效率比发达国家底2 3 个百分点。电动机拖动 系统效率比发达国家底1 0 3 0 个百分点，相当于国际2 0 世纪七、八十年代的水 平。 我国电动机系统节能技术心叫3 与装备水平距离节能目标相差很远，采用调速 电机系统仍为少数，不到总量的1 0 。我国风机、泵类电机基本是通用常规类型， 还没能形成调速系列3 。在耗电的各类负载中，风机、泵类分别占全国用电量的 1 0 4 及2 0 9 ，而且还存在着巨大的电能浪费。造成这种状况的主要原因是： 许多风机和水泵处于开环、恒速、全天2 4 小时连续运转状态。这些设备都是根 据运行中可能出现的最大负荷条件选择的，而实际工作时所需的功率值往往比设 计值小很多。又因风机、水泵设备的传统调速方法是通过调节入口或出口挡板( 或 阀门) 的开度来调节风量、给水量，其输入功率大，能耗消耗严重。7 3 。 内反馈调速电机的设计及应用研究 1 1 2 意义 由于现代工业不断向自动化、高效率方向发展，在社会各个领域合理地提高 能源的利用效率是当前世界各个国家面临的重大课题阳3 。如我国的初钢吨耗几乎 比日本、德国高4 0 5 0 ，电能利用率低2 0 3 0 。因此，提高节能水平，具有 巨大的经济和社会效益。据统计，将大功率风机或泵类从恒速传动改为变速传动 平均节能约3 0 ，并且能优化工艺过程，既可以提高产品产量和质量，又减少了 设备维修，效益巨大。 内反馈调速系统作为一种节约能源型产品阳。1 们，在2 l 世纪必将更加符合人 类对生产和环境的要求。随着电力电子技术的不断发展，产品不断改进，概念的 深入，市场的拓展，它将显示出更大的发展空间，展示出巨大的社会意义和经济 意义。国家对于节能、增效等方面的宣传以及在信贷支持、鼓励市场等方面采取 的措施，势必影响用户企业对于调速设备的实际需求。 内反馈调速装置投资少，见效快，产品适销对路，符合发展方向，市场需求 量十分可观n5 1 。据国家经贸节能司信息中心统计，高压交流调速节能的市场每 年15 0 0 亿元。目前大多被国外高压变频所垄断，而内反馈调速的异军突起，不 仅将打破这一格局，而且必将进入国际市场，其社会和经济效益是不可低估的， 前景十分美好。 1 2 内反馈调速电机的研究概况 1 2 1 内反馈调速技术的发展过程 内反馈调速是在串级调速的基础上发展起来的n 。串级调速的种类很多， 常用的有以下两种方式( 根据转差功率吸收利用方式) ：一种是机械式反馈机组 串调系统，又称克莱默( k r a m e r ) 系统，这种方法早在2 0 世纪5 0 年代就获得了 应用。该方式即是最原始的串级调速方式卜1 9 1 ，源于英语“c a s c a d ec o n t r o l ”， 意为“级联控制”，系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联结所形成的 调速，该系统由绕线式异步电动机、直流电动机及整流回路组成心0 。该调速装 置具有恒功率调速特性，效率和功率因素高，但系统增加了一台直流电动机，使 结构变得复；主电机需采用双轴伸，且直流电动机有换向器及电刷，增加了维修、 检修的工作量。因此这种方法目前很少使用心卜2 引；另一种称为电气串级调速系统， 或称为晶闸管串级调速，又叫静止谢菲尔毕斯( s c h e r b i a s ) 系统，该系统般 由绕线式异步电动机、异步电机转子一侧的整流器、电网侧的晶闸管逆变器、滤 波电抗器、逆变变压器和控制回路组成。通常，晶闸管的逆变角b 的变化范围在 2 5 。9 0 0 之间，这就决定了串级调速的范围心4 。2 引。这对于大容量的异步电动机， 有利于其在低速状态下节约大量的电能。 工程硕士学位论文 由于电动机的转子电流为非正弦波形心7 1 ，其高次谐波成分不产生有效功率， 而且逆变器的逆变换向也要从电网中吸取滞后的无功功率，因此，该系统的功率 因素较低。同时，转子电流的高次谐波通过定子反馈到电网，逆变器和整流器在 工作中的相电流由于是间隙电流，包含着一定分量的高次谐波，对电网产生一定 程度的谐波污染心8 。3 引。