內(nèi)饋調(diào)速的斬波控制原理

內(nèi)饋調(diào)速的斬波控制原理屈維謙引言“斬波內(nèi)饋”是我國首創(chuàng)的一種新型交流調(diào)速技術，其突出特征是將數(shù)字化的斬波技術與內(nèi)饋調(diào)速電機有機相結合，于是從根本上克服了傳統(tǒng)串級調(diào)速存在的缺點，避免重蹈串級調(diào)速的覆轍。通過近二十年的實踐探索和理論研究，斬波內(nèi)饋調(diào)速在技術和理論上都取得了很大發(fā)展，實踐表明，斬波內(nèi)饋調(diào)速具有效率高，成本低，功率因數(shù)高，諧波分量小等優(yōu)點，不僅為我國的高壓、大容量風機泵類節(jié)能提供了一種經(jīng)濟、高效的調(diào)速技術和產(chǎn)品，也為世界的交流調(diào)速填補了一項空白。變流控制是近代交流調(diào)速系統(tǒng)中重要的組成部分，對調(diào)速性能具有舉足輕重的影響，內(nèi)饋調(diào)速雖然解決了傳統(tǒng)串級調(diào)速的基本問題，但如果沿用串級調(diào)速的變流控制，忽視存在的缺點，結果將事與愿違，甚至比串級調(diào)速的性能還要差，因此必須引起高度重視。傳統(tǒng)串級調(diào)速除了“外饋”的缺點之外，更為嚴重的問題存在于移相式的變流控制方式，它給串級調(diào)速帶來功率因數(shù)低，諧波分量大，可靠性差等致命的損害。如果內(nèi)饋調(diào)速仍沿用這種控制方式，后果將更為嚴重?？梢哉f，不解決變流控制的問題，內(nèi)饋調(diào)速就只能停留在原理上，根本無法實現(xiàn)工程應用。斬波內(nèi)饋調(diào)速歷經(jīng)三次艱難的技術改革，核心問題就是改進變流控制實現(xiàn)斬波。變流控制的功能按照功率控制原理，變流控制的功能在于：1） 對轉子的電轉差功率大小能夠連續(xù)控制，以實現(xiàn)轉速的無級調(diào)節(jié)。2） 實現(xiàn)轉子的電轉差功率與附加電源的功率交換。對于第一項功能，由于異步機轉子的電壓頻率是隨轉速而變化的，直接對電轉差功率控制技術上難度較大，因此多從附加的工頻電源端控制。控制方法與電路形式密切相關，詳見后敘。對于第2項功能，應考慮到兩個電源要進行有功功率交換，前提是頻率必須相同。但是，轉子的頻率為f礦］，隨轉差率（即轉速）而變，附加電源則為工頻，兩者頻率不同，因此，要進行頻率變換，實現(xiàn)統(tǒng)一。除了上述的兩項基本功能之外，還要求變流控制具有：3） 功率因數(shù)高，盡量少產(chǎn)生感性無功功率。因為無功功率不僅不起調(diào)速作用，反而會引起無功損耗，增大電機負擔。4） 諧波分量小，盡量減小對電機和電源的諧波影響。5） 線路經(jīng)濟，性能可靠至于變流控制的效率，盡管控制形式千差萬別，但均屬于電力電子系統(tǒng)，因此效率都很高（95%以上），故未列入功能要求之中?；竟δ苁钦{(diào)速所必須的，所有的控制裝置都要做到。實際上，變流控制的性能優(yōu)劣，關鍵取決于后三項功能，不同的變流控制方式差別是非常之大的。移相控制的原理與缺點圖1是典型的移相控制變流電路，由三相整流器、平波電抗器和三相有源逆變器所構成。轉子電壓與三相整流器相聯(lián)，三相有源逆變器則與內(nèi)饋繞組相聯(lián)，為使電流連續(xù)并抑制諧波，在直流回路中串入平波電抗器。電路的工作原理是：為了實現(xiàn)頻率轉換，首先將可變的轉子交流電壓整流成

