电机调速新技术——斩波内馈技术简介
高频斩波内馈调速技术在节能改造中应用
浅析高频斩波内馈调速技术在节能改造中的应用摘要:本文分析了高频斩波内馈调速技术的技术优势,结合当前国内外的研究现状,浅谈了斩波式内馈调速在我国节能改造领域里的应用性。
关键词:高频斩波技术优势节能应用高频内馈调速作为一种节约创新型技术在二十一世纪更符合人类对生产和环境的要求,国家对于节能、增效等方面的需求。
本文就此浅谈一下高频斩波内馈调速技术节能研究现状,节能技术优势以及在节能改造的中应用。
一、内馈调速技术节能研究现状环保和节能是当今社会的热点话题,在资源有限的今天,如何降低能耗提高效率成为社会可持续发展的重中之重。
风机、水泵在我国的应用范围极广,其年耗电量约占总用量的43%。
目前,这类设备大多不能调速,只能采用阀门或挡风板来调节流量以满足负荷变化的要求。
在低压系统中,变频调速技术已经相当成熟,完全可以满足国内调速市场的需要。
而在高压系统中,串级调速和变频调速是目前比较常用的调速方式,但串级调速要采用移相控制方法控制变流,致使产生大量的感性无功和高次谐波电流;而变频调速的成本较高,设备投资回收期较长。
为适应市场需求,斩波式内反馈调速系统提高了斩波频率,改善了功率因数,同时大幅度的降低了转子电流波动,减小了谐波,提高了可靠性和电能质量,是一种技术含量高的新型机电产品,具有良好的性价比,尤其适合于大中型风机、水泵类负载的调速,可广泛应用于电力、供水、炼钢、水泥、造纸、化工等行业。
二、内馈调速技术节能优势斩波内反馈调速是我国首创具有国际先进水平的新型高压交流调速技术,与高压变频调速相比,具有效率高、成本低、可靠性高等突出优点,是高压风机、泵类节能调速的最佳选择。
斩波控制与内反馈电机的完美结合在理论和实践上都被公认为最佳调速方案。
斩波式内反馈调速是目前高电压交流调速效率最高的新技术,是高电压、大容量风机泵类节能调速的最佳选择。
内反馈调速系统作为一种节约能源型产品在二十一世纪必将更加符合人类对生产和环境的要求,随着电力电子技术的不断发展,产品不断改进,概念的深入,市场的拓展,它将显示出更大的发展空间和展示出巨大的社会、经济意义。
斩波式内反馈调速及其功率控制原理
z/2<a<Ⅱ一B.h
其中p.一为最小逆交角。
(1 2)
说明J(基波)滞后调节绕组电势E,a电角度。 由此得出内反馈调速电机的矢量圈:
相反增大转子损耗只匏政变转速辟,理想空袭转速不变,调速效率较低,机械特性呈汇 交型曲线族o=呋塑倒子为转子串电阻调谜,本文不加讨论。
图2为内反馈弭谜的功率控制园团,它形象地表达了调速功率控材原理。
尚反馈调建电机 胃齄硫率衄
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原来的如增加为q+Q,谊样,内反馈调速时,电机的有功功率碱小,无功功率却增大,
如果无功功率占主导地位,电机的视在功率将超过其额定值,无法正常运行。
二.变藏控朝的技术关鬟 在内反馈调速系统(包括串级调速)中,变流控钢装置的主要作用是:
I.实现频率变换,l;I使电机转子与调节绕组两个不同频率的电源进行有功功率的交换。 2.控制转子与调节绕组功率交换的置值,以使电机转速无级调节。
一.内反馈调速电机与功率控制原理
串缀谓逮的上述弊端,究其艰本是普通电机调速的内固不足所致。显然普通电机设计并
未虑及调速的需要,电机的调速内因不足,就要由外部补教,因此很难获得理想结果。 内反馈调逮电机是旨在加强调逮内因的特种电机,同时又具有与普通电机兼容(安装瞪
寸、技术性能)的特点。
由内反馈调遣电机(YQT)和变流控制装置(Z NK)构成的谓速系统,其工作原理
可以由图1说明。
串级调速(内反馈技术)与高压变频调速技术的比较
转子变频调速(斩波内馈、串级调速)与多级H 桥串联方式高压变频器比较一、转子变频调速技术简介转子变频调速是晶闸管串级调速的一种改进, 主电路如图1。