虽然加装逆变变压器可以减少耦合到电网交流电的谐波分 量，但由于逆变变压器是集中绕组，并不能很有效的抑制谐波。 晶闸管串级系统最终将转差功率以电能的形式反馈到外部电网的，并且附加 电势是由系统通过外部变压器变压后提供的，可称为外反馈技术4 3 引。6 0 年代 末期，我过一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验，7 0 年代后期，西安整流 器厂首先推出了系列产品，以后其它厂家也相继推出了系列产品。1 9 8 4 年，当 时的机械工业部发布了串级调速装置的电工专业标准口 。1 9 9 0 年国家技术监督 局批准了半导体变流串级调速装置的国标( g b l 2 6 6 9 0 ) ，规范了这类装置的设计、 试验要求。国内最先是由屈维谦提出内反馈串级调速方案的，时间是在8 0 年代 后期。但内反馈串级调速系统真正推向市场则是北京长城机电( 集团) 公司组织 杀害电机厂等单位的专家通过论证实验才得以实现的。不久哈尔滨九州公司、河 北保定公司紧随其后。这时采用的是一种新的串级调速设备一一内反馈电机+ 晶 闸管( 或可控硅) 斩波串级调速问世8 4 ，许多传统串调的缺点被克服，使该设 备得到广泛应用。该系统的优点是无论转速高低，逆变器都工作在逆变角为3 0 。，维持最大逆变电压不变，逆变器的容量和电机调节绕组容量都按转子最大输 出功率计算，大大小于传统串级调速，但功率因素偏低，在定子电流中存在较多 的逆变器产生的5 、7 次谐波及整流产生的低频谐波。 9 0 年代中期以后，随着电力电子技术和控制策略的发展，新的拓扑结构和 控制策略被不断提出，用i g b t 构成p w m 整流器代替原有的晶闸管( 或可控硅) 逆变器h 2 。4 3 1 ，它结合p w m 整流技术和串级调速技术，在保留串级调速优点的同时， 又利用了p w m 整流器的优点，不仅可以使逆变器侧电流近似正弦，减小谐波，提 高功率因素，甚至还可以向电网提供容性无功，用于补偿串级调速系统产生的无 功，从而提高整个系统的功率因数，也克服了原有系统存在逆变颠覆的缺点h 4 | 。 到目前为止有上海南征、上海科祺、保定北方、西部调速、河北泰达、北京内达 等七、八家公司生产高压大功率内反馈串级调速系统。 1 2 2 技术创新性 内反馈串级调速电动机是在国家标准系列( 次系列和j r 系列) 绕线式转子 电机的设计基础上，在定子侧的原定子绕组嵌放另一套绕组，调节绕组嵌放在定 子上，与定子绕组同槽，但在电气上是互相绝缘的h 5 叫引。调节绕组在旋转磁场的 作用下，产生感应电势，用来接受从转子益处的电转差功率，调节绕组本身工作 内反馈调速电机的设计及应用研究 在发电状态，把这部分功率通过电磁感应传输给定子，传输方向恰好与电动状态 相反，因此抵消了定子的部分有功功率，使电机自电网的输入功率得以改变，从 而改变转子的机械输出功率。 内反馈调速电机与普通绕线式电机的最大区别在于：调速电机在定子侧具有 两套绕组，一套是主绕组，与电网相联结，从电网吸收能量h7 | ；另一套绕组称 之为调节绕组，为转子提供附加电势源，同时回馈转子的转差功率，因此内反馈 电机的调速属于附加电势的串级调速范畴h8 1 。内反馈电机在定子绕组中增加了 一套调节绕组，取消了向电网输送能量的逆变变压器，从物理结构上，可以理解 为将外接变压器绕组转移到电动机定子侧。内反馈调速电动机是通过改变电机的 轴功率( 即机械功率) 来实现的，当电动机轴功率增大时，转速升高，反之转速 下降。内反馈调速是将转子的部分功率( 即电转差功率) 反馈给电动机定子调节 绕组，转子反馈给调节绕组的功率越多，电动机的机械输出功率越少，转速就越 低。调节绕组因电磁感应而产生电动势，用以接受转子中反馈的转差功率，调节 绕组处于发电状态，抵消了定子绕组的部分有功功率，从而达到调速、节能的目 的49 | 。 内反馈电机调速方案在技术上还是属于附加电势的串级调速范畴，但是由于 取消了普通串级调速中的逆变变压器 3 4 ，不仅减少了调速装置的占地面积，调 速系统更紧凑简单，同时也带来了其他方面的好处。众所周知，电力电子装置会 产生大量的谐波污染，如何以为经济的手段来抑制谐波造成的危害，是电力电子 装置的设计者必须考虑的事情。