為直流，這樣，不管轉子頻率怎樣隨轉速變化，其直流輸出的頻率都是零，是以不變應萬變思想的體現(xiàn)。有源逆變器是將直流變換成交流，并使直流電能饋入交流電源的變流裝置。轉子直流電流經(jīng)過電抗器L流入有源逆變器的直流輸入端，通過按工頻頻率有序地輪流觸發(fā)逆變器的品閘管，將轉子直流轉換為交流并流經(jīng)內(nèi)饋繞組，同時控制電流與內(nèi)饋繞組電壓的相位（即使電流與電壓基本反相），使內(nèi)饋繞組處于發(fā)電狀態(tài)，于是，轉子產(chǎn)生電轉差功率并且交換給內(nèi)饋繞組，完成了頻率轉換和功率交換的功能。其等效電路如圖1-2所示，圖1移相控制的變流電路移相控制突出的缺點是人為的產(chǎn)生感性無功功率，問題主要出在電轉差功率的連續(xù)控制上。從內(nèi)饋繞組的角度觀察，從轉子移出的電轉差功率為圖2直流等效電路P3=mU^13cosp3（1）分析發(fā)現(xiàn)，要改變圖1移相控制的變流電路移相控制突出的缺點是人為的產(chǎn)生感性無功功率，問題主要出在電轉差功率的連續(xù)控制上。從內(nèi)饋繞組的角度觀察，從轉子移出的電轉差功率為圖2直流等效電路P3=mU^13cosp3（1）分析發(fā)現(xiàn)，要改變P3大小，式中除了功率因數(shù)角壓U取決于線圈匝數(shù)，一經(jīng)制造完成不可改變；3不可控制，至于相數(shù)也不可改變。根據(jù)變流理論，逆變器功率因數(shù)p3之外都不可調(diào)，理由是：內(nèi)饋繞組的相電電流I3就是轉子電流I2,而轉子電流取決于負載，cos中3=四cosP（2）當畸變系數(shù)〃近似不變時，功率因數(shù)取決于逆變角6。受器件工作原理的限制，逆變角的取值為00-900，而且是滯后的，于是造成逆變電流滯后電壓，其中的無功分量是電感性的，這是最為不利的。在改變逆變角時，有功功率按公式1變化，但同時產(chǎn)生感性無功功率Q=mUIsinp(3)這部分無功功率是人為控制所產(chǎn)生的，它將使內(nèi)饋電機的定子激磁電流增大，因為無功功率最終要由電源通過定子來平衡。實際運行發(fā)現(xiàn)，當逆變角接近600時，定子電流的有功分量還不到額定值的35%，但激磁電流卻劇增到80%，致使定子電流超過額定值。如果繼續(xù)增大逆變角，電流還要增大，電機根本無法正常運行。移相控制另外的主要缺點是可靠性較差。與無源逆變器不同，有源逆變器對換向的要求是非常嚴格的，任何換向失誤，都將導致逆變顛覆也就是嚴重短路的后果。造成換向失敗的原因主要有：1）觸發(fā)脈沖錯誤。2） 換向重疊角大。3） 逆變品閘管損壞。4） 逆變交流電源異常。技術上難于防范的是前兩項。一是觸發(fā)脈沖的移動和抗干擾的矛盾，脈沖移相要求具有快速響應性，因此要求電路慣性環(huán)節(jié)小。而抗干擾則要求電路具有時間常數(shù)較大的濾波環(huán)節(jié)，電路無法同時滿足這兩個相互矛盾的要求，只能犧牲抗干擾性能，脈沖移相電路的可靠性降低。二是換向重疊角大，根據(jù)變流技術原理，換向重疊角與逆變電流成正比，而移相控制的逆變器電流等于轉子電流（I3=I2），電流較大，換向重疊角自然較大。上述的問題在移相控制電路當中是很難解決的。此外，移相控制還有以下缺點：?內(nèi)饋繞組的電流和視在功率大。由于內(nèi)饋繞組電流即是轉子電流，因此內(nèi)饋繞組的導線必須按最大轉子電流選擇。而繞組中包含大量的無功功率，造成繞組的體積和損耗都增高。?諧波分量大。輸入內(nèi)饋繞組的電流受變流非線性的影響，波形含有大量的諧波分量，由于其電流基值較大，諧波分量的絕對值也高。?