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。
图1转子变频调速主电路斩波器的工作原理:图2斩波器控制原理图斩波器控制如图2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dr I 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dr U 和转子交流电压r U ,也就控制了电动机的转差率s ,达到控制转速的目的。
因为 ()1dr r U U ρ=- ,通过改变占空比ρ,也就改变了dr U 和与它相关的r U 。
由转子电压0r r S U U =⨯得0rr s U U =,于是实现了调节转差率s ,从而调节异步电动机的转速。
二、斩波内馈调速技术简介采用内反馈电动机的转子变频主电路如图3所示,从原理上说属于斩波串调,只是逆变器为IGBT电压型PWM逆变器BI。
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被调速的6kV或10kV高压电机的定子有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。
高压变频、斩波内馈、转子电阻等方案的比较
转子电阻调速是通过平滑地调整转子电阻中两极板间的距离,来改变串入绕线式电机转子回路中的电阻,达到调整电机转速的目的。电阻越大,电机转速越低;电阻为零,电机达到全速。
2.3 缺点
2.3.1 必须更换成专用的绕线式电机。
2.3.2 虽然具有软起动功能,但起动性能不如变频和下面的转子电阻方案。
2.3.3 调速范围小于变频,但对电力行业特点而言也已足够。
2.3.4 虽然在电力系统已大量应用,但没有变频调速名气大,用户比变频调速少。
3 转子电阻调速方案
3.1 原理简介
1.3.3 从已投运的高压变频器看(包括进口产品如ABB),大部分存在着经常跳闸,运行不可靠的问题。
1.3.4 占地面积大,而且对环境要求高,需要清洁的专用房间,而且房间内应有高功率空调设备。
1.3.5 电子元器件如高压晶闸管等易损坏,供货周期长且费用高。技术复杂,不易维护。
1.3.6 现场调试周期长。
8T双端司机室机车
8T电机车多种型号和多种电压等级,并有安全和防爆特殊型两种。8T110V和8T132V电机车为一级传动,属于第一代产品,它具有结构简单、运行可靠的特点。
8T 144V电机车是为解决第一代机车后暸望而设计的产品。具有蓄电池容量大,机车重心低,后暸望好的特点。它结构设计合理,可靠性高,运行可靠。
1.2.4 在电力系统知名度大,已应用较多。
1.3 缺点
1.3.1 高压变频(又称变频控制柜)初其投入费用高(但适用于低压电机的变频器价格性能就很合适)。
斩波内馈与串级调速的对比
斩波内馈与串级调速的对比我公司是内馈调速的发源地、专利发明人单位,内馈产品已由80年代未第一代内反馈串级调速升级至97年研发的斩波内馈调速。
内反馈串级调速的缺点移相控制是传统串级调速普遍采用的控制方法。
控制目的是调节从转子抽出来的功率多少,从而实现无级调速。
移相控制的优点是技术简单,成本低,但缺点却十分明显。
主要有如下几个方面问题:1、人为地制造感性无功功率,使内馈电机激磁电流增大,运行恶化。
移相控制的实质是通过改变逆变电流滞后电压的角度来调节功率,根据公式功率因数角φ3(即逆变角β)在0°-90°之间变化,有功功率则相应改变。
但φ3变化却必然产生无功功率,它是由人为地改变φ3而产生的。
特别在调速告诉运行区,φ3角接近90°,无功功率非常大,这样就给电动机运行造成危害,它将使激磁电流剧增几倍至几十倍,如不采取措施,电动机将因过流而烧毁。
为了解决这个问题,无奈只有采取内补偿,也就是用容性无功功率补偿逆变器产生的感性无功功率。
不过内补偿的作用也是有限的,同时带来一些新的问题(1)无法做到合理补偿。
