内馈调速的斩波控制原理

内馈调速的斩波控制原理屈维谦引言“斩波内馈”是我国首创的一种新型交流调速技术，其突出特征是将数字化的斩波技术与内馈调速电机有机相结合，于是从根本上克服了传统串级调速存在的缺点，避免重蹈串级调速的覆辙。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。变流控制是近代交流调速系统中重要的组成部分，对调速性能具有举足轻重的影响，内馈调速虽然解决了传统串级调速的基本问题，但如果沿用串级调速的变流控制，忽视存在的缺点，结果将事与愿违，甚至比串级调速的性能还要差，因此必须引起高度重视。传统串级调速除了“外馈”的缺点之外，更为严重的问题存在于移相式的变流控制方式，它给串级调速带来功率因数低，谐波分量大，可靠性差等致命的损害。如果内馈调速仍沿用这种控制方式，后果将更为严重。可以说，不解决变流控制的问题，内馈调速就只能停留在原理上，根本无法实现工程应用。斩波内馈调速历经三次艰难的技术改革，核心问题就是改进变流控制实现斩波。变流控制的功能按照功率控制原理，变流控制的功能在于：1） 对转子的电转差功率大小能够连续控制，以实现转速的无级调节。2） 实现转子的电转差功率与附加电源的功率交换。对于第一项功能，由于异步机转子的电压频率是随转速而变化的，直接对电转差功率控制技术上难度较大，因此多从附加的工频电源端控制。控制方法与电路形式密切相关，详见后叙。对于第2项功能，应考虑到两个电源要进行有功功率交换，前提是频率必须相同。但是，转子的频率为f矿］，随转差率（即转速）而变，附加电源则为工频，两者频率不同，因此，要进行频率变换，实现统一。除了上述的两项基本功能之外，还要求变流控制具有：3） 功率因数高，尽量少产生感性无功功率。因为无功功率不仅不起调速作用，反而会引起无功损耗，增大电机负担。4） 谐波分量小，尽量减小对电机和电源的谐波影响。5） 线路经济，性能可靠至于变流控制的效率，尽管控制形式千差万别，但均属于电力电子系统，因此效率都很高（95%以上），故未列入功能要求之中。基本功能是调速所必须的，所有的控制装置都要做到。实际上，变流控制的性能优劣，关键取决于后三项功能，不同的变流控制方式差别是非常之大的。移相控制的原理与缺点图1是典型的移相控制变流电路，由三相整流器、平波电抗器和三相有源逆变器所构成。转子电压与三相整流器相联，三相有源逆变器则与内馈绕组相联，为使电流连续并抑制谐波，在直流回路中串入平波电抗器。电路的工作原理是：为了实现频率转换，首先将可变的转子交流电压整流成

为直流，这样，不管转子频率怎样随转速变化，其直流输出的频率都是零，是以不变应万变思想的体现。有源逆变器是将直流变换成交流，并使直流电能馈入交流电源的变流装置。转子直流电流经过电抗器L流入有源逆变器的直流输入端，通过按工频频率有序地轮流触发逆变器的品闸管，将转子直流转换为交流并流经内馈绕组，同时控制电流与内馈绕组电压的相位（即使电流与电压基本反相），使内馈绕组处于发电状态，于是，转子产生电转差功率并且交换给内馈绕组，完成了频率转换和功率交换的功能。其等效电路如图1-2所示，图1移相控制的变流电路移相控制突出的缺点是人为的产生感性无功功率，问题主要出在电转差功率的连续控制上。从内馈绕组的角度观察，从转子移出的电转差功率为图2直流等效电路P3=mU^13cosp3（1）分析发现，要改变图1移相控制的变流电路移相控制突出的缺点是人为的产生感性无功功率，问题主要出在电转差功率的连续控制上。从内馈绕组的角度观察，从转子移出的电转差功率为图2直流等效电路P3=mU^13cosp3（1）分析发现，要改变P3大小，式中除了功率因数角压U取决于线圈匝数，一经制造完成不可改变；3不可控制，至于相数也不可改变。根据变流理论，逆变器功率因数p3之外都不可调，理由是：内馈绕组的相电电流I3就是转子电流I2,而转子电流取决于负载，cos中3=四cosP（2）当畸变系数〃近似不变时，功率因数取决于逆变角6。受器件工作原理的限制，逆变角的取值为00-900，而且是滞后的，于是造成逆变电流滞后电压，其中的无功分量是电感性的，这是最为不利的。在改变逆变角时，有功功率按公式1变化，但同时产生感性无功功率Q=mUIsinp(3)这部分无功功率是人为控制所产生的，它将使内馈电机的定子激磁电流增大，因为无功功率最终要由电源通过定子来平衡。实际运行发现，当逆变角接近600时，定子电流的有功分量还不到额定值的35%，但激磁电流却剧增到80%，致使定子电流超过额定值。如果继续增大逆变角，电流还要增大，电机根本无法正常运行。移相控制另外的主要缺点是可靠性较差。与无源逆变器不同，有源逆变器对换向的要求是非常严格的，任何换向失误，都将导致逆变颠覆也就是严重短路的后果。造成换向失败的原因主要有：1）触发脉冲错误。2） 换向重叠角大。3） 逆变品闸管损坏。4） 逆变交流电源异常。技术上难于防范的是前两项。