控制非線性。由于內(nèi)饋繞組的功率與逆變角的余弦函數(shù)成正比，而不是正比于逆變角，因此轉速與給定信號呈非線性關系，實踐表現(xiàn)為轉速變化不均勻，給操作和自動控制造成不便。傳統(tǒng)串級調(diào)速和第一、二代的內(nèi)饋調(diào)速，限于當時的技術條件，采用的都是移相觸發(fā)控制，雖然應急采取了內(nèi)補償措施，能夠減輕一些弊端，但沒有從根本上解決問題。從移相控制原理上看，有源逆變器承擔著頻率變換和功率控制的雙重任務，怎樣改進都難免顧此失彼，從根本上解決問題只能另辟蹊徑。斬波控制的原理與意義斬波是電力電子控制中的一項變流技術，其實質(zhì)是直流控制的脈寬調(diào)制，可能是因其波形如同斬切般整齊、對稱，故名斬波。斬波的性質(zhì)是強電的數(shù)字控制，根據(jù)控制對象不同，分為電壓斬波和電流斬波。前者的斬波器串聯(lián)在電路中，又稱串聯(lián)斬波；后者的斬波器則并聯(lián)在電路中，所以稱為電流斬波。在斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)中應用的是電流斬波。斬波控制是克服移相控制缺點的較好方法，圖3所示的斬波控制電路是在逆變器NB兩端并聯(lián)一個斬波開關ZB。通過脈寬調(diào)制，改變逆變電流“逆變角則固定在最小值不變。圖3斬波式逆變器原理及等效電路斬波器對功率的控制是通過改變電流平均值實現(xiàn)的。斬波器通常以“恒頻調(diào)寬”方式工作，在電流連續(xù)條件下，斬波電流和反饋電流互補，因此，只要分析其中任意一個電流對功率的控制作用，就可以說明調(diào)速機理。斬波控制的電機調(diào)速等效電路如圖4所示。I;Jxm\4 ZBC只能輸入不能輸出圖4斬波控制的內(nèi)饋調(diào)速電機T形等效電路斬波開關工作時，斬波電流iM和逆變器閥端電流iN波形如圖5。圖5斬波與逆變直流電流波形其中，斬波電流I產(chǎn)生機械功率，逆變電流I則產(chǎn)生電轉差功率。設斬波開關導通時間為t周期為T，斬波電流平均值為 N1，，，I=j霓dtMT0dt。=-11Td（4）令：d=T，稱為占空比。則"0，（5）相應的逆變直流電流值為：(6)如果從逆變器輸出角度觀察，轉速與七的關系為（7）由于改變占空比即可改變逆變電流，控制反饋功率P，因此實現(xiàn)轉速控制。另外還可以由斬波器角度理解，根據(jù)功率控制原理和圖4的等效電路，流經(jīng)斬波器的電流，即是產(chǎn)生機械功率的電流，而轉速與機械功率成正比，所以改變斬波器電流就可以正比改變電機轉速。斬波控制的優(yōu)點為：1） 逆變器和內(nèi)饋繞組容量減小，對于風機水泵類負載，最大值僅為電機容量的4/27,比移相控制至少減小3倍。2） 逆變角不變和逆變器容量減小，提高了有源逆變的可靠性。3） 改善變流控制的功率因數(shù)，逆變器功率因數(shù)恒為0.9，而移相控制的最低功率因數(shù)為0.05。4） 減小逆變的諧波分量，使系統(tǒng)的諧波電流小于5%。5） 減小內(nèi)饋電機的體積和附加成本。6） 提高調(diào)速的線性度、精度和機械特性硬度。自勵式晶閘管斬波器品閘管雖然不能通過門極控制自關斷，但具有大電流、高電壓、可靠性高等優(yōu)點，迄今仍然是大功率變流電路的重點選擇器件。品閘管斬波器的技術關鍵在于關斷，通常采用電容儲能方式對斬波品閘管實行強迫關斷。典型電路如圖6。圖6他勵式品閘管斬波的典型關斷電路該電路的缺點是可靠性差，關斷損耗大。