斬波控制比移相控制具有顯著的優點，本文介紹了專利技術自勵式晶閘管電流型斬波器的性能和特點。
理論和實踐證明，斬波內饋調速具有高效率、低成本等一系列優點，尤其在高壓大容量電機調速方面，優勢更為明顯。
基本介紹
- 中文名：斬波內饋調速
- 優點：高效率、低成本
斬波內饋調速及其功率控制原理
摘要:
交流調速的所有方法都可歸結為電磁功率和損耗功率兩試元朵種控制方案，電磁功率控制改變的是理想空載轉速，調速是高效率的；損耗功率控制增大的是轉速降，調速是低效率的。
本文同時提出了一種新型交流調速——斬波內饋調速，通過功率控制調速理論證明，該調速與變頻調速遵循的是同一電磁功率控制原理。所不同的是變頻調速基於定子控制，而斬波內饋調速則基於轉子控制。
斬波控制比移相控制具有顯著的優點，本文介紹了專利技術自勵式晶閘管電流型和擔符嘗斬波器的性能和特點。
理論和實踐證明，斬波內剃試饋調速具有高效率、低成本等一系列優點，尤其在高壓大容量電機調速方面，優勢更阿己笑為明顯。
電轉差功率
引言“斬波內饋”是我國首創的一種新型交流調速技術，通過近二十年的實踐探索和理論研究，斬波內饋調速在技術和理論上都取得了很大發展，實踐表明，斬波內饋調速具有效率高，成本低，功率因數高，諧波分量小等優點，不僅為我國的高壓、大容量風機泵類節能提供了一種經濟、高效的調速技術和產品，也為世界的交流調速填補了一項空白。
事實上，變頻調速與串級調速（包括雙饋調速及內饋調速）具有極為相似的調速性能，例如調速效率、機械特性等都很一致，但按傳統理論串級調速屬於變轉差率調速，被認為與變頻調速有著本質的區別。顯然，面對客觀事實，傳統電機學理論就值得探討了。
為此，作者提出了“交流調速的功率控制原理”（P理論），該理論表明，包括異步機在內的所有電動機，調速的實質在於功率控制。電機轉速是通過電磁功率或損耗功率控制得到改變的，所有電機調速方法都是功率控制原理的具體實施。斬波內饋調速和變頻調速同屬高效率的電磁功率控制，它們只有控制對象的不同，而沒有本質的區別。
1. 轉子電磁功率控制與內饋調速
1．1 轉子電磁功率控制調速原理
繞線型異步機的轉子是開啟的，可以通過電傳導對轉子直接進行電磁功率控邀寒汽妹制，實現高效率的調速。方法是從轉子口移出或注入電功率，以改變轉子的淨電磁功率，使理想空載轉速得以調節。轉子電磁功率控制與定子的控制相比有以下特點：
②可以通過轉子的低壓控制實現高效率的調速，迴避了定子控制的高壓問題。
③ 控制裝置的容量可以小於電機容量，根閥符辣據調速範圍的需要具體確定，有利於降低成本。
④ 由於定、轉子的隔離作用，可以抑制諧波電流對電源的影響。
⑤ 缺點是電機存在滑環和電刷。
對於圖1的繞線型異步機模型
圖1 繞線型異步機模型
當在轉子的轉差功率連線埠引入附加的電磁功率時，轉子的淨電磁功率
， （1）
式中： 為定子傳輸給轉子的電磁功率，
為附加電磁功率（以下稱電轉差功率），
其值將隨 的方向和大小而改變。式（1）中的- 表示移出，而+ 表示注入，前者使轉子的淨電磁功率減小，後者則使其增大，注意不要把 理解成傳統電機學中的轉差功率 ，應該把 中的電磁功率和損耗功率區別開來，兩者性質不同，對調速的影響也不同，這裡將 稱為電轉差功率，它將改變異步機的理想空載轉速。此時異步機的理想空載轉速為：
。 （2）
可見，- 控制得到的是低同步調速，而+ 則是超同步調速。
1．2 內饋調速
低同步調速時，從轉子移出的電轉差功率饋入何處是調速的關鍵。傳統的串級調速及雙饋調速都是通過外附的變壓器回饋電網，所存在的缺點有三：
