内馈调速的斩波控制原理

1 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12sff，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。因为无功功率不仅不起调速作用，反而会引起无功损耗，增大电机负担。

4) 谐波分量小，尽量减小对电机和电源的谐波影响。

5) 线路经济，性能可靠

至于变流控制的效率，尽管控制形式千差万别，但均属于电力电子系统，因此效率都很高（95%以上），故未列入功能要求之中。

基本功能是调速所必须的，所有的控制装置都要做到。实际上，变流控制的性能优劣，关键取决于后三项功能，不同的变流控制方式差别是非常之大的。

2. 移相控制的原理与缺点

图1是典型的移相控制变流电路,由三相整流器、平波电抗器和三相有源逆变器所构成。转子电压与三相整流器相联，三相有源逆变器则与内馈绕组相联，为使电流连续并抑制谐波，在直流回路中串入平波电抗器。电路的工作原理是：为了实现频率转换，首先将可变的转子交流电压整流成

2 为直流，这样，不管转子频率怎样随转速变化，其直流输出的频率都是零，是以不变应万变思想的体现。

有源逆变器是将直流变换成交流，并使直流电能馈入交流电源的变流装置。转子直流电流经过电抗器L流入有源逆变器的直流输入端，通过按工频频率有序地轮流触发逆变器的晶闸管，将转子直流转换为交流并流经内馈绕组，同时控制电流与内馈绕组电压的相位（即使电流与电压基本反相），使内馈绕组处于发电状态，于是，转子产生电转差功率并且交换给内馈绕组，完成了频率转换和功率交换的功能。其等效电路如图1-2所示，

图1 移相控制的变流电路 图2 直流等效电路

移相控制突出的缺点是人为的产生感性无功功率，问题主要出在电转差功率的连续控制上。从内馈绕组的角度观察，从转子移出的电转差功率为

33313cosIUmP 。 （1）

分析发现，要改变P3大小，式中除了功率因数角3之外都不可调，理由是：内馈绕组的相电压U3取决于线圈匝数，一经制造完成不可改变；电流I3就是转子电流I2，而转子电流取决于负载，不可控制，至于相数也不可改变。

根据变流理论，逆变器功率因数

coscos3 ， （2）

当畸变系数μ近似不变时，功率因数取决于逆变角。受器件工作原理的限制，逆变角的取值为0○—90○，而且是滞后的，于是造成逆变电流滞后电压，其中的无功分量是电感性的，这是最为不利的。

在改变逆变角时，有功功率按公式1变化，但同时产生感性无功功率

33313sinIUmQ 。 （3）

这部分无功功率是人为控制所产生的，它将使内馈电机的定子激磁电流增大，因为无功功率最终要由电源通过定子来平衡。实际运行发现，当逆变角接近60○时，定子电流的有功分量还不到额定值的35%，但激磁电流却剧增到80%，致使定子电流超过额定值。如果继续增大逆变角，电流还要增大，电机根本无法正常运行。

移相控制另外的主要缺点是可靠性较差。与无源逆变器不同，有源逆变器对换向的要求是非常严格的，任何换向失误，都将导致逆变颠覆也就是严重短路的后果。造成换向失败的原因主要有：

1) 触发脉冲错误。

3 2) 换向重叠角大。

3) 逆变晶闸管损坏。

4) 逆变交流电源异常。

技术上难于防范的是前两项。一是触发脉冲的移动和抗干扰的矛盾，脉冲移相要求具有快速响应性，因此要求电路惯性环节小。而抗干扰则要求电路具有时间常数较大的滤波环节，电路无法同时满足这两个相互矛盾的要求，只能牺牲抗干扰性能，脉冲移相电路的可靠性降低。二是换向重叠角大，根据变流技术原理，换向重叠角与逆变电流成正比，而移相控制的逆变器电流等于转子电流（I3=I2），电流较大，换向重叠角自然较大。上述的问题在移相控制电路当中是很难解决的。