關斷電容由外附的整流電源充電，當意外擾動時，輔品閘管KFKF可能同時導通，造成整流電源短路。特別在小占空比時，這種現(xiàn)象極易發(fā)生，嚴重影響電路正常工祚。另外，關斷電容的充電電流幅值很大，趨膚效應強，整流變壓器發(fā)熱嚴重，電路難以實用。圖7是作者設計的自勵式品閘管電流型斬波電路（專利號：ZL01225301.4），較好的克服了上述電路的缺點。其工作原理為：由輔品閘管KF和關斷電容C構成自勵式關斷電路，其充電電源取自平波電抗器的輸出端，無需另設。在主斬波晶閘管KV導通之前，預先觸發(fā)KF，使C充

電，U電壓被箝位在逆變電壓，充電電流降至零KF自行關斷。然后觸發(fā)KV,斬波關斷時，觸發(fā)另外的輔品閘管KF3-4，電容C1放電，使KV關斷并反而充電，電路周而復始，完成了品閘管斬波工作。自勵式品閘管電流型斬波器的優(yōu)點有：不需要外附充電電源，關斷電容的能量由主電路自給，使電路簡化，效率提高。關斷可靠性高，既使關斷橋臂直通，也不會產(chǎn)生短路現(xiàn)象。橋式關斷電路的每半周期都產(chǎn)生關斷作用，關斷頻率為斬波頻率的一半，有利于提高斬波頻率。ZNT—2000型產(chǎn)品的性能與特點ZNT-2000型斬波內(nèi)饋調(diào)速產(chǎn)品主要由“品閘管自勵式電流型斬波器”和“適用于斬波控制的內(nèi)饋調(diào)速電動機”兩項專利技術所構成。其主電路原理如圖8所示。說明ZN 說明ZN 真空斷路器 PBR——頻變阻器zn 方y(tǒng)“FE叩 ZB 斬波器ZL—轉子整器 srd―，快速斷器NB—有源逆變器YQT——內(nèi)饋交流調(diào)速三相異電機圖8ZNT-2000型斬波內(nèi)饋調(diào)速主電路原理主要應用于高壓大功率的風機水泵節(jié)能調(diào)速，其技術性能指標和特點如下:1）主要技術性能?調(diào)速范圍低同步調(diào)速D=（1.6-2）:1;特殊可達10:1?調(diào)速效率門＞98%（斬波控制裝置）?功率因數(shù)cos中=0.86——0.9?電流諧波R<5%?起動電流I丑=(2.5——3.0)I2）特點?滑環(huán)和電刷的改進滑環(huán)和電刷的存在是斬波內(nèi)饋調(diào)速較變頻調(diào)速唯一的不足之處。因此，提高滑環(huán)和電刷的壽命，降低電機維護量，改善電機的可靠性，就成為斬波內(nèi)饋調(diào)速以及其它以轉子作控制對象的調(diào)速中極為重要的技術問題?；h(huán)和電刷在使用中存在的問題，一是滑環(huán)表面硬度較低，容易出現(xiàn)劃傷產(chǎn)生電弧，導致滑環(huán)損壞。二是電刷中石墨含量過高，導電性差易磨損，增大了維護量。研究發(fā)現(xiàn)，“電蝕作用”是造成滑環(huán)和電刷疲勞的最主要因素。在解決材料問題的同時，必須抑制“電蝕”的產(chǎn)生。改進后的滑環(huán)采用不銹鋼材料，經(jīng)表面淬火處理后與轉子同軸磨削加工，既保證了表面硬度，又保證了光潔度，減小了磨損。由于滑環(huán)硬度提高，電刷的硬度也可以相對提高，電刷采用金屬石墨型，既改善了電刷的導電性能，又提高了耐磨損性能。抑制電蝕效應，關鍵是降低滑環(huán)和電刷的溫升。因此需加強空氣對流，破壞電弧的形成條件，使其在起燃之前被熄滅。按上述技術改進的滑環(huán)和電刷，運行壽命可以提高3—4倍，滑環(huán)和電刷的可靠性和可維護性都得到明顯改善。?PLC可編程控制器初期的斬波內(nèi)饋調(diào)速產(chǎn)品采用的是繼電器邏輯控制，由于電機和負載不同，需要通過改變接線來完成功能的調(diào)整，操作復雜，靈活性差。