① 電轉差功率在系統中無謂的循環傳輸，沒有產生能量轉換，造成不必要的損耗，降低調速效率。
② 外附的變壓器使系統複雜、龐大，成本增高。
③ 回饋電網的諧波電流分量較大。
內饋調速就是旨在克服上述缺點提出的。
圖2的內饋調速傳統，異步機的定子上，附加了與原繞組相絕緣的內饋繞組（亦稱調節繞組），用來接受轉子移出的電轉差功率。內饋繞組在旋轉磁場的作用下，產生頻率為f1、幅值恆定的感應電勢E3。變流裝置使內饋繞組工作在發電狀態，把所接受的電轉差功率又通過電磁感應，反方向傳輸給定子原繞組，使定子的輸入功率減小，與機械功率相平衡，實現了高效率的無級調速。
內饋調速與串級調速同屬轉子電磁功率控制的調速，但和後者不同的是電轉差功率封閉於電機之內，而不是泄露於電機系統之外。結構上也不存在串級關係，因此不能稱為“內饋串級調速”，臭龍永另外，以前將“內饋”稱為“內反饋”，與自動控制的“反饋”有混淆之嫌，故命名為“內饋調速”是較為準確的。
分析表明，內饋調速時的定子功率為
， （3）
其中： 為無內饋的定子功率， 為內饋繞組功率，
為機械功率， 為損耗功率。
定子輸入功率中不含電轉差功率，而隨機械功率變化，調速沒有產生額外的損耗功率。
內饋調速的範圍取決於內饋繞組電勢E3與轉子開路電勢E2之比，比值越大，調速範圍越寬。從電轉差功率的角度觀察， 越大調速下限越低，調速範圍越大；反之 越小調速範圍越小。 的大小取決於內饋繞組的感應電勢E3的量值，當E3=E2時調速可以從零開始。但無謂地擴大調速範圍將使系統成本有所增大，因此，對於風機、泵類等調速範圍不需要很大的負載，沒有必要把調速範圍設計得很寬。
內饋調速是基於轉子的電磁功率控制調速，與串級調速相比，由於加強了電機調速的內因，沒有外附的變壓器，而且定子不含無謂循環傳輸的電轉差功率，因此簡化了系統，提高了效率。
圖2 內饋調速的電機與系統
2. 內饋調速的斬波控制
2.1 移相控制的缺點
內饋調速控制時要儘量避免產生感性無功功率,否則將使內饋調速電機的激磁電流和激磁功率劇烈增大，定子原繞組和內饋繞組無功損耗增大，功率因數降低,嚴重影響電機的正常運行。
圖3的傳統移相控制變流電路中,有源逆變器通過改變逆變角控制電轉差功率。根據變流理論，逆變器功率因數
， （4）
當畸變係數μ近似不變時，功率因數取決於逆變角。忽略變流損耗，有 ，P3為內饋繞組的有功功率，且
。 （5）
於是，改變逆變角β就可以控制電轉差功率。移相控制的最大缺點是人為地產生感性無功功率Q3，即
。 （6）
在有功功率隨逆變角β增大而減小時，無功功率卻相應增大，使電機運行惡化。
移相控制的另外缺點是可靠性差。一是脈衝移相要求具有快速回響性，因此抗干擾能力降低（抗干擾強的脈衝電路必然具有大時間常數的慣性環節，這和快速回響是矛盾的）。二是逆變器電流等於轉子電流（I3=I2），換向重疊角大。增加換向難度。逆變器易發生顛覆故障。
圖3 移相控制的變流電路
串級調速和第一、二代的內饋調速，限於當時的技術條件，採用的都是移相觸發控制，逆變器承擔著頻率變換和功率控制的雙重任務，怎樣改進都難免顧此失彼，從根本上解決問題只能另闢蹊徑。
2.2 斬波控制的原理與意義
斬波控制是克服移相控制缺點的較好方法，斬波控制時，逆變角固定在最小值不變，電轉差功率通過改變逆變電流I3來控制。
圖4所示的斬波控制電路是在逆變器NB兩端並聯一個斬波開關K。
圖4 斬波式逆變器原理及等效電路
斬波器對功率的控制是通過改變電流平均值實現的。斬波器通常以恆頻調寬方式工作，在電流連續條件下，斬波電流和反饋電流互補，因此，只要分析其中任意一個電流對功率的控制作用，就可以說明調速機理。斬波控制的電機調速等效電路如圖5所示。