与串级调速，内反馈电机调速制谐波污染方面具 有独特的优势。由于调节绕组在电机定子糟中是分布嵌线的，绕组短距和分布的 结果会大大减少谐波电流对定子电流的影响。因此虽然转子和调节绕组中存在谐 波电流，但谐波磁势却很小。而普通串级调速中的变压器绕组是集中绕组，其绕 组系数为1 ，起不到抑制谐波的作用。 电动机调速装置从电动机转子引出的转子电动势，经整流输出，通过斩波器 进行脉宽调制升压，然后通过逆变装置，将电动机转差功率反馈到电动机的调节 绕组。其中关键技术就是斩波电流控制，传统的变流控制采用移相控制方法，致 使产生大量的感性无功功率和次谐波电流。斩波控制从根本上解决了移相控制的 缺点，逆变器的相角恒定，通过电力电子斩波开关的通断，控制反馈功率的大小。 另外斩波控制可使电机的调节绕组容量仅为电机额定容量的1 5 左右。斩波控制 更为可贵的是使控制可靠性大为改善，诸如瞬时停电、过压保护等难以解决的问 题都可以通过斩波开关顺利得以解决。 1 2 3 各种常用调速方式的比较 变极调速 工程硕士学位论文 变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速 的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p 是整数，他不能实现平滑 调速，只能有级调速。在供电频率f = 5 0 h z 的电网，p = 1 、2 、3 、4 时，相应的同 步转速n 。= 3 0 0 0 1 5 0 0 7 5 0 r m i n 。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式完成 的。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变 极对数来调速的笼型电动机，提出称为多速感应电动机或变极感应电动机。 多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路简单，容易维护，对 电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的 使用范围。适合于按2 3 档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷， 有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。 电磁离合器调速 电磁转差离合器由主动部分电枢和从动部分感应予组成，其调速功能是通过 调节感应子励磁电流的大小，改变气隙磁感应强度，从而改变感应子从动轴的电 磁转矩来实现调速。 因此，在某一恒定转矩下，励磁电流发生变化时，转速发生变化，调速范围 很小，切非线性严重，励磁电流损失都转化为热耗，属于低效调速方式，一般用 于低压电机、功率不大的场合。 液力耦合器调速 高压电机领域中传统的调速方式是采用液力耦合器，但这种调速方式能耗 大、效率低。其原因是存在严重的耦合损失和转差损失。耦合损失是由于液压油 内摩擦造成的；转差损失是由于调速时输出轴和输入轴存在转差造成的，这种损 失随转差的增加而上升，即效率t l = 卜s ，其中s 为转差率。这两部分损失最终都 变成热损失，此外，这种调速方式还有如下缺点哺0 1 ： ( 1 ) 受执行机构和液压机构限制，调速精度差，同时还存在严重非线性，只 有在1 5 8 5 间是调节线性区，即使在这区间，仍存在增速与减速逆差间隙， 造成自动系统很难投入运行； ( 2 ) 运行不可靠，国内已有多起由于液力耦合器叶片破损造成事故的先例， 其主要原因是液力耦合器制造精度难以提高； ( 3 ) 采用调速方式需要一整套油系统，维护工作量大。 变频调速 变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调 速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。