一是触发脉冲的移动和抗干扰的矛盾，脉冲移相要求具有快速响应性，因此要求电路惯性环节小。而抗干扰则要求电路具有时间常数较大的滤波环节，电路无法同时满足这两个相互矛盾的要求，只能牺牲抗干扰性能，脉冲移相电路的可靠性降低。二是换向重叠角大，根据变流技术原理，换向重叠角与逆变电流成正比，而移相控制的逆变器电流等于转子电流（I3=I2），电流较大，换向重叠角自然较大。上述的问题在移相控制电路当中是很难解决的。此外，移相控制还有以下缺点：•内馈绕组的电流和视在功率大。由于内馈绕组电流即是转子电流，因此内馈绕组的导线必须按最大转子电流选择。而绕组中包含大量的无功功率，造成绕组的体积和损耗都增高。•谐波分量大。输入内馈绕组的电流受变流非线性的影响，波形含有大量的谐波分量，由于其电流基值较大，谐波分量的绝对值也高。•控制非线性。由于内馈绕组的功率与逆变角的余弦函数成正比，而不是正比于逆变角，因此转速与给定信号呈非线性关系，实践表现为转速变化不均匀，给操作和自动控制造成不便。传统串级调速和第一、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，虽然应急采取了内补偿措施，能够减轻一些弊端，但没有从根本上解决问题。从移相控制原理上看，有源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。斩波控制的原理与意义斩波是电力电子控制中的一项变流技术，其实质是直流控制的脉宽调制，可能是因其波形如同斩切般整齐、对称，故名斩波。斩波的性质是强电的数字控制，根据控制对象不同，分为电压斩波和电流斩波。前者的斩波器串联在电路中，又称串联斩波；后者的斩波器则并联在电路中，所以称为电流斩波。在斩波内馈调速系统中应用的是电流斩波。斩波控制是克服移相控制缺点的较好方法，图3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ZB。通过脉宽调制，改变逆变电流“逆变角则固定在最小值不变。图3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4所示。I;Jxm\4 ZBC只能输入不能输出图4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5。图5斩波与逆变直流电流波形其中，斩波电流I产生机械功率，逆变电流I则产生电转差功率。设斩波开关导通时间为t周期为T，斩波电流平均值为 N1，，，I=j霓dtMT0dt。=-11Td（4）令：d=T，称为占空比。则"0，（5）相应的逆变直流电流值为：(6)如果从逆变器输出角度观察，转速与七的关系为（7）由于改变占空比即可改变逆变电流，控制反馈功率P，因此实现转速控制。另外还可以由斩波器角度理解，根据功率控制原理和图4的等效电路，流经斩波器的电流，即是产生机械功率的电流，而转速与机械功率成正比，所以改变斩波器电流就可以正比改变电机转速。斩波控制的优点为：1） 逆变器和内馈绕组容量减小，对于风机水泵类负载，最大值仅为电机容量的4/27,比移相控制至少减小3倍。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） 改善变流控制的功率因数，逆变器功率因数恒为0.9，而移相控制的最低功率因数为0.05。4） 减小逆变的谐波分量，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） 提高调速的线性度、精度和机械特性硬度。自励式晶闸管斩波器品闸管虽然不能通过门极控制自关断，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。品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品闸管实行强迫关断。典型电路如图6。图6他励式品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，辅品闸管KFKF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祚。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7是作者设计的自励式品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：由辅品闸管KF和关断电容C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KF，使C充

