内反馈斩波调速装置及其选型

摘要：大功率风机、水泵等大型电动机的节能调速是当前火电、热电、钢铁、化工、建材、石油、造纸、自来水等企业所重视的问题，采用IGBT元件制作的内反馈斩波调速装置在这一领域有着突出的性能优势。在阐述内反馈斩波调速工作原理的基础上，具体介绍了IGBT元件的优点，及不同方案内反馈调速装置性能比较。在斩波器和逆变器中，应用IGBT元件可克服SCR元件的直通故障和其固有的颠覆故障，提高斩波器的工作频率并大幅度减小了逆变器的逆变角。因此，内反馈斩波调速装置是风机、水泵调速节能的首选设备。
关键词：内反馈斩波调速；IGBT元件；大功率风机；大功率水泵；节能
0 前言
近年来，内反馈斩波调速在大型电动机，如大功率风机、水泵的节能调速
应用中，越来越显现出它的优越性，尤其是采用IGBT模块的装置更是如此。本文就该装置及其选型作一介绍。
1.    装置可靠性高
以1000KW电动机为例：斩波调速装置内，有一套大功率三相逆变器，使用的IGBT 元件只需12只（2只三相模块），它的驱动脉冲宽度是固定的，因而控制简单。相比之下，高压变频器则是由15套单相逆变器组合成的，使用的IGBT元件大约120只，它的驱动比较复杂。当使用同一档次的元件时，显然，元件用得越多，故障概率越高；再者，对于高压变频器，元件对地处于高电压下，空气中的灰尘，潮气的影响极大。而斩波调速是在绕线式电动机的转子侧实现的，它的电压比较低，因此，斩波调速装置的元件工作条件比高压变频器优越得多；
适用于内反馈斩波调速的电动机是绕线式电动机，尽管结构上比鼠笼式电动机要复杂一点，它有滑环、碳刷，降低了电动机的可靠性，但对于大部分风机来讲，转速低于1500转，因而碳刷使用寿命大大提高，只要控制好电动机的启动电流和转子电流的脉动分量，可靠性仍然是高的。
2. 效率高
在各种调速方法中（液力偶合器、液态电阻调速、高压变频器、内反馈斩波调速），内反馈斩波调速的效率是最高的。这是因为这种调速方法是在绕线式电动机的转子回路实现的，被控制的是电动机的转差功率部分，而电动机转差功率只有轴功率的25%左右，所以调速装置的效率高，超过0.98。而对于高压变频器，电动机的全部功率都由变频器变换，包括无功成分，所以高压变频器的效率只有0.95。     
3. 对电网的影响小
斩波内反馈调速装置使用时，电动机定子电流的谐波含量小于4%。对于高压变频器，尽管采用许多办法，力图减小的输入整流器产生的高次谐波，但由于整流器的输出端电容器的影响，电流的高次谐波分量仍然很大。
4. 维修容易。
采用模块结构的IGBT元件以及较少的数量，使得装置的结构简单，当然维修容易了。
5. 成本低。尽管内反馈电动机的价格要比鼠笼式电动机高，斩波调速系统的总体市场价格仍然只有高压变频器成套系统的50%。
一．    内反馈斩波调速的工作原理
内反馈斩波调速方案如图（1）所示。见图（1），内反馈斩波调速装置是由整流器，斩波器，和有源逆变器组成的。转子电压被整流后经过限流电抗器L加到斩波器。斩波器是由IGBT元件M1和二极管、电容器等组成的，其中M1作周期性导通和关断动作，如图（2）所示。当M1导通时，电动机转子电流随时间上升，此时电机的转速也趋向于上升。当M1关断时，储藏在电抗器中的能量使M1两端的电压升高并经过二极管使电容器充电。由于斩波器后边的阻抗较大，所以转子电流将随时间下降，此时电机的转速也趋向于下降。
当M1不断地导通和关断时，转子电流平均值为ICP1，由此确定了电动机的转速为N1。当改变M1的    导通时间与关断时间的比例时，见图（2）的T2′，转子电流的平均值达到ICP2，电动机的对应转速为N2。M1关断时间与周期时间的比用D2来表示，称为关断占空比，可见当改变斩波器的占空比D2时，可以改变通过斩波器回路的电流大小，从而改变了电动机的转速。
电容器上的能量则由IGBT组成的有源逆变器M2重新变换成交流并经过LC滤波器滤波后反馈到电动机定子的附加绕组，从而实现转差能量的回收。
由图（1）看出，如果斩波器M1连续导通，则转子电流逐渐升到最大值（其大小决定于负载转矩的大小），电机转速为最高；如果斩波器M1连续关断，转子电流被整流后直接加到逆变器，经逆变器变换后反馈到电动机附加绕组。这时电动机将具有最低的转速。当斩波器的导通和关断介于这两者之间时（即导通占空比100%—0），电动机的转速将处于最高和最低转速之间。
   表1为某电动机调速运行时部分数据
                某电动机正常生产时的调速运行记录             表1
占空比%    转子电压    转子电流    反馈电压    反馈电流    转速rpm    定子电流    有功MW[Page]
全速                    1485    62    0．5
90    127    260    880    20    1305    61    0．4
80    168    230    882    36    1248    56    0．4
70    210    222    890    62    1190    56    0．3
65    200    274    892    72    1100    49    0．3
这种调速方法，一方面当改变斩波器的占空比时，改变了电动机的转速，另一方面，通过逆变器将电动机的转差能量反馈到电动机的反馈绕组，从而提高了机组的效率。
        6KV母线
                               L  