变频调速系统的关键装置是频率变换 器，即变频器，由它来提供变频电源。变频器可分我交一直一交( 交流一直流一 交流) 变频器和交一交( 交流一交流) 变频器两大类。 变频调速的优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速， 内反馈调速电机的设计及应用研究 动态响应速度快，调速精度很高，操作简便，且易于实现生产工艺控制自动化。 内反馈调速与变频调速相比具有以下优势： ( 1 ) 内反馈调速的控制在转子侧，转子电压较低，因此，不受三相电源电 压的限制，易于控制实现高压电机的调速。而变频调速，则需直接承受电源电压， 变频调速装置用于高压电动机时，就需要增加变压器，不但费用增大，效率也降 低。 ( 2 ) 内反馈调速的控制装置容量，可以按需要的调速比，在小于电动机额 定容量的范围内选择，而变频调速的控制装置是与电机串联的，必须等于或大于 电动机的额定容量，因而前者更经济。 ( 3 ) 由于定转子的隔离作用，内反馈调速对电网的谐波影响，远远小于变 频调速对电网的谐波影响。 ( 4 ) 内反馈调速装置价格低廉，只有高压变频调速装置的三分之一左右， 对于风机和水泵这类调速范围不是很宽的机械类设备，内反馈调速装置优势尤为 明显。 1 3 内反馈调速电机应用概况 随着我国第十个五年计划的完成，风机、泵类负载广泛应用于国民经济的各 个行业，装机容量逐年增加，产值耗能成为世界最高的国家之一。“十一五”节 能规划的目标是提高主要耗能产品的能源利用率和单位能源消耗所创造的经济 效益，并提出了十大重点节能工程。国家电动机调速技术产业化途径与对策的 研究统计表明，风机、水泵的应用范围极广涉及市改供水、电力、煤炭、石油、 化工、造纸、建材等多个行业，发电总量的6 6 消耗在电动机上。截至2 0 0 5 年 底，我国具有各类风机约7 8 0 万台，水泵4 0 0 0 万台，空压机5 6 0 万台，这些装 置又占去电机耗电一半以上。3 k v 以上高压电机总容量是1 4 4 亿k w ，并且每年 以5 0 0 万6 0 0 万k w 的速度增长。如果其中三分之一的电机( 3 5 ) 需要调速， 今后1 0 年就有2 1 亿k w 3 5 = 0 7 4 亿k w ，如果按照1 0 0 0 元k w 的价格计算， 未来十年的市场总额大致应在10 0 0 o 7 4 亿k w = 7 4 0 亿元，考虑价格等其他因素 实际总额在8 0 0 亿9 0 0 亿元之间，年平均数应在8 0 亿9 0 亿元人民币，当然这 是市场稳定之后的年平均市场容量。如果在政府有关部门和相关行业的支持下， 每年有计划的改造5 0 0 万6 0 0 万k w 的低效风机、水泵，平均年投入7 0 亿8 0 亿元，当年可产生直接经济效益5 0 亿6 0 亿元，占投资总额的7 0 ，而该类设备 的使用期限至少为15 年，长期经济效益十分明显。 具有代表性的行业及采用调速节电需求的主要有： 市政供水行业。以给水泵调速经济运行最为突出。目前我国6 0 0 余个各 级城市中，各自来水公司的产量是以电能消耗为代价来换取的。自来水行业的 工程硕士学位论文 节电改造总量不少于3 0 万k w ，价值约为2 亿元。 电力及石油行业。电厂耗电一半占发电总量的8 1 2 ，国内电厂中2 0 万3 0 万机组的近百家，每套机组至少配套送引风机4 台，而水泵多为1 2 5 0 k w 的循环水泵，单机容量1 2 5 0 2 2 5 0 k w ，总需求约为5 0 万k w 。我国的风机、水泵 调速需求量为6 0 0 万k w ，仅在电力行业，就需投资1 4 亿元，其中尚不包括旧 设备改造。 随着电厂和各行业节能改造的进行，利用电机调速节能己成为辅机节能改造 的重点。斩波内反馈调速是我国首创具有国际先进水平的新型高压交流调速技 术，与高压变频调速相比，具有效率高、成本低、可靠性高等突出优点，是高压 分机、泵类节能调速的最佳选择。斩波控制与内反馈调速电机的完美结合在理论 和实践上都被公认为是最佳调速方案。斩波式内反馈调速是目前高电压交流调速 效率最高的新技术，是高电压、大容量风机和泵类节能调速的最佳选择。 