【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過定子反饋到電網(wǎng)，逆變器和整流器在工作中的相電流由于是間隙電流，包含著一定分量的高次諧波，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定程度的諧波污染。雖然加裝逆變變壓器可以減少耦合到電網(wǎng)交流電的諧波分量，但由于逆變變壓器是集中繞組，并不能很有效的抑制諧波。晶閘管串級(jí)系統(tǒng)最終將轉(zhuǎn)差功率以電能的形式反饋到外部電網(wǎng)的，并且附加電勢(shì)是由系統(tǒng)通過外部變壓器變壓后提供的，可稱為外反饋技術(shù)。60年代末期，我過一些單位開始進(jìn)行晶閘管串級(jí)調(diào)速的試驗(yàn)，70年代后期，西安整流器廠首先推出了系列產(chǎn)品，以后其它廠家也相繼推出了系列產(chǎn)品。1984年，當(dāng)時(shí)的機(jī)械工業(yè)部發(fā)布了串級(jí)調(diào)速裝置的電工專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1990年國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)了半導(dǎo)體變流串級(jí)調(diào)速裝置的國(guó)標(biāo)（GB126690），規(guī)范了這類裝置的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)要求。國(guó)內(nèi)最先是由屈維謙提出內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速方案的，時(shí)間是在80年代后期。但內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)真正推向市場(chǎng)則是北京長(zhǎng)城機(jī)電（集團(tuán)）公司組織殺害電機(jī)廠等單位的專家通過論證實(shí)驗(yàn)才得以實(shí)現(xiàn)的。不久哈爾濱九州公司、河北保定公司緊隨其后。這時(shí)采用的是一種新的串級(jí)調(diào)速設(shè)備——內(nèi)反饋電機(jī)+晶閘管（或可控硅）斬波串級(jí)調(diào)速問世，許多傳統(tǒng)串調(diào)的缺點(diǎn)被克服，使該設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無論轉(zhuǎn)速高低，逆變器都工作在逆變角為30176。，維持最大逆變電壓不變，逆變器的容量和電機(jī)調(diào)節(jié)繞組容量都按轉(zhuǎn)子最大輸出功率計(jì)算，大大小于傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速，但功率因素偏低，在定子電流中存在較多的逆變器產(chǎn)生的7次諧波及整流產(chǎn)生的低頻諧波。90年代中期以后，隨著電力電子技術(shù)和控制策略的發(fā)展，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略被不斷提出，用IGBT構(gòu)成 PWM整流器代替原有的晶閘管（或可控硅）逆變器，它結(jié)合PWM整流技術(shù)和串級(jí)調(diào)速技術(shù)，在保留串級(jí)調(diào)速優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又利用了PWM整流器的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以使逆變器側(cè)電流近似正弦，減小諧波，提高功率因素，甚至還可以向電網(wǎng)提供容性無功，用于補(bǔ)償串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的無功，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)，也克服了原有系統(tǒng)存在逆變顛覆的缺點(diǎn)。到目前為止有上海南征、上海科祺、保定北方、西部調(diào)速、河北泰達(dá)、北京內(nèi)達(dá)等七、八家公司生產(chǎn)高壓大功率內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。 技術(shù)創(chuàng)新性內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列（次系列和JR系列）繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在定子側(cè)的原定子繞組嵌放另一套繞組，調(diào)節(jié)繞組嵌放在定子上，與定子繞組同槽，但在電氣上是互相絕緣的。調(diào)節(jié)繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，用來接受從轉(zhuǎn)子益處的電轉(zhuǎn)差功率，調(diào)節(jié)繞組本身工作在發(fā)電狀態(tài)，把這部分功率通過電磁感應(yīng)傳輸給定子，傳輸方向恰好與電動(dòng)狀態(tài)相反，因此抵消了定子的部分有功功率，使電機(jī)自電網(wǎng)的輸入功率得以改變，從而改變轉(zhuǎn)子的機(jī)械輸出功率。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速電機(jī)與普通繞線式電機(jī)的最大區(qū)別在于：調(diào)速電機(jī)在定子側(cè)具有兩套繞組，一套是主繞組，與電網(wǎng)相聯(lián)結(jié)，從電網(wǎng)吸收能量；另一套繞組稱之為調(diào)節(jié)繞組，為轉(zhuǎn)子提供附加電勢(shì)源，同時(shí)回饋轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，因此內(nèi)反饋電機(jī)的調(diào)速屬于附加電勢(shì)的串級(jí)調(diào)速范疇。