内反馈电动机                              Ud                Udβ   

                                        M1          M2
                            整流器            斩波器          逆变器      
                  U2     
                          
                          L—C 滤波器
  图（1）   斩波调速装置示意图

根据图（1），调速工作时，整流器输出电压Ud总是与逆变器输出电压（略去电抗器等的压降）U2相平衡：
整流器的输出电压为
                  Ud = 1.35 S E20           ---    (1)
斩波器的输出电压为
                  Udβ= 1.35 U2 COS βmin ---    (2)
斩波器输出电压与输入电压之间存在下列关系
                  Udβ=k Ud               ---    (3)  
当电动机稳定在某一速度运行时，转子电压稳定在一个确定的数值上，
将(1)，(2)式代入(3)式，并整理后得：
                  S =(1/k) ( U2 / E20 ) COSβmin
所以
    n = n0 [1-（1/k）（U2 / E20）COSβmin ]  ---   (4)[Page]
其中
k为斩波器的电压增益系数
E20----  转子开路电动势（线电压）
U2 ---- 电动机反馈绕组电压（线电压）
S  --- 转差率
n  --- 电动机转速
    n0 --- 电动机同步转速 
βmin---最小逆变角，在逆变器中，保持不变并取最小值

进一步的分析知道，斩波器的增益可用关断占空比来表示，
k = Udβ/ Ud = 1/D2
其中D2是关断占空比，（D2=T2/T）。于是转速表达式成为
n = n0 [1- D2 ( U2 / E20 ) cos βmin ]    ---    (4)′
由(4)′式可以清楚看出，如果改变斩波器的占空比，可以改变电动机的
转速，当占空比D2增加时，电动机转速下降，反之则电动机转速上升。