因为逆变器产生的无功功率是随调速而变化的,而内补偿的容量是固定不变的,所以两者不可能完全抵消,于是出现了过补偿或欠补偿。
在补偿功率大于逆变器无功功率时出现过补偿,很容易产生振荡,发生过电压,这对电动机运行十分危险。
当补偿功率小于逆变器无功功率时,出现欠补偿,没有完全抵消感性无功的负面影响,电动机功率因数仍然很低。
(2)补偿电容极易损坏。
由于内馈绕组电压会有丰富的谐波,对补偿电容危害极大,为此需加设串联电抗器来抑制谐波电流。
但电抗器和补偿电容串联又容易形成谐振,即使工作正常,电容器的工作电压也明显高于电源电压,电容器容易损坏,造成逆变器不能工作,降低了系统可靠性。
2、谐波分量大移相控制的逆变电流也就是转子电流,强度很大,其波形为方波状,但含有丰富的谐波成分,由于电流大,谐波也高,对电动机和电网影响较大。
斩波调速器工作原理
斩波调速器工作原理斩波调速器是一种用于调节电机速度的装置,它可以通过改变电机的输入电压或频率来实现对电机转速的控制。
斩波调速器的工作原理基于PWM(脉宽调制)技术,通过控制电源的开关时间和开关频率来改变电机的平均电压和电流,从而达到调节电机转速的目的。
斩波调速器主要由电源模块、PWM调制模块、滤波模块和功率输出模块组成。
电源模块负责将交流电源转换为直流电源,为后续模块提供稳定的电源供应。
PWM调制模块是斩波调速器的核心部分,它根据控制信号和电机的实际转速情况,通过调节开关时间和开关频率来控制电机的输入电压和频率。
滤波模块用于平滑PWM输出信号,减少电机的电磁干扰。
功率输出模块将滤波后的PWM信号转换为电机所需的电流和电压,驱动电机运转。
斩波调速器的工作原理可以简单分为三个步骤:采样、比较和控制。
首先,通过采样电机的转速信号,得到电机当前的实际转速。
然后,将实际转速与期望转速进行比较,得到误差信号。
最后,根据误差信号,通过PWM调制模块控制开关时间和开关频率,调节电机的输入电压和频率,使得误差信号逐渐减小,最终使电机的实际转速接近期望转速。
斩波调速器的优点是调速范围广,控制精度高,响应速度快。
它可以实现电机在不同负载下的恒速运转,提高电机的效率和使用寿命。
此外,斩波调速器还具有过载保护和故障自诊断功能,能够保护电机和调速器本身的安全运行。
斩波调速器在工业生产和家用电器中得到了广泛应用。
在工业生产中,它可以用于控制各种机械设备的转速,如风机、水泵、输送带等。
在家用电器中,斩波调速器可以用于调节洗衣机、空调、电风扇等电器的转速,提供更加舒适和节能的使用体验。
然而,斩波调速器也存在一些局限性。
首先,斩波调速器在调速过程中会产生谐波和电磁干扰,对电机和其他电子设备可能会造成影响。
其次,斩波调速器在低速调节时可能会出现震荡现象,影响电机的平稳运行。
此外,斩波调速器的成本相对较高,需要专业的技术支持和维护。
斩波调速器是一种用于调节电机转速的重要装置,它通过控制电机的输入电压和频率,实现对电机转速的精确控制。
斩波技术原理
斩波技术原理
斩波技术是一种将直流电转换为另一固定电压或可调电压的直流电的技术,也称为直流-直流变换器(DC/DC Converter)。
其工作原理主要是通过脉宽调制(PWM)或频率调制等方式,将直流电源“斩”成一系列的脉冲,再通过滤波电路将脉冲平均化,从而得到所需的直流电压。
斩波电路可以分为降压斩波电路、升压斩波电路和升降压斩波电路等。
斩波电路可以用于调节直流电压,广泛应用于各种电源供应系统和电机控制系统等领域。
斩波电路的工作原理可以分为以下几个步骤:
1. 调整脉冲宽度:通过控制斩波器开关的开通时间和关断时间,可以调整输出脉冲的宽度,从而得到所需的直流电压。
2. 滤波平滑:斩波器输出的脉冲电流经过滤波电路,将脉冲平均化,得到平滑的直流电流。
3. 反馈控制:斩波器可以通过反馈控制电路,根据输出电压的大小自动调整开关的开通时间和关断时间,实现输出电压的自动调节。
斩波技术的应用非常广泛,例如在电动车充电器、可调直流电源、LED照明电源等领域都有应用。
