交流调速的功率控制原理与斩波内馈调速

转子电磁功率控制调速技术的关键为：

1)由于转子电压的频率为变化的转差频率，因此必须要进行频率变换，以使转子和附加电源进行有功功率交换;

2)能够连续地控制Pes的大小，以获得平滑的无级调速。

另外，要合理确定Pes额定值，它将决定调速范围。上述的技术要点是设计调速控制装置应该注意的原则。

附加电源是转子电磁功率控制的结构要点，它是Pes传输所必须的。传统的方法例如串级(Cascade Control)、双馈(Double Feed)等调速的附加电源都由

外部来提供，但外附电源使系统复杂化，而且在低同步调速时造成Pes在定子至外附电源之间的无谓循环，增大了定子损耗。较好的方法是在我国首创的斩波内馈调速，其原理如图5所示。

该系统的突出特征是采用了内馈调速的特殊异步机，在内馈电机的定子槽中，与原边绕组同槽嵌放一个内馈绕组(前亦称调节绕组)，内馈绕组在旋转磁场的作用下，感应出电动势E3，其频率为固定的电源工频频率。内馈绕组与变流控制装置的输出端联接，接受从转子移出的电转差功率P3，此时内馈绕组处于发电状态，并通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。定子的有功功率由调速前的P1变为P1-P3，此时的定子有功功率为

P1K=P1-P3=PM+ΣP (25)

分析表明，定子有功功率不含电转差功率，只随机械功率而变化，而且电机的损耗功率没有增大。

内馈调速的调速范围取决于电转差功率的大小，Pes越大调速下限越低，调速范围越大;反之Pes越调速范围越小。Pes的大小取决于内馈绕组的感应电势E3的量值，当E3=E20(转子开路电势)时调速可以从零开始。但无谓地扩大调速范围必须付出相应的技术、经济代价，因此，对于像风机、泵类调速范围不需要很大的负载，就没有必要把调速范围设计得很宽。

内馈调速是基于转子的电磁功率控制调速，与串级调速相比，由于加强了电机调速的内因，所以内馈调速没有外附的变压器，而且定子不含无谓循环传输的电转差功率，进一步减小了电损耗。因此，内馈调速具有结构简单，调速效率高的明显优点，同目前的高压变频、串级等高效率调速相比，内馈调速是更高效、更经济的调速。

6 内馈调速的斩波控制

6.1 问题的提出

前已叙及，调速控制时要尽量避免产生感性无功功率以提高功率因数，减小无功损耗。否则将使内馈调速电机的激磁电流和激磁功率剧烈增大，导致定子原绕组和内馈绕组无功损耗增大，严重影响电机的正常运行。

现在把注意力集中在调速控制的变流装置上，问题出现在变流控制中有源逆变器的控制方式上。

为了连续控制从转子移出的功率即内馈绕组的功率，实现转速的无级调节，传统的方法是采用移相控制。由于内馈绕组的功率

这样，当内馈调速电机的有功功率随逆变角茁的增大而减小时，而无功功率却在相应增大，从而使电机运行恶化。

另外，移相控制的缺点是可靠性差。众所周知，有源逆变对触发脉冲的要求是严格的，任何触发失误都将导致逆变颠覆造成短路，不仅严重影响运行的可靠性，而且检修也困难(无法在故障状态进行分析、查找)。造成移相控制可靠性低的原因是：

1)触发脉冲的移动。触发线路复杂而且要求具有快速响应性，触发线路抗干扰能力就降低。因为抗干扰强的触发电路必然具有大时间常数的惯性环节，这和快速响应是矛盾的。

2)逆变器的容量较大，换相困难。移相控制的全部受控功率都要经过逆变器，逆变器的容量相对就要增大，致使换相矛盾突出，难度加大。实际上晶闸管有源逆变器的可靠性关键就在换相上，一旦换相失败，逆变器就会发生短路故障，且无法自动恢复。

限于当时的技术水平，串级调速和第一、二代的内馈调速，采用的都是移相触发控制，逆变器承担着频率变换和功率调节的双重任务，怎样改进都难免顾此失彼，多年的实践证明，要从根本上解决问题只能另辟蹊径。

6.2 斩波控制的调速原理

要克服移相控制的缺点，只有改为对逆变电流进行控制，简单的方法是在直流回路实行斩波控制。图6所示的斩波控制原理电路是在逆变器NB 两端并联一个斩波开关K。

斩波开关对功率的控制作用是通过对电流平均值的控制实现的，斩波开关通常以恒频调宽方式工作，即工作频率一定，而开关导通时间可调。这样，当斩波开关导通时，转子电流经K而成回路，电流不流过逆变器，逆变器输出功率P3=0，转子的电磁功率转化为机械功率。

当开关K打开时，转子电流被迫流入逆变器，电流所产生的功率转化为反馈功率。

根据电机调速的功控原理，电机转速决定于机械功率(或反馈功率)的大小，在电流连续条件下，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了。

斩波控制的电机调速等效电路如图7所示。

分析可知，电机转速正比于机械功率，而机械功率正比于斩波开关电流，因此，调速就成为单只改变斩波开关电流的问题了。

为了简化分析，设负载转矩不变，转子直流电流为定值，即Id=C。斩波开关工作时，斩波电流iK和逆变阀端电流iN波形如图8所示。

可见改变占空比即可实现对反馈功率P3的控制，从而实现转速控制。

斩波控制实际上是数字化的功率控制，它较好地克服了移相控制的缺点，目前已成为电力电子技术的发展方向。把斩波技术与内馈调速有机结合所形成的斩波内馈调速，具有功率因数高、谐波分量小、逆变器和内馈绕组容量小、产品可靠性高等一系列优点，使内馈调速取得了质的提高，也是第三代内馈调速的典型特征。

7 新异步机调速分类与结论

电机调速P理论揭示了电机调速的实质，使调速原理和调速性能有机联系起来，结束了传统电机学调速分类缺乏科学性的历史。根据P理论，新异步机调速分类如图9所示。

8 结语

1)电机调速的实质是基于功率控制。功率控制原则有两种，一种是电磁功率控制，所改变的是电机理想空载转速，调速是高效率的节能型调速;另一种是损耗功率控制，增大电机转速降，调速是低效率、耗能型调速。电机转速普遍表达为理想空载转速与转速降之差，所有电机调速方法都归结于功率控制原理之中，或是从属电磁功率控制原则，或是从属损耗功率控制原则。

2)交流异步机调速的实质在于功率控制，电磁功率控制改变的是理想空载转速，损耗功率控制增大转速降。调速效率只取决于功率控制的属性而与其它无关。

3)经典的调速理论按变f 、变s、及变P划分调速方法缺乏科学性，电机学中的异步机转速表达式是人为定义式而非公式，不能视为指导交流调速的理论依据。

4)内馈调速与变频调速同属电磁功率控制调速，只有作用对象区别，没有本质区别。

5)凡电磁功率控制的调速，无论是以定子还是转子为控制对象，调速都是高效率的，机械特性为平行曲线;而增大损耗功率的调速，调速效率较低，机械特性为汇交曲线。两种调速的机械特性曲线的区别如图10所示。

反之，凡机械特性为平行曲线的调速必然是电磁功率控制的高效率调速;而机械特性为汇交曲线的调速必然是增大损耗功率的低效率调速。这种简明的推论对交流调速的选择、应用具有十分简便的指导意义。