            △iL1    △iL2                             ICP2

                               ICP1       

               T1



                   T2                     T2′    
                  T                 T

             图（2）   斩波器工作时转子电流表现形式

当斩波器连续关断时，即D2=1，电动机达到最低转速，如下式所示
n = n 0 [1- ( U2 / E20 ) cos βmin ]
当电动机制造好以后，它能够达到的最低转速也就确定了。对于风机和水泵的调速，最低转速不低于60%左右。
二．     IGBT元件在斩波调速装置中的应用
IGBT元件是20世纪90年代迅速发展起来的大功率电力电子元件。由于
它的优越控制性能，现代的高低压电压型变频器毫无例外，都采用IGBT作电力电子开关元件。同样，IGBT元件正被越来越多的内反馈斩波调速装置制造商所采用，这是因为采用IGBT元件制造的斩波器和逆变器具有很高的可靠性和优良的性能。
IGBT元件的突出优点：
1．    电压控制型自关断元件，控制功率小，使用方便；
2．    工作频率高，开关时间短：典型的导通时间和关断时间只有2uS，这么短的关断时间，使它能够快速切除短路电流；
3．    正的温度系数允许许多元件并联运行；
4．    较低的正向压降使元件的导通损失较低。在正常使用范围内，正向压降为1V—1.5V，低于SCR元件；
IGBT元件与SCR元件的结构、使用维护的差别：
1．    模块结构
IGBT元件是模块结构，它的底板可以直接固定在接地的散热器表面，所有元件包括整流元件，斩波器元件，逆变器元件可以装在同一块散热器板上。使得斩波器和逆变器的结构简单紧凑。
对于SCR元件来讲，尤其是快速SCR元件，大多是平板型的，两块散热器借助两根螺栓将SCR元件夹持住，通过绝缘子将元件和散热器整体放置在通风道中。这种结构，不但整体复杂，而且降低了运行的可靠性；
2．    维护难度
模块结构元件都安装在散热风道表面，维护特别方便。而对于只平板型元件，有两只独立的散热器，使得装配难度大，维修困难。尤其是在现场维修工作中，要依靠人工将一只平板型元件装在二只散热器中，并用二只螺栓夹紧，既费时，也不能保证性能。
IGBT元件用于斩波器：
1．    对于转子电流来讲，采用IGBT元件时，斩波器工作频率达到8-10KHZ，使得转子电流的脉动率极小。
当采用SCR元件制作斩波器时，其工作频率只能作到300HZ，由此产生5-7次谐波分量，在相同回路电抗情况下，它对电动机产生的谐波影响是不能允许的；
2．    IGBT是自关断器件，它不存在失控问题，所以用IGBT制作的斩波器没有直通故障。
SCR元件制作的斩波器的一个致命问题是斩波器的“直通”即失控故障，因为只要发生“直通”，电动机必然转到全速运行。对于要求高可靠运行的风机来讲是不允许的。[Page]
IGBT元件用于逆变器：
1．    用SCR制作的逆变器的一个致命弱点是逆变器存在颠覆故障，这是这种逆变器固有的。引发逆变颠覆的原因很多，如外界干扰、脉冲丢失等等，一旦逆变颠覆，不但快速熔断器熔断，SCR本身也难保不受损伤。
用IGBT元件制作逆变器，则不存在颠覆问题，所以它的可靠性就高了；
2．    SCR有源逆变器有一个自然换流问题，逆变角就是为自然换流提供的一个时间间隔，叫逆变角，它不小于30o电角，这就使由SCR组成逆变器的斩波调速装置功率因数降低，谐波分量增加，调速范围缩小。
IGBT逆变器不需要设置30o逆变角，自然，功率因数提高了，谐波分量下降到最低限。
三．    内反馈斩波调速装置的选型
选用内反馈斩波调速装置时，除了考虑价格因数外，主要从运行可靠性及其电性能指标来衡量。可靠性除了工艺水平外，主要由方案结构和元件质量决定。表2列出了国内常见的几种调速装置的结构性能比较，可供选型时的参考。

