转子变频调速及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）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0r

r 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。

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 ，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。这就是所谓的“转子变频调速”，更多称为“内反馈串级调速”。内反馈串级调速的介绍如下：内反馈串级调速系统由内反馈串级调速电机和与之配套使用的控制装置组成。内反馈串级调速电机是在国家标准系列绕线型感应电动机的定子上增设了一套三相对称绕组，称为调节绕组，而将原来的定子绕组称为主绕组，为保证合理的磁负荷，适当加长电机定转子铁芯，以保证有效的铁面积不变。因此属特制电机。

内馈调速是通过将转子的部分功率（即电转差功率）转移出来，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。

内反馈串级调速使转子的净电磁功率发生改变，属绕线型感应电机转子串附和电势进行调速的理论范畴，在绕线型异步电动机转子回路中叠加一个与转子电势同频率的附加电势,通过改变这个附加电势幅值的大小和相位来实现调速。但在内反馈交流调速系统中,产生附加电势的附加电源是由电动机本身提供,而未被消耗的转差功率是反馈到电动机本身,而不象串级调速系统中其附加电源由电网通过逆变变压器产生,同时未被消耗的转差功率又反馈到电网。同时，调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用而产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。

三、转子变频调速、斩波内馈调速装置与变频调速的比较的优势：

由于转子变频调速、斩波内馈调速装置在电机的转子侧进行整流逆变等过程，所控制的容量仅为电机额定功率的30%左右，转子的工作电压一般低于1000V（若采用3300V/800A 的IGBT,转子工作电压提高到1500V,做到3000KW/10KV电机），回避了定子侧的高压与大容量问题，所以成本较低、处理能量也低、处理电压也低是其最大优势，转子变频调速、斩波内馈调速在调速范围较小、功率较小时，价格上有优势。特别地内馈调速无变压器，占地面积相对又较小。

四、转子变频调速、斩波内馈调速装置与定子变频调速的比较的劣势：

1、转子变频调速、内馈调速仅适用于绕线式电机，且内反馈方式必须更换增加内馈绕组的特制电动机；如果是普通电机节能改造，则需要加装逆变变压器。

2、存在调速范围窄(多为额定转数的50%~100%)、低速特性变差、调速范围小（节能范围亦窄）；

3、电流谐波大(约5%，超过了国标限值4%，若采用内反馈电机的漏抗设计加大（成本增加）利用电机漏抗降低谐波电流，可勉强达到4％。

4、转子变频调速或斩波内馈调速时不能实现软起动，启动需采用外加的软启动设备限流（一般1000KW以上采用水电阻启动，1000KW以下用频敏变阻器的居多）。

5、运行功率因数比变频调速低得多(特别转速降低越多差距越大，需加上补偿电容器

和斩波技术，才达0.9)；

6、内馈调速节能效果在高速运行（90%额定转速以上）时是比变频调速效率高约2~4％，转子调速由于需配置变压器，效率并无优势；特别在速度再低时这两种方式的实际效率低于高压变频调速系统；

7、有些技术落后的转子变频调速或斩波内馈调速其逆变器甚至还在采用可控硅触发逆变角调节，这样易造成逆变颠覆，造成设备严重事故等缺点，由此产生一些采用SCR逆变技术的需要复杂的“防颠覆保护技术”以防止逆变颠覆。

8、转子变频调速或斩波内馈调速装置的一个通病就是当需要响应速度快时不能实现闭环控制,响应太慢，控制精度太低。

9、若封闭转子的接触器或者真空开关连锁失败时，会造成转子开路的严重后果，造成烧毁电动机和调速设备的毁坏性事故。

五、转子变频调速、斩波内馈调速与多级H桥串联方式的高压变频器在几个主要方面比较●对电机的要求

转子变频调速须采用绕线式电机，并配备回馈电网的变压器；斩波内馈调速必须使用特殊的电机；高压变频器则可以使用任意的异步电机。特别是内馈电机制造工艺复杂，属于非标产品，维修时可能会比较麻烦，维修费用肯定比普通电机高，另外，转子上有滑环，维护工作量大；内馈调速系统在功率较大时，可靠性很低，与电机有一定的关系。高压变频器可以一带多运行，对于水泵类负载，常常需要在运行电机和备用电机之间进行切换，内馈调速电机不能满足此需要。转子调速的绕线式高压电机、内馈内反馈调速的高压电动机的转子必须是绕线式的，必须有三个滑环，增加了电动机故障。而由于转速较高时滑环的制造工艺复杂影响斩波内馈调速的功率做不大，例如做到1200KW时，如果转速要调到一半，则转子滑环上的电流超过1000A。这些增加了由于滑环故障导致的电动机故障与维护工作量与维修更换时间。

●功率因数

高压变频器在整个负载范围内，电网侧的功率因数都在0.96以上，所以无需附加任何功率因数补偿措施。转子调速或斩波内馈的控制部分的功率因数可以达到0.9左右，但这只是系统功率很小的一部分，其电网侧的功率因数随着转速的下降而下降，低于异步电机本身的额定功率因数，调速系统的功率因数在0.5-0.7之间。用户可以购买补偿柜来提高功率因数，但是功率因数是随着负载变化的，补偿起来非常麻烦，这个问题在技术上没有很好的解决办法。