电，U电压被箝位在逆变电压，充电电流降至零KF自行关断。然后触发KV,斩波关断时，触发另外的辅品闸管KF3-4，电容C1放电，使KV关断并反而充电，电路周而复始，完成了品闸管斩波工作。自励式品闸管电流型斩波器的优点有：不需要外附充电电源，关断电容的能量由主电路自给，使电路简化，效率提高。关断可靠性高，既使关断桥臂直通，也不会产生短路现象。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。ZNT—2000型产品的性能与特点ZNT-2000型斩波内馈调速产品主要由“品闸管自励式电流型斩波器”和“适用于斩波控制的内馈调速电动机”两项专利技术所构成。其主电路原理如图8所示。说明ZN 说明ZN 真空断路器 PBR——频变阻器zn 方y“FE叩 ZB 斩波器ZL—转子整器 srd―，快速断器NB—有源逆变器YQT——内馈交流调速三相异电机图8ZNT-2000型斩波内馈调速主电路原理主要应用于高压大功率的风机水泵节能调速，其技术性能指标和特点如下:1）主要技术性能•调速范围低同步调速D=（1.6-2）:1;特殊可达10:1•调速效率门＞98%（斩波控制装置）•功率因数cos中=0.86——0.9•电流谐波R<5%•起动电流I丑=(2.5——3.0)I2）特点•滑环和电刷的改进滑环和电刷的存在是斩波内馈调速较变频调速唯一的不足之处。因此，提高滑环和电刷的寿命，降低电机维护量，改善电机的可靠性，就成为斩波内馈调速以及其它以转子作控制对象的调速中极为重要的技术问题。滑环和电刷在使用中存在的问题，一是滑环表面硬度较低，容易出现划伤产生电弧，导致滑环损坏。二是电刷中石墨含量过高，导电性差易磨损，增大了维护量。研究发现，“电蚀作用”是造成滑环和电刷疲劳的最主要因素。在解决材料问题的同时，必须抑制“电蚀”的产生。改进后的滑环采用不锈钢材料，经表面淬火处理后与转子同轴磨削加工，既保证了表面硬度，又保证了光洁度，减小了磨损。由于滑环硬度提高，电刷的硬度也可以相对提高，电刷采用金属石墨型，既改善了电刷的导电性能，又提高了耐磨损性能。抑制电蚀效应，关键是降低滑环和电刷的温升。因此需加强空气对流，破坏电弧的形成条件，使其在起燃之前被熄灭。按上述技术改进的滑环和电刷，运行寿命可以提高3—4倍，滑环和电刷的可靠性和可维护性都得到明显改善。•PLC可编程控制器初期的斩波内馈调速产品采用的是继电器逻辑控制，由于电机和负载不同，需要通过改变接线来完成功能的调整，操作复杂，灵活性差。现采用PLC可编程控制器，通过软件编程完成各种控制功能，使产品控制的可靠性、灵活性、自动化程度得到质的提高。•全数字、锁相环控制的脉冲电路触发脉冲是电力电子控制系统中重要的微电子部分，除了自动化要求之外，脉冲控制的最关键之处是抗干扰性能。在斩波内馈调速系统中，有源逆变器对触发脉冲的要求尤为严格，如果发生干扰扰动，使触发脉冲产生任何错误，都将造成逆变颠覆的严重后果。前期的串级调速所以可靠性较低，很大程度是脉冲控制的抗干扰性能较差所造成的。数字脉冲控制电路具有比模拟电路较高的抗干扰能力，因此采用数字的脉冲电路。但单凭数字电路本身的抗干扰性能还是不够的，对于恶劣的大工业运行环境，仍不能满足可靠性的需求。针对斩波控制的有源逆变器触发脉冲相位固定的特点，线路采用锁相环控制，其特点是线路响应惯性大，通常可达数秒以上，而且锁相环本身是闭环控制的，具有自动校正和调节功能。实践证明，本线路即使在发电厂的强干扰环境中，也能保证正常工作。有时，控制柜距离高压电机仅有2米左右，示波器都无法正常工作，但脉冲控制却不受任何影响。•交直流双回路控制电源控制柜的电器和电子装置需要高可靠的供电，如果发生控制电源断电，将造成转子侧开路，转子产生很高的感应电势，致使绕组击穿，后果非常严重。为了避免此类现象发生，YQT-2000型产品采用了独立的双回路供电，除传统的交流220V动力电源外，还同时采用直流220V电源供电。任何一路电源发生故障，另外一路电源仍能正常工作，两路电源并列运行，使系统可靠性明显提高。直流供电的问题在于如何变压，以为电子控制系统提供低压电源。传统的变压器方法是无法采用的，现由于DC-DC变换技术的成熟，采用开关电源达到直流变压的目的，实践效果非常理想。•双回路的同步信号有源逆变器对触发脉冲的要求十分苛刻，任何触发失误都将造成逆变颠覆的严重后果。同步信号是为触发脉冲发号施令的时基信号，直接关系脉冲的正常与否。由于同步信号由动力电源产生，一旦电源发生故障，同步信号就随之消失，而这种几率是很高的。为此，触发线路中采用了双同步信号。当一路信号消失时，另外一路信号在十毫秒内立即投入工作。两路信号相位相差不足5°，逆变器仍正常工作，为设备的正常运行提供了保证。•自给式的高压合闸信号系统的控制装置中高压合闸信号控制着电机的起动逻辑，。若在高压合闸后接收不到合闸信号，频敏变阻器将因承受长时的过电流而烧毁。以往要求高压柜提供独立的DL干接点，但经过实践发现，不能满足系统可靠性的要求，经常有高压柜合闸但无合闸信号的现象发生，造成频敏变阻器烧毁。为此，在控制装置内设置了自给式的高压合闸信号。只要电机受电，就可获得合闸信号，不再依赖外部设备，有效地保护了频敏变阻器的安