内反馈调速装置系统的造价较低，通常价格只有变频调速的三分之一左右， 优良的性能价格比，使之在相当多的节能应用场合，可以取代变频调速，为电厂 减少投资。以l 0 0 0 k w 电机为例，采用变频调速的设备投资为2 0 0 万元左右，采 用内反馈的投资可节省1 0 0 万元，其性能价格比非常优越。从生产角度讲，每套 调速系统( 包括电动机和调速控制装置) 节电效率高达5 0 6 0 ，按每年运行 6 0 0 0 h ，每度电0 2 5 元计算，每年可以节约电费6 7 4 4 0 元，2 年就可以收回成本。 随着人们节能环保意识的加强，相信斩波式内反馈调速装置的需求将越来越大， 获得的经济效益也将是可观的。 综上所述，生产内反馈调速电机及内反馈调速装置，投资少，见效快，产品 适销对路，符合发展方向，市场需求量十分可观。据国家经贸委节能司信息中心 统计，高压交流调速节能的市场1 5 0 0 亿元。目前大多数被国外高压变频所垄断， 而内反馈调速的异军突起，不仅将打破这一格局，而且必将进入国际市场，其社 会效益和经济效益是不可低估的，前景十分美好。 1 4 论文的主要内容 本课题是根据用户的需求开发出来的。本文以内反馈调速电机为研究对象， 在分析内反馈调速电机的基本原理的基础上，深入的研究了内反馈调速电机的电 磁设计与结构设计，并用电磁计算软件对内反馈调速电机进行了实际计算，同时 对电机应用原理进行了详细的分析，最后用实际案例对内反馈电机理论研究进行 验证。具体研究工作包括以下部分内容。 绪论 首先阐述了内反馈调速电机研究的历史背景及意义，然后详细介绍了内反馈 调速电机的发展概况及研究现状，最后介绍了内反馈调速电机的应用概况。 内反馈调速电机的设计及应用研究 内反馈调速电机运行理论分析 首先分析了内反馈凋速电机的工作原理，详细推导了内反馈调速电机的功率 关系，然后介绍了内反馈调速电机紧密相连的内反馈调速控制系统的结构及原 理，内反馈调速电机通过该控制系统进行调速节能运行。 内反馈调速电机的电磁及结构设计 合理的电磁与结构设计必须既达到设计的最佳性能要求，又确保生产的可行 性。通过理论分析，导出了部分计算公式。 内反馈调速电机的应用 详细地分析了内反馈调速电机驱动可调速负载的节能原理及实际节能案例。 工程硕士学位论文 第2 章内反馈调速电机运行理论分析 2 1 内反馈调速电机调速原理 2 1 1 概述 内反馈调速电机是近十几年来出现的一种新型的绕线电动机，是专为内反馈 交流调速装置而设计的特种绕线电机。由于内反馈调速与传统的串级调速相比， 具有很大的优越性，避免了转差功率在电机定子绕组、转子绕组、整流逆变装置、 逆变变压器和电网中的无谓循环现象，而且在大、中容量，尤其是在高压情况下， 还具有变频调速无法比拟的优势，因此，发展十分迅速。 内反馈调速电机定子比普通三相异步电动机增设了一套三相对称绕组，用 来接受从转子反馈回来的能量，称之为调节绕组，将原来的定子绕组称为主绕组。 内反馈调速电机和普通绕线电机具有相同的规格和安装尺寸。当电机接通电源 时，通过旋转磁场的感应作用，调节绕组产生感应电动势，其数值为： = 4 4 4 彳虬k 调。 ( 2 1 ) 式中 7 ：电源频率 ，调节绕组的串联匝数 k 调调节绕组的绕组系数 电机主磁通 这是一个恒频恒压源。 对于三相异步电动机，由于随着转差率( 即电机转速) 的变化，电机转子 频率也将改变。为了使电机获得调速，必须使最。反映给转子绕组的附加电势与 转子电势保持同频率，并且大小可以调节。因此在调节绕组和转子之间需要串接 整流逆变装置。调节绕组在为转子提供附加电势的同时，吸收转子的转差功率， 然后通过电磁感应的方式，将这部分功率传输给定子绕组。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成正比变化。因此，我们将这种转 差功率通过整流逆变装置反馈给电机内部( 而不是电网) 的电动机，称之为内反 馈调速电动机。 由此可见，内反馈调速电动机是一种能够自身产生附加电势源的特种三相 异步电动机。其调速原理为：将电机的转子绕组通过整流逆变斩波装置与定子上 的调节绕组相连，使之能够产生功率交换。