浅谈斩波内馈调速技术在工业设计中的应用
浅谈斩波内馈调速技术在工业设计中的应用引言当前大多数工业大型厂房中用电耗电量主要为风机、泵类等设备。
因此经常出现风机、水泵负载率长期偏低或负荷经常变动且幅值较大e,通常采用高效的调速技术改变电动机转速,从而达到节电目的。
其中,以引风机最为突出,大部分厂房中的引风机因功率较大,需采用高压电机,当前最广泛的调速方式为对高压变频调速及斩波内馈调速。
高压变频调速技术已经得到了广泛的应用,使用范围基本上覆盖了我国各主要行业。
斩波内馈调速是我国首创的新型交流调速技术,特别适用于需要高效节能的高压大中容量交流电机的调速。
虽然斩波内馈调速技术发展应用的时间并不长,但因其有自身的优势,目前在工业厂房设计中也逐渐应用开来。
1 斩波内馈调速技术与高压变频技术的比较目前我国的大部分工业厂房中,除引风机外其他厂用电负荷因功率较小均为低压供电,需要调速的电机多数采用低压变频调速,技术成熟,且经济灵活。
而引风机作为全厂最大用电负荷,常常采用10kV或6kV供电,其常见的两种调速方式(即斩波内馈调速和高压变频调速)之间的优劣,一直广为争论。
下面从几个方面比较两种调速方式:1.1 调速原理的不同高压变频器是一种高-高做法,由高压输入,再高压输出到高压电机,所有元件均承受高电压,通过多组IGBT模块组合实现大容量、高压变频。
相应元件故障率较高。
但进口IGBT模块运行可靠性较高,稳定性很好,整体故障概率较低。
斩波内馈调速是一种以低压控高压的高效率调速技术,突出特征在于“内馈”与“斩波”两项高新技术的有机结合。
与变频调速不同的是,内馈调速采用的是转子控制,因此避开了定子控制的高压问题。
它是使用在低电压、小电流上运行,采用元器件数量较少,系统较小,可靠性较高。
1.2 功率因数及谐波影响高压变频器输入侧的功率因数较低,目前变频器较多的使用电抗器法来改善变频器的功率因数。
斩波内馈调速的功率因数可以达到0.85,并且可以采用“内补偿”技术,将功率因数提高到0.92。
交流调速的功率控制原理与斩波内馈调速
交流调速的功率控制原理与斩波内馈调速屈维谦北京内达调速科技有限公司,北京100080摘要根据电动机最基本的电-机能量转换原理,对交流调速的实质进行了新的分析,并得出交流调速的实质是功率控制的结论。
交流调速的所有方法都可归结为电磁功率和损耗功率两种控制方案,电磁功率控制改变的是理想空载转速,调速是高效率的;损耗功率控制增大的是转速降,调速是低效率的。
同时提出了一种新型交流调速———斩波内馈调速,通过功率控制调速理论证明,该调速与变频调速遵循的是同一原理———电磁功率控制原理。
所不同的是变频调速基于定子控制,而斩波内馈调速则基于转子控制。
理论和实践证明,斩波内馈调速具有高效率、低成本等一系列优点,尤其在高压大容量电机调速方面,优势更为明显。
关键字异步机;调速;功率控制;效率;电转差功率;斩波内馈调速Principle of Power Control and Inner Feed by Chopping of Adjustable Speed for AC-motorQU WeiqianBaoding North Speed-regulation Co.Ltd.,China,Beijing100080China Abstract The essence of adjustable speed is analyzed based on transform principle of energy from electric tomechanical in AC-motor,and the power control is the essence of adjustable speed. Various methods of adjustablespeed are seen as control of electromagnetic power and power loss. The ideal speed