变频调速与转子变频调速的比较6.docx

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变频调速与转子变频调速的比较6

变频调速与转子变频调速的比较

两种调速方式的原理

一.H桥级联型变频器原理（以下简称变频调速系统）

每个单元体采用图2所示结构,采用SPWM变频电路,控制波形如图3所示,每个单元体都输出一个单相交流接近于正弦的阶梯波形电压.

图2图3

图

三相中每相的几个单元体为一组,同组具有相同的控制脉冲,将同组的几个单元体串联即可得到所需要的三相输出电压.

二.转子变频调速原理

转子变频调速是晶闸管串级调速的一种改进,如图4,它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。

斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网,其原理如下:

（1）定子绕组直接接至3～10kV电网。

（2）转子绕组接400～1000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。

转子电压

图4

斩波器的工作原理:

图5

斩波器控制如图5所示，斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，速度调节器的输出值作为转子电流的

的设定值，电流调节器的输出外则控制斩波器输出波形的占空比ρ，从而控制转子整流电压

和转子交流电压

，也就控制了电动机的转差率s，达到控制转速的目的。

因为

通过改变占空比ρ，也就改变了

和与它相关的

。

由   

即

于是实现了调节转差率s，从而调节异步电动机的转速。

两种调速方式的比较

类型

指标特点

转子变频调速器

变频器

效率

高

高

谐波

小

小

功率因数

较低

高

适用电机

绕组式

所有交流电机

调速范围

70%～99%

0～100%

调速精度

较差

好

可靠性

较差

好

体积

较小

较大

成本

低

较高

1.效率

由于两种方式都没有额外功率消耗环节,只是系统损耗的少量能量,所以两种系统都具有很高的效率,都能很好的达到节能的目的.

2.谐波

变频器采用SPWM方式调速,有少量的谐波,一般小于2%.

转子变频调速系统转子电流采用斩波调制方式,具有一定的谐波,但是由于转子电压相对系统工作电压很低,所以总体谐波同样非常小.

3.功率因数

变频调速系统用于经过移相变压器隔离再经整流电路,所以负载电感不会影响输入功率因数,功率因数一般不会低于0.95.

转子变频调速系统由于没有隔离,直接带感性负载,所以一般功率因数较低,在0.85以下.

4.适用电机

变频调速系统因为是直接改变输入电压的频率,所以使用于所有的交流电机

转子变频调速系统依靠改变转子电流来改变速度,所以只能用于绕线式电机

5.调速范围

变频器直接改变输入电压频率,可以实现从0到电机能承受的最大频率的全范围调速.

由于电机的转速特性只有在较小的转差率s下为近似线型,所以转子变频调速系统一般能准确调速的范围都不大.一般只能在70%以上99%以下能准确调.

6.调速精度

高压变频器调节系统频率精度一般能达到0.01HZ,采用矢量变频调速技术更高,具有很高的调速精度.

转子变频调速由于转子电流波动调速精度稍低,尤其系统转速过低时电机转速特定曲线变化很大会很差.

7.可靠性

变频调速系统用于有多个功率单元,从而使系统更加容易出现故障,采用单元体自动旁路系统技术后,可以自动旁路掉发生故障的单元体,保重系统能正常稳定的运行,同事系统具有转速追踪能力,当电源遇到瞬时故障导致系统停机,然后很短的时间内电源恢复,系统可以立即重新启动,保证系统可以正常运行.可靠性很高

转子变频调速系统因系统器件较少,所以可靠性较高.由于斩波调制系统串联于转子回路中,所以一旦发生问题,不管是电源瞬时故障还是其他故障系统都会导致系统停机,可靠性较低.

8.体积

变频调速系统一般由旁路柜,变压器柜和功率单元柜组成,系统体积比较大

变频调速系统使用在内反馈绕组电机时系统体积很小,在普通绕组电机时需增加反馈变压器,但体积仍较变频系统小很多.

9.成本

变频调速系统因为系统组件单元体比较多,需要隔离变压器,所以成本相对稍高

转子变频调速不需要单元体,只需要一组转子的变频调速单元,组件相对较少,成本较低.