圖5斬波控制的內饋調速電機T形等效電路
斬波開關工作時，斬波電流iM和逆變器閥端電流iN波形如圖6。
圖6 斬波與逆變直流電流波形
其中，斬波電流產生機械功率，逆變電流則產生電轉差功率。設斬波開關導通時間為t1，周期為T，斬波電流平均值為
。 （7）
令： ， 稱為占空比。
則 ， （8）
相應的逆變直流電流值為：
。 （9）
這樣，只要控制斬波開關導通時間t1就改變了占空比，也就改變了電機的機械功率和轉速。
如果從逆變器輸出角度觀察，轉速與P3的關係為
。 （10）
由於改變占空比即可控制反饋功率P3，因此實現轉速控制。斬波控制的優點為：
1 使逆變器和內饋繞組容量減小，最大值僅為電機容量的4/27。
2 逆變角不變和逆變器容量減小，提高了有源逆變的可靠性。
3 提高了系統功率因數（逆變器功率因數恆為0.9）。
4 減小逆變的電壓波形畸變和逆變電流的諧波幅值，使系統的諧波電流小於5%。
5 減小內饋電機的體積和附加成本。
6 提高了調速的控制精度、線性度和機械特性硬度。
3. 自勵式晶閘管斬波器晶閘管雖然不能門極自關斷，但具有大電流、高電壓、可靠性高等優點，迄今仍然是大功率變流電路的重點選擇器件。
晶閘管斬波器的技術關鍵在於關斷，通常採用電容儲能方式對斬波晶閘管實行強迫關斷。典型電路如圖 7。
圖7 他勵式晶閘管斬波的典型關斷電路
該電路的缺點是可靠性差，關斷損耗大。關斷電容由外附的整流電源充電，當意外擾動時，輔晶閘管KF1、KF2可能同時導通，造成整流電源短路。特別在小占空比時，這種現象極易發生，嚴重影響電路正常工作。另外，關斷電容的充電電流幅值很大，趨膚效應強，整流變壓器發熱嚴重，電路難以實用。
圖8 是作者設計的自勵式晶閘管電流型斬波電路（專利號：ZL 01 2 25301 .4 ），較好的克服了上述電路的缺點。其工作原理為：由輔晶閘管KF1-4和關斷電容C1構成自勵式關斷電路，其充電電源取自平波電抗器的輸出端，無需另設。在主斬波晶閘管KV導通之前，預先觸發KF1-2，使C充電，UC電壓被箝位在逆變電壓，充電電流降至零KF1-2自行關斷。然後觸發KV，斬波關斷時，觸發另外的輔晶閘管KF3-4，電容C放電，使KV關斷並反向充電，電路周而復始，完成了晶閘管斬波工作。
圖8 自勵式晶閘管電流型斬波電路
自勵式晶閘管電流型斬波器的優點有：
①不需要外附的充電電源，使電路簡化，效率提高。
② 關斷可靠性高，即使關斷橋臂直通，也不會產生短路現象。
③ 橋式關斷電路的每半周期都產生關斷作用，關斷頻率為斬波頻率的一半，有利於提高斬波頻率。
4. 結束語
斬波內饋調速是基於轉子的電磁功率控制調速，與定子調壓變頻調速相比，兩者只有控制對象的不同，沒有本質的區別，傳統電機學認為變轉差率調速一定不如變頻調速的觀點是錯誤的。
斬波控制實際上是數位化的功率控制，它較好地克服了移相控制的缺點，已成為電力電子技術的發展方向。把斬波技術與內饋調速有機結合所形成的斬波內饋調速，具有功率因數高、諧波分量小、逆變器和內饋繞組容量小、產品可靠性高等一系列優點，使內饋調速取得了質的提高，也是第三代內饋調速產品典型特徵。
參考文獻
[1]陳伯時.陳敏遜.交流調速系統[M].機械工業出版社，2000.11
其值將隨 的方向和大小而改變。式（1）中的- 表示移出，而+ 表示注入，前者使轉子的淨電磁功率減小，後者則使其增大，注意不要把 理解成傳統電機學中的轉差功率 ，應該把 中的電磁功率和損耗功率區別開來，兩者性質不同，對調速的影響也不同，這裡將 稱為電轉差功率，它將改變異步機的理想空載轉速。此時異步機的理想空載轉速為：