如果整流装置采用不可控电子器件， 则功率只能从转子传递给调节绕组，即电机只能完成低同步调速。由于风机和泵 内反馈调速电机的设计及应用研究 类负载一般调速都从额定转速往下调，所以在调速中采用不可控整流器件即能满 足要求。内反馈调速电机在调速过程中，除机械功率和基本铜耗以外，转差功率 在电机内部传输平衡，因此是一种封闭保守的电磁系统。 2 1 2 内反馈调速电动机的功率关系 内反馈调速电动机不同于普通的电动机，他的转差功率通过调节绕组直接 反馈回主绕组，不仅没有使转差功率形成热损耗，反而减少了主绕组从电网吸收 的功率，电机调速流程图如下所示： 从图中可以看出，内反馈调速电机主绕组从电网的吸收功率，即主绕组的 有功功率只等于调节绕组和转子绕组上各种损耗功率之和。即： & = & + 岛+ 岛 ( 2 2 ) 式中 见转子绕组的电磁功率 只冒调节绕组的电磁功率 见铁耗、铜耗以及其它损耗之和 内反馈调速电机调速流程图 按照电动机惯例及电磁功率的能流方向，电磁功率中，吸收电能为正，释 放电能为负。显然，转子电磁功率、损耗功率为吸收功率，应取正号；而调节绕 组的电磁功率为释放电能，应取负号。如前所述，调节绕组作为附加电源，在低 同步转速时吸收转差功率而使其处于发电状态。因此，只为负值，为方便理解 取其绝对值，于是上式可改写为： b = 乓一岛+ 岛 ( 2 3 ) 又因转子绕组的电磁功率为机械轴功率与转差功率之和，即 嚷= r + 层 ( 2 4 ) 则上式变为： 4 = 只+ 足一岛+ 岛 ( 2 5 ) 因转子与调节绕组的转差功率传输损耗很小，只= 只目 则： 4 = 异+ 弓 ( 2 6 ) 上式表明，内反馈调速电动机的输入功率为机械功率与损耗功率之和，如果忽略 各种损耗，则近似与机械轴功率只相等。 工程硕士学位论文 另外，电机定子从电网吸收电能后，一方面要建立主磁场，另一方面要通 过电磁感应，以电磁功率的形式将能量传输给转子，再由转子将电磁功率产生的 机械功率通过转轴驱动机械负载。已知内反馈调速电动机的机械轴功率咒与电 磁转矩丁以及机械角速度q 之间的关系为： 咒= m ( 2 7 ) 吼 q = ( 2 8 ) 可见，内反馈调速电动机转速受控于机械轴功率和电磁转矩。己知电机稳定运行 时，须满足转矩平衡方程式： 丁= l ( 2 9 ) 式中l 负载转矩 即电磁转矩必须等于负载转矩。众所周知，对于恒转矩负载，负载转矩是客 观存在的，它只属于自身的属性，而与转速无关。显然，内反馈调速电动机的电 磁转矩是不能随意改变的。虽然电磁转矩在调速过渡过程中是变化的，但这是由 于内反馈调速电动机的功率变化和惯性定律作用的结果，所以其转速只受控于机 械轴功率咒。 这样，随着负载所需要的机械轴功率的变化。主绕组从电网吸收的有功功率 也做相应的改变，转速也相应改变，达到调速节能的目的。 以上分析虽然基于恒转矩负载，但同样适用于风机、泵类负载，只不过对于 风机、泵类由于转矩随转速的平方率变化，而转差功率与转速的三次方成比例。 因此，输入功率与电机转速不再保持严格的正比变化，但变化趋势仍然不变，即 随着转速的升高或降低，输入功率也相应增大或减少。 2 1 3 内反馈调速电机效率与普通绕线式异步电机串级调速系统效率 的比较 内反馈调速电机是一种高效率的机电能量转换系统，其效率比普通异步电 动机要高。这主要是内反馈调速电机的定子结构上调节绕组的存在，省去了串级 调速系统中的逆变变压器，相应地省去了逆变变压器的原边损耗和激磁损耗。下 面就普通绕线式异步电动机串级调速系统的效率和内反馈调速系统的效率作一 下比较。 普通绕线式异步电动机串级调速系统的效率 设电动机定子铜耗和铁耗为吃1 和屹，则通过电磁感应输给电机转子的功率己 为： 内反馈调速电机的设计及应用研究 乙= b 一吃。