斩波内馈调速与高压变频调速的对比

1. 调速原理

 1.1 交流调速的功率控制原理

    根据异步机的能量转换与传输原理，异步机等效于图1的功率圆模型。

   图1A鼠笼转子的异步机模型                    图1B 绕线转子的异步机模型

    异步机的定子与电源相联，从中吸收电功率P1，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场，将定子的电磁功率传输给转子，转子将此电磁功率转化为机械功率输出。

    定子的电磁功率表示为:

    由此可见，交流调速的实质在于功率控制，即电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，而损耗功率控制则是增大转速降，前者是高效率节能型调速，后者则是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，高效率交流调速的关键在于如何控制电磁功率，至于选择定子控制还是转子控制，仅仅是对象的不同，并没有本质的区别。

 1.2 斩波内馈调速原理

    所谓内馈调速是一种将调速电机的部分转子功率（即电转差功率）移出来，以电能的形式反馈给电机内部的调节绕组的特殊调速方式，是转子电磁功率控制的调速。内馈调速的能量原理可以用左图得以说明。

    电机调速时，转子的部分功率通过电传导馈入反馈绕组，如果忽略损耗，反馈绕组所获得的功率与转子被移出的功率相等，表现在图中，为转子功率圆部分面积与反馈绕组功率圆面积相等。由于转子的部分功率被移出，故转化的机械功率减小，因此电机转速下降。这样，转子被移出的功率越大，反馈绕组的功率就越大，而机械功率就越小，转速就低；反之则机反；当反馈绕组功率为零时，机械功率几乎和转子功率相等，电机转速最高。

    根据电机调速的P理论，内馈调速的实质在于将转子的部分电磁功率移出，使余下的转子功率转化为机械功率，因此移出的功率越多，转化的机械功率越少，电机转速则越低。因此，改变移出功率的多少，即可控制机械功率大小，电机转速便得以调节。

    图中转子斜线阴影部分面积表示移出功率，为了使移出的转子功率不被消耗，以提高效率，内馈电机特殊设置了反馈绕组，目的是接收从转子移出的功率。反馈绕组在接收移出功率的同时，又将这部分功率送还给定子。定子绕组功率P1=Pem-P3=PM，即定子绕组共出的只是机械功率。因此在调速时，机械功率圆面积减小，定子功率圆面积也减小，电机实现高效率的节能运行。

    斩波实际是变流主电路的数字控制。变流控制是交流调速的关键，关系到调速效率、功率因数、可靠性及其它技术性能，是近代交流调速研究开发的重点方向。斩波控制的目的是克服移相控制存在的缺点。实践表明，斩波控制不仅有效地解决了移相控制的功率因数低、谐波畸变大等问题，同时，有源逆变器的最大容量可减小到电机额定容量的14.8%，而且触发脉冲被固定在最小逆变角处，不再移动，这样，就从根本上解决了最为头疼的有源逆变器可靠性问题。这种斩波电路巧妙地解决了晶闸管的关断问题，可靠性高，效率高，使内馈调速摆脱了移相控制的束缚，形成斩波+内馈的优化组合。

 1.3 高压变频调速原理

    从功率控制角度来讲，高压变频调速是典型的控制定子电磁功率的调速，是间接控制转子电磁功率的调速。此时定子电磁功率表示为:

    因此可通过调节U1（ 受转矩平衡方程式约束不能作为控制量）来改变定子电磁功率，由于定、转子电磁功率相等，间接实现了转子电磁功率控制，进而实现了异步机机械功率控制，达到调节转速的目的。其调速原理如图1所示。

               图1 变频调速的功率控制原理

    但单纯调压并不能实现定子电磁功率控制，原因是U1不但影响电磁功率，而且还作用于磁场，根据电机学，主磁通

   如果单纯调压，U1降低使Φm减小，而U1增大Φm受磁饱和限制不能增大，U1的减小将引起损耗功率急剧增大。

    为了解决上述问题，应根据式（3）在调压的同时，正比地改变频率f1 ，使Φm保持不变，即变频调速实质上是通过同时控制电压和频率来实现高效率的电磁功率控制的调速方案。