 我国现有的交流电动机，200kW是个界线，200kW以下是低压380V，200kW以上是中压6kV和10kV。

电力部门从减小线损角度出发，希望提高供电电压，6kV正在淘汰中，大力推行10kV供电。

用户从简化配置出发，很自然地希望200kW以上的电机和调速装置都能适应10kV电网，不幸这合乎情理的要求技术上难以实现，经济上价高，特别是在0.2～2MW功率范围内。

风机和泵类负载一般称二次型负载，转矩与转速二次方成比例，功率与转速三次方成比例。

当ω<0.6nN时，转矩和功率已很小，再往下调已无意义，因此调速范围一般限制在40％。

在调速性能方面，对静态精度和动态响应无严格要求;

现有的中压（6kV，10kV）电机调速装置主要有2大类:

定子侧直接变频和转子侧调速。

定子侧直接变频类调速装置的核心是6kV或10kV中压变频器，它的输入侧经主电源变压器接中压电网，输出侧接中压电动机。

该方案的特点是:

调速范围宽，能在0～100％nN范围内平滑调节，调速性能好;可适用于各种交流电机（同步机、永磁机、鼠笼和绕线异步机等）;网侧输入功率因数高（>0.95，异步机的无功不会通过交－直－交变频器的中间直流环节流到输入整流侧），效率高（>0.95含变频器和变压器）。

它的不足是:

电压高，在200～2000kW范围内电流小（1000kW/10kV电机额定电流仅60A左右），需要用许多小电流器件（器件电流已达2000～3000A或更大）串联（桥串或器件串），线路复杂，可靠性受影响;为安全隔离及减小网侧谐波，输入侧需要一台多副边移相变压器，体积重量大，接线复杂;由于电机定子全部功率流过变频器，变频器及变压器的容量按100％功率选取，容量大，价贵。

对于风机和泵这类调速范围不宽，性能要求不高，经济性要求高的负载，直接变频的长处没得到发挥，而短处却很明显。

 转子侧调速适用于绕线异步机，定子接中压电网，转子接调速装置，有2种调速方法:

只从同步速下调的系统通常称串调;在同步速两侧都调节的系统称双馈。

绝大多数风机和泵只需要下调，故本文仅限于串调系统。

1.1串调系统适合大功率风机和泵应用的特点

（1）用低压设备控制中压电机

绕线异步机的转子是低压

UR＝SUR0  

（1）

式中:

S＝（n0-n）/n0—滑差，UR0—转子不转时（S＝1）的转子电压，通常UR0<1000V。

风机和泵要求40％调速范围，S≤0.4，UR≈400V，可以用低压400V调速装置控制6kV或10kV电机转速。

（2）调速装置容量小

转子输出功率

Pr/PN≈（URIR）/（UR0IRN） 

式中:

IR和IRN—转子电流和它的额定值，IR/IRN≈m—转矩相对值。

考虑到二次型负载的特点，  

Pr/PN=S（1-S）2 

高速时，负载转矩m大，滑差S小，Pr不大;低速时S大，m小，Pr也不大;最大值出现在S=1/3时，

Pr.max≈0.15PN    

（2）

调速装置的功率按Pr.max选取，可以用15％PN调速装置控制100％PN的电机。

由于风机和泵的负载特性不严格遵循二次方关系，通常按Pr.max=（0.2～0.3）PN计算。

（3）旁路和起动容易

旁路指在变频故障时，去掉变频器，直接将电机接入电网恒速工作，中压变频器旁路需用高压断路器，操作不当会引起电流冲击，跳闸。

另外大功率电机直接起动也较困难。

串调系统在旁路时不必操作高压断路器，只需将电机转子输出端短路就行。

起动时可通过转子回路中串频敏变阻器限制起动电流，起动平稳。

串调系统的不足是只能用于绕线异步机，有滑环和电刷，调速性能和功率因数不如中压变频，但大多数现场可接受。

传统晶闸管逆变串调系统已有很长历史，但存在设备多，庞大;功率因数低，谐波大等推广障碍，近年来一种新串调设备--内反馈电机＋斩波式串调问世，克服了传统串调许多缺点，得到推广应用。