現(xiàn)采用PLC可編程控制器，通過軟件編程完成各種控制功能，使產(chǎn)品控制的可靠性、靈活性、自動化程度得到質(zhì)的提高。?全數(shù)字、鎖相環(huán)控制的脈沖電路觸發(fā)脈沖是電力電子控制系統(tǒng)中重要的微電子部分，除了自動化要求之外，脈沖控制的最關鍵之處是抗干擾性能。在斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)中，有源逆變器對觸發(fā)脈沖的要求尤為嚴格，如果發(fā)生干擾擾動，使觸發(fā)脈沖產(chǎn)生任何錯誤，都將造成逆變顛覆的嚴重后果。前期的串級調(diào)速所以可靠性較低，很大程度是脈沖控制的抗干擾性能較差所造成的。數(shù)字脈沖控制電路具有比模擬電路較高的抗干擾能力，因此采用數(shù)字的脈沖電路。但單憑數(shù)字電路本身的抗干擾性能還是不夠的，對于惡劣的大工業(yè)運行環(huán)境，仍不能滿足可靠性的需求。針對斬波控制的有源逆變器觸發(fā)脈沖相位固定的特點，線路采用鎖相環(huán)控制，其特點是線路響應慣性大，通?？蛇_數(shù)秒以上，而且鎖相環(huán)本身是閉環(huán)控制的，具有自動校正和調(diào)節(jié)功能。實踐證明，本線路即使在發(fā)電廠的強干擾環(huán)境中，也能保證正常工作。有時，控制柜距離高壓電機僅有2米左右，示波器都無法正常工作，但脈沖控制卻不受任何影響。?交直流雙回路控制電源控制柜的電器和電子裝置需要高可靠的供電，如果發(fā)生控制電源斷電，將造成轉子側開路，轉子產(chǎn)生很高的感應電勢，致使繞組擊穿，后果非常嚴重。為了避免此類現(xiàn)象發(fā)生，YQT-2000型產(chǎn)品采用了獨立的雙回路供電，除傳統(tǒng)的交流220V動力電源外，還同時采用直流220V電源供電。任何一路電源發(fā)生故障，另外一路電源仍能正常工作，兩路電源并列運行，使系統(tǒng)可靠性明顯提高。直流供電的問題在于如何變壓，以為電子控制系統(tǒng)提供低壓電源。傳統(tǒng)的變壓器方法是無法采用的，現(xiàn)由于DC-DC變換技術的成熟，采用開關電源達到直流變壓的目的，實踐效果非常理想。?雙回路的同步信號有源逆變器對觸發(fā)脈沖的要求十分苛刻，任何觸發(fā)失誤都將造成逆變顛覆的嚴重后果。同步信號是為觸發(fā)脈沖發(fā)號施令的時基信號，直接關系脈沖的正常與否。由于同步信號由動力電源產(chǎn)生，一旦電源發(fā)生故障，同步信號就隨之消失，而這種幾率是很高的。為此，觸發(fā)線路中采用了雙同步信號。當一路信號消失時，另外一路信號在十毫秒內(nèi)立即投入工作。兩路信號相位相差不足5°，逆變器仍正常工作，為設備的正常運行提供了保證。?自給式的高壓合閘信號系統(tǒng)的控制裝置中高壓合閘信號控制著電機的起動邏輯，。若在高壓合閘后接收不到合閘信號，頻敏變阻器將因承受長時的過電流而燒毀。以往要求高壓柜提供獨立的DL干接點，但經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，不能滿足系統(tǒng)可靠性的要求，經(jīng)常有高壓柜合閘但無合閘信號的現(xiàn)象發(fā)生，造成頻敏變阻器燒毀。為此，在控制裝置內(nèi)設置了自給式的高壓合閘信號。只要電機受電，就可獲得合閘信號，不再依賴外部設備，有效地保護了頻敏變阻器的安