 1.4 结论

    高压变频调速与斩波内馈调速同属控制电磁功率的高效率无级调速，其机械特性同为平行曲线族，两者的调速技术性能没有明显差异。

    高压变频调速与斩波内馈调速最大的不同在于高压变频是立足于电机定子的功率控制，而斩波内馈调速则是立足于转子的功率控制。因此，高压变频最大的优势是适用于鼠笼型与绕线型异步机，而斩波内馈则仅适用于绕线型异步机。

    但转子控制回避了定子控制的高压问题，对高压电机可以实现低压控制。而且控制装置与电机的轴输出口是并联联接，这样就可依工况需要而灵活选择调速范围，因而降低控制装置的容量。

    为了提高滑环、电刷的可靠性，内馈电机在材料、材质上做了革新，同时采取了局部风冷措施，这样可使电刷寿命比普通绕线机提高一倍以上。

    此外，转子控制由于电磁隔离作用，控制装置对电源的畸变影响很小，而高压变频的定子控制直接与电网联接，谐波污染较大。

2. 斩波内馈调速技术指标与高压变频调速的对比

 2.1 价格低

 2.2 可靠性

    电力电子器件为低压大电流的，斩波内馈调速以低压（一般660V以下）控制高压（6KV、10KV），从而设备运行可靠；而高压变频调速不可避免的遭遇电力电子器件耐压问题，现场运行中的故障多为功率器件过压击穿所致。

 2.3效率

    斩波内馈调速η＞98% ,变频调速因必须配套变压器η≤94%；

 2.4 谐波

    电流畸变率小，而且由于转子的隔离作用不会反馈至电网，无污染，是绿色环保产品。变频调速的谐波高，且直接污染电网，并影响其它自动化控制系统的正常运行，必须加装滤波装置。

 2.5 控制系统

    斩波内馈调速在转子侧实施调速控制，其控制功率仅为电机功率的14.8%，所以控制系统的结构简单，体积小；而高压变频调速是在电机定子侧实施控制，控制功率要大于电机功率,一般为（1.2-1.3）倍的电机功率，而且必须配套变压器（内置或外置），所其控制系统结构复杂，体积庞大，占地面积大。

 2.6 节能效果

    同等工况下，斩波内馈调速比变频调速节能率平均高5-8%左右。工况允许的情况下，斩波内馈调速的节能率可达40-50%。

 2.7 电机的改造

    高压变频调速系统由于其变流技术的复杂性，会严重损坏普通电机的使用寿命，一般也需配套专用电机。

3. 应用现状

    高压变频器是在低压变频器已成功应用的基础上发展起来的，其开发和生产的难度在于：一、高压变频器由于供电电压高，而目前世界上电力电子器件的耐压水平还不能与此要求相适应；二、高压变频器由于控制的功率大，其技术难度大，制造技术要求高，所以资金投入大，而高压变频器主要应用于风机泵类负载的调速节能运行，需低投入。

    ZNT-2000型、CTK-1型高压斩波内馈调速系统是北京内达调速科技有限公司推出的第三、第四代最新改进型产品，由YQT型试用于斩波控制的内馈调速电机与高压斩波内馈调速控制装置组成，第三代与第一代移相触发适和第二代贯通式内馈调速相比，无论在技术性能和可靠性方面都取得了质的进步。由于是低压控制高压，可采用成熟的电力电子器件，同时资金投入小，回收期短。

    综上所述，鉴于各行业的大型企业中风机泵类调速节能的巨大经济潜力，调速节能改造势在必行。通过以上对比，我们不难得出一个结论：和高压变频器相比，斩波内馈调速系统在性能指标、节能效果，资金投入、占地面积等各方面都具有明显优势，是企业风机泵类调速的最佳方案。