内反馈电机就是在电机定子绕组中加一套辅助电源绕组，由它向逆变器提供电源，接受由转子返回来的能量，把电机和变压器合为一体，从而去掉庞大的变压器，简化串调主电路。

所谓斩波式串调就是在传统串调基础上，在直流回路中加入升压式（Boost）斩波器BC，参见图1。

图1内反馈电机+晶闸管斩波串调

1.2加入斩波后的好处（与传统串调相比）

（1）无论转速高低，TI都工作在逆变角β＝30°，UD维持最大逆变电压不变，逆变器的容量STI和电机辅助绕组容量Saw都按转子最大输出功率Pr.max来算，

STI=（0.2-0.3）Pn，Saw=（0.24-0.36）Pn 

大大小于传统串调。

这样小的Saw可以在不改变电机尺寸情况下将辅助绕组装入定子（斩波串调中的整流DR，电抗器Ls，斩波开关CS，仍按最大电压和最大电流选）;

（2）由于TI容量减小及工作时逆变角β角小，它产生的无功远小于传统串调，高速时，串调总无功略低于电机本身产生的无功，功率因数在0.8左右（励磁和整个重叠角产生的无功未补偿，TI移相控制又新增无功）;

（3）由于STI比传统串调小，逆变器产生的谐波也相应减小;

（4）由于STI小，相应电抗器L的体积，重量和价格也减小，但增加了一台斩波电抗Ls。

1.3斩波串调的不足

（1）有2台电抗器，体积、重量和损耗仍较大;

（2）功率因数仍偏低，特别是在S=0.2～0.3范围内（调速风机和泵经常工作的区域）功率因数下降很快，仅0.6左右;

（3）在定子电流中仍存在TI产生的5、7次谐波及DR产生的低频谐波。

把成熟的低压IGBT变频技术和内反馈斩波技术结合起来，产生了一种新调速方法—转子变频调速。

它继承了内反馈斩波调速的好处，克服了它的不足。

本文介绍转子变频的原理、特点、控制方法及仿真结果。

图２　转子变频主电器

2 转子变频调速的原理及特点

转子变频调速主电路示于图2。

从原理上说属斩波串调，只是逆变器为IGBT电压型PWM逆变器BI。

 与图1类似，电机定子有2套绕组，一套定子绕组直接接6kV或10kV电网，另一套辅助绕组为变频器VF中的逆变器BI提供电源，把来自转子的滑差能量回馈至定子。

风机和泵只要求向下调速，能量流的方向是从转子，经VF和辅助绕组返回至电网，所以变频器VF的接法与通常变频调速相反，二极管整流桥接转子绕组，PWM逆变器BI输出接50Hz电源，把直流母线电压VD变为固定频率和电压的交流电。

电机转速变化（S变化）时，转子电压变化，整流电压UDR随之变化，但BI要求直流母线电压固定，故加设升压斩波器BC。

设计BI的控制系统使其维持UD恒定，

UDR=（1-D）UD     （3）

式中:

D—斩波器占空比。

通过改变D就可改变UDR，从而实现调速，D减小，UDR加大，电机转速降低。

2.1转子变频调速的特点（和晶闸管斩波串调相比）

（1）同样可以用（20～30％）PN功率的400V低压变频器调节100％PN功率的6kV或10kV中压电机转速，且起动和旁路方便;

（2）主电路设备简单。

全部调速装置就是一个带斩波的IGBT电压型变频器，无其他大设备。

无晶闸管斩波串调的大电流电抗器:

BI是电压型逆变器，直流侧无平波电抗L（电容CS为直流电解电容，体积小，装在逆变器中）;斩波器BC用IGBT器件，开关频率为2kHz左右，靠电机转子漏感已够斩波需要，不必另设直流电抗器LS（晶闸管斩波频率仅600Hz左右，需加Ls）。

（3）运行功率因数高。

整个系统的无功由4部分组成:

· 电机励磁电流产生的无功Qex;