此外，移相控制还有以下缺点：

 内馈绕组的电流和视在功率大。由于内馈绕组电流即是转子电流，因此内馈绕组的导线必须按最大转子电流选择。而绕组中包含大量的无功功率，造成绕组的体积和损耗都增高。

 谐波分量大。输入内馈绕组的电流受变流非线性的影响，波形含有大量的谐波分量，由于其电流基值较大，谐波分量的绝对值也高。

 控制非线性。由于内馈绕组的功率与逆变角的余弦函数成正比，而不是正比于逆变角，因此转速与给定信号呈非线性关系，实践表现为转速变化不均匀，给操作和自动控制造成不便。

传统串级调速和第一、二代的内馈调速，限于当时的技术条件，采用的都是移相触发控制，虽然应急采取了内补偿措施，能够减轻一些弊端，但没有从根本上解决问题。从移相控制原理上看，有源逆变器承担着频率变换和功率控制的双重任务，怎样改进都难免顾此失彼，从根本上解决问题只能另辟蹊径。

3. 斩波控制的原理与意义

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，可能是因其波形如同斩切般整齐、对称，故名斩波。

斩波的性质是强电的数字控制，根据控制对象不同，分为电压斩波和电流斩波。前者的斩波器串联在电路中，又称串联斩波；后者的斩波器则并联在电路中，所以称为电流斩波。在斩波内馈调速系统中应用的是电流斩波。

斩波控制是克服移相控制缺点的较好方法，图3所示的斩波控制电路是在逆变器NB两端并联一个斩波开关ZB。通过脉宽调制，改变逆变电流I3，逆变角则固定在最小值不变。

图3 斩波式逆变器原理及等效电路

斩波器对功率的控制是通过改变电流平均值实现的。斩波器通常以“恒频调宽”方式工作，在

4 电流连续条件下，斩波电流和反馈电流互补，因此，只要分析其中任意一个电流对功率的控制作用，就可以说明调速机理。斩波控制的电机调速等效电路如图4所示。

图4 斩波控制的内馈调速电机T形等效电路

斩波开关工作时，斩波电流iM和逆变器阀端电流iN波形如图5。

图5 斩波与逆变直流电流波形

其中，斩波电流IM产生机械功率，逆变电流IN则产生电转差功率。设斩波开关导通时间为t1，周期为T，斩波电流平均值为

dtdMITtdtiTI1011 。 （4）

令： Ttd1 ， 称为占空比。

则 dMIdI ， （5）

相应的逆变直流电流值为：

5 dMdNIdIII)1( 。 （6）

如果从逆变器输出角度观察，转速与P3的关系为

TpTPPem23 ， （7）

由于改变占空比即可改变逆变电流，控制反馈功率P3，因此实现转速控制。另外还可以由斩波器角度理解，根据功率控制原理和图4的等效电路，流经斩波器的电流，即是产生机械功率的电流，而转速与机械功率成正比，所以改变斩波器电流就可以正比改变电机转速。

斩波控制的优点为：

1) 逆变器和内馈绕组容量减小，对于风机水泵类负载，最大值仅为电机容量的4/27，比移相控制至少减小3倍。

2) 逆变角不变和逆变器容量减小，提高了有源逆变的可靠性。

3) 改善变流控制的功率因数，逆变器功率因数恒为0.9，而移相控制的最低功率因数为0.05。

4) 减小逆变的谐波分量，使系统的谐波电流小于5%。

5) 减小内馈电机的体积和附加成本。

6) 提高调速的线性度、精度和机械特性硬度。

4. 自励式晶闸管斩波器

晶闸管虽然不能通过门极控制自关断，但具有大电流、高电压、可靠性高等优点，迄今仍然是大功率变流电路的重点选择器件。

晶闸管斩波器的技术关键在于关断，通常采用电容储能方式对斩波晶闸管实行强迫关断。典型电路如图6。

图6 他励式晶闸管斩波的典型关断电路

该电路的缺点是可靠性差，关断损耗大。关断电容由外附的整流电源充电，当意外扰动时，辅晶闸管KF1、KF2可能同时导通，造成整流电源短路。特别在小占空比时，这种现象极易发生，严重影响电路正常工作。另外，关断电容的充电电流幅值很大，趋肤效应强，整流变压器发热严重，电路难以实用。

图7 是作者设计的自励式晶闸管电流型斩波电路（专利号：ZL 01 2 25301 .4 ），较好的克服了上述电路的缺点。其工作原理为：由辅晶闸管KF1-4和关断电容C1构成自励式关断电路，其充电电源取自平波电抗器的输出端，无需另设。在主斩波晶闸管KV导通之前，预先触发KF1-2，使C1充