內(nèi)反饋電機(jī)在定子繞組中增加了一套調(diào)節(jié)繞組，取消了向電網(wǎng)輸送能量的逆變變壓器，從物理結(jié)構(gòu)上，可以理解為將外接變壓器繞組轉(zhuǎn)移到電動(dòng)機(jī)定子側(cè)。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)是通過改變電機(jī)的軸功率（即機(jī)械功率）來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸功率增大時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，反之轉(zhuǎn)速下降。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速是將轉(zhuǎn)子的部分功率（即電轉(zhuǎn)差功率）反饋給電動(dòng)機(jī)定子調(diào)節(jié)繞組，轉(zhuǎn)子反饋給調(diào)節(jié)繞組的功率越多，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出功率越少，轉(zhuǎn)速就越低。調(diào)節(jié)繞組因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，用以接受轉(zhuǎn)子中反饋的轉(zhuǎn)差功率，調(diào)節(jié)繞組處于發(fā)電狀態(tài)，抵消了定子繞組的部分有功功率，從而達(dá)到調(diào)速、節(jié)能的目的。內(nèi)反饋電機(jī)調(diào)速方案在技術(shù)上還是屬于附加電勢(shì)的串級(jí)調(diào)速范疇，但是由于取消了普通串級(jí)調(diào)速中的逆變變壓器，不僅減少了調(diào)速裝置的占地面積，調(diào)速系統(tǒng)更緊湊簡(jiǎn)單，同時(shí)也帶來了其他方面的好處。眾所周知，電力電子裝置會(huì)產(chǎn)生大量的諧波污染，如何以為經(jīng)濟(jì)的手段來抑制諧波造成的危害，是電力電子裝置的設(shè)計(jì)者必須考慮的事情。與串級(jí)調(diào)速，內(nèi)反饋電機(jī)調(diào)速制諧波污染方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于調(diào)節(jié)繞組在電機(jī)定子糟中是分布嵌線的，繞組短距和分布的結(jié)果會(huì)大大減少諧波電流對(duì)定子電流的影響。因此雖然轉(zhuǎn)子和調(diào)節(jié)繞組中存在諧波電流，但諧波磁勢(shì)卻很小。而普通串級(jí)調(diào)速中的變壓器繞組是集中繞組，其繞組系數(shù)為1，起不到抑制諧波的作用。電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子引出的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流輸出，通過斬波器進(jìn)行脈寬調(diào)制升壓，然后通過逆變裝置，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率反饋到電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)繞組。其中關(guān)鍵技術(shù)就是斬波電流控制，傳統(tǒng)的變流控制采用移相控制方法，致使產(chǎn)生大量的感性無功功率和次諧波電流。斬波控制從根本上解決了移相控制的缺點(diǎn)，逆變器的相角恒定，通過電力電子斬波開關(guān)的通斷，控制反饋功率的大小。另外斬波控制可使電機(jī)的調(diào)節(jié)繞組容量?jī)H為電機(jī)額定容量的15%左右。斬波控制更為可貴的是使控制可靠性大為改善，諸如瞬時(shí)停電、過壓保護(hù)等難以解決的問題都可以通過斬波開關(guān)順利得以解決。 各種常用方式的比較表31 各種常用方式的比較常用方式特點(diǎn)分析變極調(diào)速變極調(diào)速是通過改變定子繞組的極對(duì)數(shù)來改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的，是無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。由于極對(duì)數(shù)P是整數(shù)，他不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，只能有級(jí)調(diào)速。在供電頻率f=50HZ的電網(wǎng)，P=4時(shí)，相應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速n0=3000\1500\750r/min。改變極對(duì)數(shù)是用改變定子繞組的接線方式完成的。雙速電動(dòng)機(jī)的定子是單繞組，三速和四速電動(dòng)機(jī)的定子是雙繞組。這種改變極對(duì)數(shù)來調(diào)速的籠型電動(dòng)機(jī)，提出稱為多速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或變極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。