under no-load is controlled by electromagnetic power and adjustable speed is high efficiency.Keywords asynchronous motor;adjustable speed;power control;efficiency;slip power;adjustable speed0引言斩波内馈调速是我国首创的一种新型交流调速技术,通过近20年的实践探索和理论研究,斩波内馈调速取得了长足的进步,产品在发电、供水、冶金等领域获得了推广应用,技术经济性能都达到了较为理想的指标。
斩波内馈调速
高压斩波内馈调速在风机电机上的应用叶正文摘要介绍了斩波内馈交流调速的原理、特性,与其他调速方法的比较,以及应用实测分析。
电力资源供求矛盾日益突出,节电已经成为我国经济发展的一项战略国策。
我国的风机、泵类耗电量占全国总动力耗电的43%以上,且绝大部分为恒速运行,只能靠调节风门、阀门或开、停数量来适应工况变化,效率只有30%。
如果能采用高效率、低投入的交流调速取代风门的调节方法,可以使供电成本大幅降低。
风机节电的关键是风机的调速经济运行,由于风机负载特性为平方转矩、功率与转速立方成正比,要达到节能,电机只得向下(降低)调速。
斩波内馈调速是我国首创的新型交流调速技术,特别适用于需要高效节能的高压大中容量交流电机的风机调速。
其各项技术指标均达到国际先进水平,是当今世界展现出来的一项新技术。
与调速性能最佳的高压变频相比,具有效率高、价格低、谐波含量少、功率因数高等许多优点。
对各种调速设备进行理论计算、节能效果、性价比等的比较分析后,于2004年山东济南钢铁集团总公司烧结厂将熔剂电除尘风机355kW/6kV交流异步电动机改造成斩波内馈调速。
一、斩波内馈调速基本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),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。
转子反馈给调节绕组的功率越多,轴功率输出就越少,转速就越低;反之,转子反馈给调节绕组的功率越少,轴功率输出的就越多,转速就越高。
可见,电转差功率是在转子一调节绕组间循环往复传输的,循环效率为99.8%,不需要经过电源供给,这是内馈调速的独特之处。
内馈调速的工作原理如图1所示。
为了获得高性能的调速,内馈调速在电机定子上另外设置了内馈绕组,用来接受电转差功率,有源逆变器使内馈绕组工作在发电状态,通过电磁感应将功率反馈给电机定子,使定子的有功功率基本与机械输出功率相平衡,内馈调速因此而得名。
斩波内馈调速是一种以低压(通常约为200~500V)控高压(6~10kV)的高效率调速技术,突出特征在于“内馈”与“斩波”两项高新技术的有机结合。
内馈调速的晶闸管斩波控制(DOC)
内馈调速的晶闸管斩波控制前言:变流控制是交流调速的关键,关系到调速效率、功率因数及其它技术性能,是近代交流调速研究开发的重点方向。
移相触发是迄今为止晶闸管(及其它电力电子器件)的主要控制手段。
其优点是控制简单。
但是移相触发人为地产生大量感性无功功率,使系统的功率因数恶化,同时随控制角的增大,产生大量的谐波电压,加重了电机及电网的波形畸变。
七十年代,曾伴随串级调速的发展,兴起了斩波控制,目的是克服移相控制存在的缺点。
实践表明,斩波控制确实有效地解决了移相控制的功率因数低、谐波畸变大等问题,被公认为取代移相控制的发展方向,但由于串级系统自身的问题,加之理论方面的原因,导致偏面地认为变转差率调速肯定不如变频调速,串级调速日趋萧条,斩波控制也被搁浅。
电机调速功控理论的提出和新型内馈调速的问世,解决了认识、评价交流调速的理论问题,同时指出了变转差率调速新的发展方向,这时,控制方法和控制性能的选择就显得尤为重要。
斩波控制于是被重新提到研究、发展议程。