                 不同方案内反馈调速装置性能比较             表2
    可控硅串激调速    可控硅斩波调速    IGBT斩波调速
方案简述    1．    启动：频敏变阻器2．    没有斩波器3．    用可控硅组成逆变器4．    平板型元件，散热器带电，整体安装在风道中5．    显示：指针式仪表    1．    启动：频敏变阻器2．    用可控硅组成斩波器3．    用可控硅组成逆变器，逆变角固定3004．    平板型元件，散热器带电，整体安装在风道中5．    显示：指针式仪表    1．    启动：液态电阻启动器2．    用IGBT组成斩波器3．    用IGBT组成逆变器，逆变角为负值4．    模块结构，散热器接地，元件安装在风道外散热器表面5．    显示：触模式人机界面
调速方法    改变逆变器的逆变角ß    改变斩波器的占空比    改变斩波器的占空比
性能比较    1．    启动电流：(4—4.5)IN2．    调速范围：60%—90%3．    谐波干扰：大，变化4．    功率因数：低    1．启动电流：(4—4.5)IN2．调速范围：60%—95%3．谐波干扰：大4．功率因数：较高    1．启动电流：(1.5—2.5)IN2．调速范围：60%—100%3．谐波干扰：小4．功率因数：高
可靠性比较    1．    整流器：比较可靠2．    斩波器：——3．逆变器：存在颠覆问题；抗干扰能力差    1．    整流器：比较可靠2．    斩波器：存在斩波器直通问题3．    逆变器：存在颠覆问题；抗干扰能力差整体可靠性低于串激调速方案    1．    整流器：可靠2．斩波器：可靠，没有直通问题3．逆变器：可靠，没有颠覆问题；抗干扰能力强整体可靠性最高，高于高压变频器
可维修性    差    很差    具有1000次事件记录和故障自诊断功能，维修容易
特殊功能            1．    启动时，可以使电动机转速上升到最低转速以上的任意转速时直接进入调速状态；2．    调速装置故障时，能使电动机转速由当时转速斜坡上升到全速，其过程时间可达到30秒及以上。

四．    内反馈斩波调速装置的主要技术指标（SN6100系列）
1．工作方式：
软起动、全速运行、PWM斩波调速、连续运行；
2．调速范围：
额定转速的（50%--100%），连续可调；
3．装置效率：
≥98%；
4．启动电流：
启动时定子电流小于（1.5—2.5）IN （对液态电阻启动器 ）；
5．功率因素：
不低于0.8—0.9滞后 ；
6．系统谐波失真：
小于4% ；
7．逆变器过载能力：
125% 10分钟，150%60秒钟 ；
8．远方操作I/O： 
就地/远方操作可选，远方操作适应DCS系统(无源接点)；
9．自动控制：
   手动/自动控制可选，自动控制时，接受4—20ma 信号[Page]
10．噪音：
前方1米外A特性80db
11．控制电源：
三相四线380V/220V，控制电源容量1KVA，控制电源中断时，装置正常工作 
12．保护功能和自诊断能力：
过载、过流、过压、超温等保护故障自诊断和声光报警功能；详细的事件记
录，随时可查询事故或误操作
13．故障应对能力及旁路性能：
母线失电备用电源自动投入1.2秒钟，装置不受影响；
本装置故障时自动转全速运行（速度斜坡上升，过程时间20—30秒）；
装置检修不影响电动机全速运行，同时可以实现软启动
14．冷却方式：强制风冷无须空调间
15．环境温度：-10℃-40℃， 
16．相对湿度：95%以下（不结露）
17．防护等级：IP20
18．海拔高度：1000米，3000米
19．其他条件：使用于无严重腐蚀性气体、无严重灰尘、无严重震动的场合
20．装置重量：1800—3000 KG (500—3000 KW)
21．外形尺寸：仅指SN6100系列装置（供参考）
装置容量KW    本体外形尺寸    液态电阻外形尺寸
      800及以下    1800×800×2200    900×800×2200
1000—1250    1800×800×2200    1200×800×2200
      1400—1800    2000×800×2200    1200×800×2200
      2000—3000    3000×800×2200    1400×800×2200
      4000    3000×1000×2200    1600×1000×2200


作者   赵金荣    邮箱 jinronzhao@126.com