多速電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠，運(yùn)行效率高，控制線路簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，對(duì)電網(wǎng)無干擾，初始投資低。缺點(diǎn)是有級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速級(jí)差大，從而限制了它的使用范圍。適合于按2～3檔固定調(diào)速變化的場(chǎng)合，為了彌補(bǔ)有級(jí)調(diào)速的缺陷，有時(shí)與定子調(diào)壓調(diào)速或電磁離合器調(diào)速配合使用。電磁離合器調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離合器由主動(dòng)部分電樞和從動(dòng)部分感應(yīng)子組成，其調(diào)速功能是通過調(diào)節(jié)感應(yīng)子勵(lì)磁電流的大小，改變氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而改變感應(yīng)子從動(dòng)軸的電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因此，在某一恒定轉(zhuǎn)矩下，勵(lì)磁電流發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，調(diào)速范圍很小，切非線性嚴(yán)重，勵(lì)磁電流損失都轉(zhuǎn)化為熱耗，屬于低效調(diào)速方式，一般用于低壓電機(jī)、功率不大的場(chǎng)合。液力耦合器調(diào)速高壓電機(jī)領(lǐng)域中傳統(tǒng)的調(diào)速方式是采用液力耦合器，但這種調(diào)速方式能耗大、效率低。其原因是存在嚴(yán)重的耦合損失和轉(zhuǎn)差損失。耦合損失是由于液壓油內(nèi)摩擦造成的；轉(zhuǎn)差損失是由于調(diào)速時(shí)輸出軸和輸入軸存在轉(zhuǎn)差造成的，這種損失隨轉(zhuǎn)差的增加而上升，即效率η=1s，其中s為轉(zhuǎn)差率。這兩部分損失最終都變成熱損失，此外，這種調(diào)速方式還有如下缺點(diǎn)：① 受執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)限制，調(diào)速精度差，同時(shí)還存在嚴(yán)重非線性，只有在15%～85%間是調(diào)節(jié)線性區(qū)，即使在這區(qū)間，仍存在增速與減速逆差間隙，造成自動(dòng)系統(tǒng)很難投入運(yùn)行；② 運(yùn)行不可靠，國(guó)內(nèi)已有多起由于液力耦合器葉片破損造成事故的先例，其主要原因是液力耦合器制造精度難以提高；③ 采用調(diào)速方式需要一整套油系統(tǒng)，維護(hù)工作量大。變頻調(diào)速變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的，是無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置是頻率變換器，即變頻器，由它來提供變頻電源。變頻器可分為交—直—交（交流—直流—交流）變頻器和交—交（交流—交流）變頻器兩大類。變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速效率高，啟動(dòng)能耗低，調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，調(diào)速精度很高，操作簡(jiǎn)便，且易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝控制自動(dòng)化。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速與變頻調(diào)速相比具有以下優(yōu)勢(shì)：① 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的控制在轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子電壓較低，因此，不受三相電源電壓的限制，易于控制實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的調(diào)速。而變頻調(diào)速，則需直接承受電源電壓，變頻調(diào)速裝置用于高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，就需要增加變壓器，不但費(fèi)用增大，效率也降低。② 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的控制裝置容量，可以按需要的調(diào)速比，在小于電動(dòng)機(jī)額定容量的范圍內(nèi)選擇，而變頻調(diào)速的控制裝置是與電機(jī)串聯(lián)的，必須等于或大于電動(dòng)機(jī)的額定容量，因而前者更經(jīng)濟(jì)。③ 由于定轉(zhuǎn)子的隔離作用，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變頻調(diào)速對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。④ 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置價(jià)格低廉，只有高壓變頻調(diào)速裝置的三分之一左右，對(duì)于風(fēng)機(jī)和水泵這類調(diào)速范圍不是很寬的機(jī)械類設(shè)備，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置優(yōu)勢(shì)尤為明顯。