事实证明,斩波控制的内馈调速甚至串级调速不仅具有不亚于变频的技术性能,而且在经济性上明显优于后者,特别是在高电压、大中容量的交流调速应用上优势尤为明显。
本文提出的晶闸管电流型斩波电路,较好地解决了辅助关断一直存在可靠差的性问题,使晶闸管斩波器的关断快速、简捷可靠。
关断电路采用自励式,不需要附加电源,不仅简化电路,更重要的是提高了斩波频率,减小了损耗。
1、斩波与移相的功控原理及对比从功率控制调速原理角度看,变流装置的主要作用有二:①控制异步机转子的附加电功率大小,以改变转子的总电磁功率,而产生调速;②进行必要的频率转换,以使转子和反馈绕组两个频率不同的电源完成有功功率交换。
对于图1的内馈调速系统,变流装置的有源逆变器是完成上述任务的关键。
图1 普通内馈调速系统有源逆变器(以下简称逆变器)以固定的工频频率触发,把阀端的直流功率转变为工频功率,完成了频率转换工作,余下便是如何控制附加电功率的大小了。
斩波内馈调速
(飞跃,是内馈调速的最佳控制方式和技术完善的标志。
斩波内馈调速(屈氏调速)原理
1、内馈电机原理
内馈电机是在电机内部特殊设置了内馈绕组,目的是接收从转子移出的电转差功率。内馈绕组处于发电状态,抵消了定子绕组的等量输入功率,使得P1=PM+Pi≈PM,从而实现电机高效率的节能运行。如下图,电机调速时,转子的部分功率通过电传导馈入内馈绕组,如果忽略损耗,内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内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;反之则相反。
2、斩波的原理和意义:
斩波实质是调速主电路的数字控制,斩波器相当于按一定的频率,周期性地接通和关断的高速开关。在斩波控制中,控制斩波开关的导通时间(即占空比),就可以实现对逆变电流的控制,于是控制了反馈到内馈绕组的电流和功率,从而实现内馈调速。
斩波控制的意义在于:
(1)内馈绕组只含有功功率和电流,最大容量由移相控制的100%电机功率降低为14.8%,使内馈调速电机工艺简化,成本降低。
斩波内馈与变频调速的对比
四、斩波内馈调速技术指标与变频调速的比较。
1.价格低廉,只是变频调速的1/2~1/3;2.运行可靠,连续无故障运行10000小时以上;3.效率高,η=99.87% 变频调速η=94%;4.功率因数高COSΦ=0.925.谐波污染小,电流畸变率小于5%,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。
变频调速的谐波高达30-40%,•且直接污染电网,需加装滤波装置,电力部门才允许运行。
6.控制功率小,由于是在转子侧实施调速控制,而转子电压较低,其控制功率只为电机功率的40-50%。
变频调速是在电机网侧控制,直接承受电源电压,控制功率要大于电机功率,一般为(1.2-1.3•)倍的电机功率。
7.体积小,结构简单,变频调速系统庞大,高压变频调速一般为:高~低或高~低~高系统,需配置1-2•台变压器及相应的高压开关柜,占地面积大,价格昂贵,效率低。
而且均需进口,用国家外汇,维修也不方便。
8.调速平均节能高达50%,变频调速平均节能只有40%。
五、斩波内馈调速的可靠性与变频的比较1.性能优秀的交流调速要求电机本身尽量充实调速的内因,而且要具有适应调速控制的功能。
调速的内因不充分,如果全部依靠外部控制装置来补救,不仅困难重重、代价昂贵,而且有些问题无法实现。
就是变频调速,也要求调速异步机有较大的改进,诸如绝缘、谐波、轴电流等问题,在高压电机调速上显得尤为突出,如不采取有效措施,将严重影响电机的工作和寿命。
2.电机控制原理的可靠性斩波内馈调速系统是基于异步电动机转子的电磁功率控制调速,由于转子和内馈绕组都是低压的,因此控制装置回避了变频调速定子控制的电源高压问题。
通常,调速控制装置的实际工作电压在200-400V之间,克服了电力电子器件耐压条件对高压异步电动机调速发展的限制,提高了电力电子器件在应用中的可靠性。