。 （2）
可見，- 控制得到的是低同步調速，而+ 則是超同步調速。
1．2 內饋調速
低同步調速時，從轉子移出的電轉差功率饋入何處是調速的關鍵。傳統的串級調速及雙饋調速都是通過外附的變壓器回饋電網，所存在的缺點有三：
① 電轉差功率在系統中無謂的循環傳輸，沒有產生能量轉換，造成不必要的損耗，降低調速效率。
② 外附的變壓器使系統複雜、龐大，成本增高。
③ 回饋電網的諧波電流分量較大。
內饋調速就是旨在克服上述缺點提出的。
圖2的內饋調速傳統，異步機的定子上，附加了與原繞組相絕緣的內饋繞組（亦稱調節繞組），用來接受轉子移出的電轉差功率。內饋繞組在旋轉磁場的作用下，產生頻率為f1、幅值恆定的感應電勢E3。變流裝置使內饋繞組工作在發電狀態，把所接受的電轉差功率又通過電磁感應，反方向傳輸給定子原繞組，使定子的輸入功率減小，與機械功率相平衡，實現了高效率的無級調速。
內饋調速與串級調速同屬轉子電磁功率控制的調速，但和後者不同的是電轉差功率封閉於電機之內，而不是泄露於電機系統之外。結構上也不存在串級關係，因此不能稱為“內饋串級調速”，另外，以前將“內饋”稱為“內反饋”，與自動控制的“反饋”有混淆之嫌，故命名為“內饋調速”是較為準確的。
分析表明，內饋調速時的定子功率為
， （3）
其中： 為無內饋的定子功率， 為內饋繞組功率，
為機械功率， 為損耗功率。
定子輸入功率中不含電轉差功率，而隨機械功率變化，調速沒有產生額外的損耗功率。
內饋調速的範圍取決於內饋繞組電勢E3與轉子開路電勢E2之比，比值越大，調速範圍越寬。從電轉差功率的角度觀察， 越大調速下限越低，調速範圍越大；反之 越小調速範圍越小。 的大小取決於內饋繞組的感應電勢E3的量值，當E3=E2時調速可以從零開始。但無謂地擴大調速範圍將使系統成本有所增大，因此，對於風機、泵類等調速範圍不需要很大的負載，沒有必要把調速範圍設計得很寬。
內饋調速是基於轉子的電磁功率控制調速，與串級調速相比，由於加強了電機調速的內因，沒有外附的變壓器，而且定子不含無謂循環傳輸的電轉差功率，因此簡化了系統，提高了效率。
圖2 內饋調速的電機與系統
2. 內饋調速的斬波控制
2.1 移相控制的缺點
內饋調速控制時要儘量避免產生感性無功功率,否則將使內饋調速電機的激磁電流和激磁功率劇烈增大，定子原繞組和內饋繞組無功損耗增大，功率因數降低,嚴重影響電機的正常運行。
圖3的傳統移相控制變流電路中,有源逆變器通過改變逆變角控制電轉差功率。根據變流理論，逆變器功率因數
， （4）
當畸變係數μ近似不變時，功率因數取決於逆變角。忽略變流損耗，有 ，P3為內饋繞組的有功功率，且
。 （5）
於是，改變逆變角β就可以控制電轉差功率。移相控制的最大缺點是人為地產生感性無功功率Q3，即
。 （6）
在有功功率隨逆變角β增大而減小時，無功功率卻相應增大，使電機運行惡化。
移相控制的另外缺點是可靠性差。一是脈衝移相要求具有快速回響性，因此抗干擾能力降低（抗干擾強的脈衝電路必然具有大時間常數的慣性環節，這和快速回響是矛盾的）。二是逆變器電流等於轉子電流（I3=I2），換向重疊角大。增加換向難度。逆變器易發生顛覆故障。
圖3 移相控制的變流電路
串級調速和第一、二代的內饋調速，限於當時的技術條件，採用的都是移相觸發控制，逆變器承擔著頻率變換和功率控制的雙重任務，怎樣改進都難免顧此失彼，從根本上解決問題只能另闢蹊徑。
2.2 斬波控制的原理與意義
斬波控制是克服移相控制缺點的較好方法，斬波控制時，逆變角固定在最小值不變，電轉差功率通過改變逆變電流I3來控制。