一兄 电动机轴端输出功率： r = ( 1 一l s r ) m ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 轴端输出功率扣除摩擦损耗易和杂散损耗匕后得到电动机净输出功率只 最= 气一易一匕 ( 2 12 ) 转差功率b 为：b = 吆 ( 2 13 ) 转差功率扣除逆变回路各部分损耗足( 包括转子铜耗、整流器的总损耗、 平波电抗器的损耗以及逆变器和逆变变压器的损耗) 后，经逆变变压器网侧输回 给电网的功率弓为： 尸，= b 一 ( 2 1 4 ) 整个系统从电网吸收的功率尸为： 只= 色一弓 ( 2 1 5 ) 则系统的总效率为： ( 2 16 ) 。 p愿一弓 当然，这里效率的计算是粗略的，串级调速系统的效率除与系统参数和转速 有关外，还与负载和调速范围有关。 内反馈调速电动机的效率 假设内反馈调速电动机与普通电机相同，即输出功率也为只，则在相同转 差率下，内反馈调速电动机的转差功率也相同为只，这个功率扣除逆变回路各 部分损耗后，不是经逆变变压器传输回电网，而是直接反馈回内反馈调速电动机 的调节绕组。因此，此时逆变回路的损耗不存在逆变变压器损耗，即传递给调节 绕组的功率只大于尸厂，所以内反馈调速电动机的输入功率鼻要小于普通绕线异 步电机的输入功率只。所以内反馈调速系统的总效率为： 罡 ( 2 17 ) 驴亏2 赢 。 由上式可以看出，内反馈调速电动机调速系统的效率要比普通串级调速系统 的高，这也是串级调速系统采用内反馈调速电动机的主要因素之一，而系统效率 高也是内反馈调速电机系统优于其他串级调速系统的地方之一。 工程硕士学位论文 2 2 内反馈调速控制系统 2 2 1 内反馈调速控制系统结构及原理 内反馈调速控制系统结构上由内反馈交流调速装置和内反馈调速电机组成， 如图4 。内反馈调速装置由起动部分( 频敏电阻及交流接触器) 、交流部分( 整 流、斩波、逆变) 及电子控制三部分组成。 内反馈调速装置的主要作用，就是对调节绕组感应电动势进行频率的转换和 幅值的调节。调速电机在工作时，调节绕组经内反馈调速装置为转子提供附加电 动势，只要改变附加电动势的大小，即可平滑调节电机的转速，究其实质，就是 实现转子与调节绕组之间转差功率p s 的传输与控制。由于转差功率p s 等于绕 组功率p 调。所以可通过控制p 调来控制p s ， 已矢口：p 调：m 1 u 调i 谓c o s 调 ( 2 1 8 ) 式中：m 广相数u 调一调节绕组相电压 i 调一调节绕相电流c o s 中调= 功率因数相角 在以上参数中，电机绕组一旦确实，m 。与u 调就无法改变。所以控制p 调只能 是控制功率因数相角调和调节绕组相电流i 调两种方法。 控制功率因素相角调来控制p 调以达到控制p s 的目的 由于c o s 中调= c o sb 所以一般控制逆变角来控制c o s 调，从而控制p 调。这就是逆变器的移相功 率控制。设q 是人为的感性无功功率，依据 q = m 。u 调i 调s i nb ( 2 1 9 ) 可知有功功率随c o sb 变化的同时，必然产生与s i nb 成正比的无功功率。 感性无功功率不起调速作用，只能使电动机的运行无功损耗增大，系统功率因数 降低。因此，逆变器的移相功率控制会产生人为的感性无功功率。克服移相功率 控制的缺点，从公式上看只能控制电流i 调，简单的办法就是在直流回路采用斩 波控制。 控制调节绕组相电流i 调来控制p 调以达到控制p s 的目的 具体的方法是保持功率因数相角调为最小，使功率因数c o s 中调保持最高不 变，然后控制i 调达到控制p s 的目的，即斩波控制。斩波控制是通过斩波器的占 空比来实现的，图4 所示的为典型的斩波控制原理图。在有源逆变器两端并联一 个斩波器，由斩波器来完成功率控制 内反馈调速电机的设计及应用研究 图2 1 内反馈调速控制系统示意图 当电路工作时，逆变器的逆变角恒处于最小bm in 不变，只负责频率变换。 功率的调节则由斩波开关来完成。内反馈调速电机的转子电压经转子整流器变为 直流电压，当斩波器导通时，转子直流经斩波开关形成一个闭合回路，电流不经 过逆变器，逆变器输出功率p 调= 0 ，即不向调节绕组转换为机械功率，形成轴功 率。当斩波器开路时，转子直流电流被迫流入逆变器，由此产生的功率转换为反 馈功率送入电动机的调节绕组形成转差功率。 根据前面所述电机调速的功率控制原理，电动机的转速取决于机械轴功率的 大小( 或是转差功率的大小) ，在电流连续的条件下，斩波电流和反馈电流互补。 