3.障兼容能力任何控制设备都不可能百分之百的可靠工作,提高系统可靠性的关键在于提高系统的故障兼容能力。
斩波是电力电子控制中的一项变流技术
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,因其波形如同斩切般整齐、对称,故名斩波。
斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位,它不仅关系到调速的技术性能,而且直接影响设备的运行安全和可靠性,因此。
如何选择斩波电路和斩波器件十分重要。
IGBT是近代新发展起来的全控型功率半导体器件,它是由MOSFET(场效应晶体管)与GTR(大功率达林顿晶体管)结合,并由前者担任驱动,因此具有:驱动功率小,通态压降低,开关速度快等优点,目前已广泛应用于变频调速、开关电源等电力电子领域。
就全控性能而言,IGBT是最适合斩波应用的器件,而且技术极为简单,几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。
但是要把IGBT斩波形成产品,问题就没有那么简单,特别是大功率斩波,如果不面对现实,认真研究、发现和解决存在的问题,必将事与愿违,斩波设备的可靠性将遭受严重的破坏。
不知道是出于技术认识问题还是商务目的,近来发现,某些企业对IGBT晶体管倍加推崇,而对晶闸管全面否定,显然,这是不科学的。
为了尊重科学和澄清事实,本文就晶闸管和以IGBT为代表的晶体管的性能、特点加以分析和对比,希望能够并引起讨论,还科学以本来面目。
一. IGBT的标称电流与过流能力1) IGBT的额定电流目前,IGBT的额定电流(元件标称的电流)是以器件的最大直流电流标称的,元件实际允许通过的电流受安全工作区的限制而减小,由图1所示的IGBT安全工作区可见,影响通过电流的因素除了c-e电压之外,还有工作频率,频率越低,导通时间越长,元件发热越严重,导通电流越小。
图1 IGBT的安全工作区显然,为了安全,不可能让元件工作在最大电流状态,必须降低电流使用,因此,IGBT上述的电流标称,实际上降低了元件的电流定额,形成标称虚高,而能力不足。
根据图1 的特性,当IGBT导通时间较长时(例如100us),UCE电压将降低标称值的1/2左右;如果保持UCE不变,元件的最大集电极电流将降低额定值的2/3。
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。
1. 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12sf f ,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。
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电机调速新技术——斩波内馈技术简介
一、背景介绍
面对不可再生的一次能源,如石油、媒、天然气等资源的即将枯竭,全世界对节能的呼声越来越强烈。
据统计,我国电能的60%是由电机所消耗的,在所有电机中,风机和泵类所占比例大约为50%,而风机和泵类负载大都可以通过调速来实现节能。
全国有800亿元的电机节能市场,其中高压电机的节能市场大约有400亿元,而且每年还在以20%的速度在增长。
近几年面向电机节能的技术产品很多,主要是通过改变电机的转速来达到节能的目的,调速技术主要包括:变频调速、换向器电机调速……等等。
这里介绍是一种新型的、很有前景的电机节能技术,即斩波内馈调速技术。
斩波内馈调速技术是由保定北方调速有限公司屈维谦历经十多年的探索发明的,并申请了多项发明专利和实用新型专利。
该技术在2001年9月通过鉴定,鉴定结果是“国内首创,世界先进”。
国务院副总理曾培炎亲自批示要在全国大力推广该项技术。
二、斩波内馈技术介绍
下面对该技术作以简单介绍。