圖4所示的斬波控制電路是在逆變器NB兩端並聯一個斬波開關K。
圖4 斬波式逆變器原理及等效電路
斬波器對功率的控制是通過改變電流平均值實現的。斬波器通常以恆頻調寬方式工作，在電流連續條件下，斬波電流和反饋電流互補，因此，只要分析其中任意一個電流對功率的控制作用，就可以說明調速機理。斬波控制的電機調速等效電路如圖5所示。
圖5斬波控制的內饋調速電機T形等效電路
斬波開關工作時，斬波電流iM和逆變器閥端電流iN波形如圖6。
圖6 斬波與逆變直流電流波形
其中，斬波電流產生機械功率，逆變電流則產生電轉差功率。設斬波開關導通時間為t1，周期為T，斬波電流平均值為
。 （7）
令： ， 稱為占空比。
則 ， （8）
相應的逆變直流電流值為：
。 （9）
這樣，只要控制斬波開關導通時間t1就改變了占空比，也就改變了電機的機械功率和轉速。
如果從逆變器輸出角度觀察，轉速與P3的關係為
。 （10）
由於改變占空比即可控制反饋功率P3，因此實現轉速控制。斬波控制的優點為：
1 使逆變器和內饋繞組容量減小，最大值僅為電機容量的4/27。
2 逆變角不變和逆變器容量減小，提高了有源逆變的可靠性。
3 提高了系統功率因數（逆變器功率因數恆為0.9）。
4 減小逆變的電壓波形畸變和逆變電流的諧波幅值，使系統的諧波電流小於5%。
5 減小內饋電機的體積和附加成本。
6 提高了調速的控制精度、線性度和機械特性硬度。
3. 自勵式晶閘管斬波器晶閘管雖然不能門極自關斷，但具有大電流、高電壓、可靠性高等優點，迄今仍然是大功率變流電路的重點選擇器件。
晶閘管斬波器的技術關鍵在於關斷，通常採用電容儲能方式對斬波晶閘管實行強迫關斷。典型電路如圖 7。
圖7 他勵式晶閘管斬波的典型關斷電路
該電路的缺點是可靠性差，關斷損耗大。關斷電容由外附的整流電源充電，當意外擾動時，輔晶閘管KF1、KF2可能同時導通，造成整流電源短路。特別在小占空比時，這種現象極易發生，嚴重影響電路正常工作。另外，關斷電容的充電電流幅值很大，趨膚效應強，整流變壓器發熱嚴重，電路難以實用。
圖8 是作者設計的自勵式晶閘管電流型斬波電路（專利號：ZL 01 2 25301 .4 ），較好的克服了上述電路的缺點。其工作原理為：由輔晶閘管KF1-4和關斷電容C1構成自勵式關斷電路，其充電電源取自平波電抗器的輸出端，無需另設。在主斬波晶閘管KV導通之前，預先觸發KF1-2，使C充電，UC電壓被箝位在逆變電壓，充電電流降至零KF1-2自行關斷。然後觸發KV，斬波關斷時，觸發另外的輔晶閘管KF3-4，電容C放電，使KV關斷並反向充電，電路周而復始，完成了晶閘管斬波工作。
圖8 自勵式晶閘管電流型斬波電路
自勵式晶閘管電流型斬波器的優點有：
①不需要外附的充電電源，使電路簡化，效率提高。
② 關斷可靠性高，即使關斷橋臂直通，也不會產生短路現象。
③ 橋式關斷電路的每半周期都產生關斷作用，關斷頻率為斬波頻率的一半，有利於提高斬波頻率。
4. 結束語
斬波內饋調速是基於轉子的電磁功率控制調速，與定子調壓變頻調速相比，兩者只有控制對象的不同，沒有本質的區別，傳統電機學認為變轉差率調速一定不如變頻調速的觀點是錯誤的。
斬波控制實際上是數位化的功率控制，它較好地克服了移相控制的缺點，已成為電力電子技術的發展方向。把斬波技術與內饋調速有機結合所形成的斬波內饋調速，具有功率因數高、諧波分量小、逆變器和內饋繞組容量小、產品可靠性高等一系列優點，使內饋調速取得了質的提高，也是第三代內饋調速產品典型特徵。
參考文獻
[1]陳伯時.陳敏遜.交流調速系統[M].機械工業出版社，2000.11