只有改变斩波器的占空比，就改变了这两部分电流的分配比例，即改变了反馈功 率或者转差功率，从而实现调速控制。由此可见，内反馈调速电机转速的调节可 以转化为改变斩波开关电流的问题。 2 2 2 内反馈调速控制系统的特点 可靠性。内反馈调速系统的控制装置承受的只是部分转子电压，远远低于 电源电压，因此电力电子元器件所承受的工作电压很低，有利于元器件的可靠运 行。内反馈调速电机是绕线式电动机，尽管结构上比鼠笼式电动机要复杂一点， 它有滑环、碳刷，降低了电动机的可靠性，但对于风机、水泵来讲，转速均低于 1 5 0 0 r m in ，因而碳刷使用寿命大大提高，只要控制好电动机的启动电流和转子 电流的脉动分量，可靠性仍然是很高的。 安全性。如果调速装置出现重故障，系统将频敏变阻器( 或液态电阻) 串 工程硕士学位论文 入转子回路，以实现电机从调速状态平稳进入全速运行，并确保电机在任何情况 下不停，确保电机在任何情况下不会影响风机 、水泵的正常运行。同时，在故障转全速后，系统将转换开关打到检修位置，此 时电机就在全速状态下运行，装置检修时也不影响风机或水泵的运行。装置可以 带电检修，等装置内器件修好后可以无扰动地进入调速状态。另外，在电网 ( 6 k v 1 0 k v ) 快切或电网跌落一定值时，调速装置能够保持原调速状态不变，只 有超出了快切时间调速装置才转入全速。 谐波影响小。内反馈调速系统的谐波由两部分组成。第一部分是由逆变 器产生的谐波。由于逆变器采用正弦波p w m 调制，输出电流近似正弦波，且容量 小，它对电网影响较小( 逆变器产生一些开关频率的谐波，由于频率高，可被调 节绕组的漏感滤掉) 。另一部分为转子侧二极管整流产生的谐波。二极管整流交 流侧的电流波形是1 2 0 。宽的方波，含5 、7 、1 1 、13 等次谐波。由于转子漏感大、 整流重叠角大，电流波形变为梯形波，谐波次数不变，但幅值减小，对电机影响 较小。尽管这样，这些谐波还是通过气隙磁场反映到定子中，给定子电流带来低 频谐波，调速装置在不增加主电路设备情况下，利用有源滤波技术，让逆变器输 出电流中也含有同样的低频谐波，但方向相反，抵消转子谐波的影响，使进线电 流中仅含较少的谐波。 调速系统成本低。由于调速装置简化了结构，不需逆变变压器和其他外 附电机，更不需要建配电室或变压器室，既可降低系统成本，又减少了系统安装 费用。另外，尽管内反馈电动机的价格要比鼠笼式电动机高，但内反馈调速装置 系统的总体市场价格仍然只有高压变频成套系统的4 0 5 0 。 效率高。在各种调速方法( 液力耦合器、液态电阻调速、高压变频器、 内反馈斩波调速) 中，内反馈斩波调速的效率是最高的。这是因为这种调速方法 是在绕线式电动机的转子回路实现的，被控制的是电动机的转差率部分，而内反 馈调速电动机的转差功率只有轴功率的2 5 4 0 左右，所以调速装置的效率高， 超过0 9 8 而对于高压变频器，电动机的全部功率都由变频器变换，包括无功部 分，所以高压变频器的效率只有0 9 5 。 内反馈调速电机的设计及应用研究 3 1 电磁设计 第3 章内反馈调速电机设计 3 1 1 计算方法 合理的电磁设计方案必须既达到设计的最佳性能要求，又确保生产的可行 性；必须在满足各种性能指标、起动、发热等要求的同时，充分考虑电机的经济 性，对转速、容量、电压已定的电机，机座号基本选定。选取相应的槽形既要考 虑到能否放得下铜线，又要考虑能否使用已有的模具，若要重新制造模具还要考 虑其通用性。因此设计人员应利用先进的计算程序，将理论与加工能力、材料水 平相结合，确定各种参数，具体思路如下： 内反馈调速电机的转子开路电压e ，应先根据经验及转子短路电流进行综 合考虑先确定好。转子短路电流近似为： ，一 竺 ( 3 1 ) q 3 7 7 易 内反馈调速装置调速工作时，整流器输出电压总是与逆变器输出电压( 略 去电抗器等的压降) 相平衡， 整流器的输出电压为： 屹= 1 3 5 e 2 s ( 3 2 ) 斩波器的输出电压为： = 1 3 5 色c o s 卢 ( 3 3