如图1所示,绕线型异步机的转子是开启的,可以通过电传导对转子直接进行电磁功率控制,实现高效率的调速。
方法是从转子口移出或注入电功率,以改变转子的净电磁功率,使理想空载转速得以调节,进而改变输出的机械功率。
图1 斩波内溃技术原理示意图
图1的内馈调速系统,异步机的定子上,附加了与原绕组相绝缘的内馈绕组(亦称调节绕组),用来接受转子移出的电转差功率Pes。
内馈绕组在旋转磁场的作用下,产生频率为f1、幅值恒定的感应电势E3。
变流装置使内馈绕组工作在发电状态,把所接受的电转差功率又通过电磁感应,反方向传输给定子原绕组,使定子的输入功率减小,与机械功率相平衡,实现了高效率的无级调速。
转子的净电磁功率P2如下式所示:
式中:Pem为定子传输给转子的电磁功率,
Pes为附加电磁功率(以下称电转差功率),
其值将随Pes的方向和大小而改变。
式(1)中的-Pes表示移出,而+Pes表示注入,前者使转子的净电磁功率减小,后者则使其增大。
此时异步机的理想空载转速为:
可见。
在节能应用中,通常是要降低电机的转速,所以一般是将转子的功率反馈回定子,所以Pes为负值。
Pes 越大电机的调速范围就越大;反之就越小。
通常调节范围在50%以内。
三、斩波内馈技术的特点
●优点:
1) 定子电压、频率不变,主磁通亦不变。
因此可以方便地实现恒转矩调速,避免了定子控制调压变频的麻烦。
2) 可以通过转子的低压控制实现高效率的调速,回避了定子控制的高压问题,因此高压下的可靠性容易得到保证。
3) 使逆变器和内馈绕组容量减小。
4) 由于定、转子的隔离作用,可以抑制谐波电流对电源的影响,最大电流谐波小于5%。
5) 减小内馈电机的体积和附加成本。
6) 提高了调速的控制精度、线性度和机械特性硬度。
●缺点
该技术的最大缺点是应用场合有限,目前还只能应用于绕线式电机。
电机按结构可分为鼠笼式结构和绕线式结构,且鼠笼式结构由于其具有结构简单、成本低等优势而应用较多。
这对该种产品的应用来说受到了很大限制,而变频调速技术适用于任何电机。
但是绕线式电机应用在需要调速场合,在这种情况下斩波内馈技术就发挥出它的优势了。
现在节能问题的越来越受到广泛的重视,大家都在寻找最佳的节能途径。
电机通过调速来实现节能是最普遍的方式,因此绕线式电机的应用也会越来越广泛。
同时斩波内馈技术的出现,将又会进一步促进绕线式电机的应用。
我们应该清楚的看到:绕线式电机配备斩波内馈技术将会成为未来电机调速技术的重要方向。
四、相对变频调速的优势
在目前的400亿的电机调速市场中,只有5%被开发,大部分产品采用变频调速技术,而且很多产品是国外价格高昂的变频器。
很多人认为变频调速是最佳的调速方式,这种看法近些年来一直左右着客户的选择。
但是经实践证明斩波内馈技术在电机调速,尤其是高压电机上具有更加优越的综合效果。
与变频调速技术相比,其调速性能不相上下,同时它具有以下几个优点:
1) 价格低廉,只是变频调速的1/2~1/3;
2) 运行可靠,连续无故障运行10000小时以上;
3) 效率高,η=99.87% 变频调速η=94%;
4) 功率因数高COSΦ=0.92
5) 谐波污染小,电流畸变率小于5%,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。
变频调速的谐波高达30-40%,•且直接污染电网,需加装滤波装置,电力部门才允许运行。
6) 调节功率小,由于是在转子侧实施调速控制,而转子电压较低,其调节功率只为电机功率的40-50%。
变频调速是在电机网侧控制,直接承受电源电压,控制功率要大于电机功率,一般为(1.2-1.3•)倍的电机功率。
7) 体积小,结构简单,变频调速系统庞大,高压变频调速一般为:高~低或高~低~高系统,需配置1-2•台变压器及相应的高压开关柜,占地面积大,价格昂贵,效率低。
而且均需进口,用国家外汇,维修也不方便。
8) 调速平均节能高达50%,变频调速平均节能只有40%。