· 转子漏感导致二极管整流时出现重叠角γ，使转子基波电流滞后转子电势γ/2角，产生无功Qu;

· 逆变器产生的无功QI;

· 谐波产生的无功，这部分占的比例很小。

前2部分产生的无功不能控制，但IGBT逆变器产生的无功可以从感性到容性任意调节（包括无功为零）。

在转子变频系统中，无功调至容性，无功量设定为

   （4）

式中:

SBI—逆变器BI的容量。

只要Pr

如果定子辅助绕组和逆变器容量比功率大20％（通用变频器输出容量比功率大20％～25％），计算结果表明产生的容性无功QI可基本上补偿掉由整流重叠角引起的感性无功Qu，总的功率因数在高速时达0.9以上，在n=0.7nN时仍有0.8（按Pr.max=0.2PN计算）。

（4）谐波问题

转子变频的谐波由2部分组成:

· IGBT逆变器产生的谐波。

由于逆变器采用正弦波PWM调制，输出电流为近似正弦波，且容量小，仅为（0.2～0.3）PN，它对电网影响很小（BI产生一些开关频率的谐波，由于频率高，可被辅助绕组的漏感滤掉）。

· 转子侧二极管整流产生的谐波[3]。

二极管整流交流侧的电流波形是120°宽的方波，含5、7、11、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。

这问题可以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，抵销转子谐波的影响，使进线电流中无谐波。

3 转子变频调速的控制系统

转子变频调速的控制系统由逆变器BI控制和斩波器控制2部分组成。

（1）逆变器BI控制部分

图３　逆变器ＢＩ控制部分框图

框图示于图3。

图中下标d表示无功分量，q表示有功分量。

整个系统由下列几块组成:

·电流控制块:

由电流调节器ACRd，ACRq，矢量变换及PWM组成，这是标准的矢量控制电流控制块，它能保证逆变器TI三相输出电流的有功和无功分量iq，id等于给定值i*q、i*d。

· 直流电压调节:

输出基础有功电流分量给定i*q0，通过调节实际有功电流iq维持直流母线电压固定。

· 无功电流计算:

按式（4）要求计算基础无功电流给i*d0，其中IN—逆变器额定电流，“－”表示容性。

· 谐波测量:

含谐波的三相交流电流经矢量变换得有功及无功分量iqs和ids，其中基波变为直流分量，谐波仍为交流分量，经滤波器滤去直流分量得谐波在dq轴的分量iqh和idh。

总dq轴电流给定

i*d＝i*d0+idh，i*q＝i*q0+iqh（5）

如果电网对低频谐波无严格限制要求，谐波测量块可不设。

（2）斩波器BC控制部分

控制部分框图示于图4。

该控制部分由速度调节ASR和IDR控制2部分组成。

风机和泵一般不装设转速测量传感器，转速信号n可用转子电压UDR（带压降补偿）信号或从转子电压频率算出的信号代替。

转子电流IDR与转矩近似成比例，故IDR控制块可看作转矩控制器，由它产生具有所需占空比的脉冲信号。

图４　斩波器ＢＣ控制部分框图

1、引言

   我国普遍存在着工业生产能耗高，能源浪费严重的现象，其中风机、水泵类是应用最广、耗电量大的生产机械，用阀门、档板调节流量造成电能严重浪费，节能是亟待解决的问题。

采用高效先进的调速手段正是行之有效的解决途径。

   应用于风机、水泵类的中高压电机，主要为三相异步电动机，包括鼠笼型和绕线型，高效率的调速方式有两种，即定子侧变频和转子侧变频。

定子侧变频也叫高压变频，普遍应用鼠笼型电动机，其性能较好，但因为系统直接接高压电网，所以技术复杂、体积庞大、可靠性较低、价格昂贵。

转子侧变频调速也叫转子变频调速，使用绕线型电动机，将变频调速基本原理应用于转子侧，因为转子侧使用低电压，所以技术复杂度降低、体积大为缩小、可靠性高、价格适中。

   2、转子变频调速原理

   2.1主回路结构

   典型的转子变频主电路如图1所示。

它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。

斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网。

图1采用升压变压器的转子变频主电路

   采用内反馈电动机的转子变频主电路如图2所示，绕线式异步电动机的定子内嵌有与转子最高逆变输出电压相适应的内反馈绕组，它具有转子正反馈作用。

被控制电动机的转差功率直接回馈给电动机本身，增大了该电动机的出力，也节约了能源。

此方案的原理基本上与上述典型的转子变频方案相同，但转差功率不回馈入电网，当然也不需要升压变压器。

图2采用内反馈电动机的转子变频主电路

   2.2转子变频调速原理

（1）定子线组直接接至3～10kV电网。

（2）转子绕组接400～1000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。

   转子电压Ur=s×Ur0

   其中，s为异步电动机的滑差，Ur0＜1000V为转子开路电压。

风机和水泵一般要求s=0.3～0.5，故Ur＜400～1000V，可以采用低压变频器。

转子整流电压Udr和逆变器直流母线电压之差由斩波器BC控制。

   2.3斩波器控制的工作原理

图3斩波器控制原理图

   斩波器控制如图3所示，斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，速度调节器的输出值作为转子电流的Idr的设定值，电流调节器的输出外则控制斩波器输出波形的占空比ρ，从而控制转子整流电压Udr和转子交流电压Ur，也就控制了电动机的转差率s，达到控制转速的目的。

因为Udr=（1-ρ）Ud

   通过改变占空比ρ，也就改变了Udr和与它相关的Ur。

由

   Ur=s×Ur0，即s=UrUr0

   于是实现了调节转差率s，从而调节异步电动机的转速。

2.4逆变器的控制

（1）晶闸管逆变器，采用固定最小逆变角β的方式，其逆变电压Ud为恒定。

（2）IGBT逆变器，采用带矢量控制的PWM和有源滤波技术，其原理与变频器相仿。

   2.5起动控制

   如图4所示，当电动机起动时，其转子回路中的接触器KM2断开，KM1闭合，电动机的转子回路以Y形接入起动电阻FR开始起动。

当转速达到所设计的调速范围的最低值时，接触器KM2闭合，KM1断开，切除起动电阻FR并自动投入转子变频调速。

图4转子变频装置的起动电路图

   3、转子变频的优点

（1）可以用400～1000V低压变频器来控制6～10kV中压电动机的转速。

（2）所需逆变器的容量较小，仅为电动机功率的20%～30%，由于转差功率回馈至电网（或电动机），故能大大节约电能，可达30%以上。

   （3）原理结构简单，使用的低压IGBT的数量远远少于10kV定子侧中压变频装置的中压IGBT，无须配置大容量电抗器，故障率大为降低。

   （4）与普通串级调速相比，功率因数较高，谐波较小。

若采用IGBT逆变器，则无5、7次谐波。

   4、DFC型交流电机转子侧变频调速装置简介

   广东华拿东方能源有限公司研制生产的DFC型交流电机转子侧变频调速装置，是上述转子变频技术的成功实现，并且装置采用了更为先进的控制手段和完善的保护机制，使设备性能更为优越和可靠。

装置的系统结构和主电路图见图5。

图5DFC型转子变频装置的系统结构和主电路图

（1）采用高性能的数字处理器DSP组成控制系统，提高了信号处理能力和响应的快速性，并提高了抗干扰能力。

（2）采用PLC和触摸屏实现逻辑控制与可视化操作，使系统运行可靠，操作直观、简便。

   （3）加入了颠覆保护技术及由“BOD+SCR”组成的过压保护技术，有效地解决了晶闸管逆变器存在逆变颠覆的问题，以及由转速过低导致转子电压过高产生故障损坏设备的问题，大大地提高了可靠性。

   （4）一旦调速装置发生故障，能立即自动转为全速继续运转，保证生产的连续性。

同时调速装置自动切离电源，可即时进行检修。

   ●适用普通绕线异步电机、内反馈绕线异步电动机、绕笼式无刷双馈电动机、绕笼型内反馈电动机、新型无刷双馈电动机；