內反饋高頻斬波調速――一種可靠高效價廉的高壓電機調速裝置
上海科祺調速電氣****是集研究、開發、生產和銷售內反饋高頻斬波調速裝置的高新技術企業。產品經過3年的研發試驗和8年的實際執行考驗已達到相當可靠完善的程度。該技術獲國家專利，達到國際創新、國內領先水平。
為國家重點新產品。
一、 概述ssc-f5000系列高壓內饋式高頻斬波調速裝置
ssc-，適用於拖動水幫浦、風機類負載，可實現平滑無級調速，屬高效節能機電一體化產品，對於變化的負載，根據不同的轉速和工藝情況，平均節電率可達20%--50%。
該系統將電機轉子電壓經整流變為直流電壓，當斬波器導通時轉子電流被斬波器短路，形成軸功率；當斬波器開路時，轉子直流電流經有源逆變器反饋到電機反饋繞組，形成轉差功率，通過改變斬波器的占空比,從而調節軸功率和轉差功率的比例,即能改變電機轉速。
內反饋電機是在原繞線式電機的定子上增加了乙個反饋繞組，從而去掉了龐大的反饋變壓器，提高了系統效率，它具有高效、良好的調速效能，與普通的繞線機具有互換性。
內反饋高頻斬波(igbt)調速系統原理簡圖不好用
軟啟動單元由頻敏變阻器(pf)、接觸器km1、接觸器km2構成。頻敏變阻器的一般啟動電流為額定電流的2．5－3倍。對大於1000kw的電機或對啟動電流有特殊要求的使用者，可以提供啟動電流為額定電流的1．1－1．3倍的液態電阻。
qs1-qs2組成不停電機檢修迴路。
調速裝置大量採用最新及成熟的技術、科研成果及新器件、新材料如大螢幕彩色液晶觸控螢幕，全中文操作介面；內建高速plc，實現邏輯控制；dsp數字訊號處理器實現了斬波器電流閉環和速度閉環控制；系統具有rs485和rs232通訊介面，可以方便地實現遠/近程計算機控制，同時可以方便地實現與使用者端dcs的遠方操作。
ssc-f5000系列高頻斬波調速技術為國際創新，在國內具有領先水平。表現在：理論上有獨特性、結構有創新、技術上有實質性突破。
經現場執行證明：系統執行平穩、功率因數高、諧波分量小、調速靈敏可靠，節電效果明顯，具有很高的推廣價值。該系列產品，無論從可靠性、工藝結構、先進技術的運用程度上均是很高的。
該產品的關鍵技術為igbt斬波及其dsp數字閉環控制。高頻斬波控制是實現內饋調速的關鍵技術，它從根本上解決了系統可靠性和功率因數低等諸多問題。通過高頻斬波占空比的調節來控制電機的轉速，而逆變器的逆變角恆定在25°左右不變。
斬波控制轉差容量僅為電機容量的15%，裝置工作電壓均為1000v以下的低電壓，無須外附任何變壓器和濾波器,諧波量僅為移相控制調速裝置的三分之一。
該技術的使用，解決了許多高壓變頻器難以解決的問題，如器件耐壓和大容量問題。使電壓等級高達10kv、電機的容量達到5600kw的無級調速得以實現，確實達到了高可靠性、高效率、高功率因數、低諧波量的理想調速系統。
二、 內饋式高頻斬波調速裝置：在內反饋電機的轉子電路中，通過斬波器高頻pwm調製調節大功率電子開關的開通和關斷時間的比率，改變串入轉子迴路的等效電勢的大小，從而改變轉子電流，來調節轉速，並通過變流器和反饋繞組將轉差功率回饋到電網，達到高效調速節能目的。
調速節能的方法：通過內反饋高頻斬波調速裝置將電機的轉速調下來，完全開啟閥門或風門擋板，不使多餘的能量無謂地消耗在閥門和擋板上（原技術是在電機工頻執行狀態下通過調節閥門或擋板來粗略地滿足工業要求，浪費大量的電能），在滿足工藝的前提下，將電機的實際使用功率降到最小，從而實現了調速節能的目的。內反饋高頻斬波調速是所有調速中效率最高的一種調速方案。
應用範圍：高壓（3kv/6kv/10kv）風機、水幫浦負載的調速電機。運用在發電、冶金、煤炭、熱網、石油、化工、水泥、水務等行業。
三、內饋電機高頻斬波調速系統工作原理
1．裝置組成
內饋電機高頻斬波調速系統由線繞式內饋調速電機及調速裝置組成。內饋調速電機與普通線繞電機相比，除有定子繞組及轉子繞組外，在定子槽內，增添了乙個反饋繞組，取代串級調速裝置中的外饋變壓器。內饋電機高頻斬波調速裝置由轉子整流器、高頻斬波器、閘流體相控逆變器及dsp控制器組成。
原理圖如圖1所示。
圖1 內饋高頻波調速系統工作原理圖
圖中qs1、qs2是執行與維修轉換開關，當電動機全速運轉時將開關轉換到維修位置，調速裝置可以進行維修。維修完畢後，開關轉回到執行位置，可繼續調速執行。
2． 基本工作原理
高頻斬波部份是乙個boost公升壓電路，在斬波電路穩定工
作時，對於某乙個占空比d，輸入電壓ui與輸出電壓uc之間，有方程式： ui=uc（1-d
轉子電勢為se20，在轉子整流電路電壓平衡時，忽略二極體壓降，暫不考慮整流電路的換相重疊壓降，有方程式：
kuv .s e20 = ui +idr
式中：kuv —— 轉子電路整流係數
s —— 轉差率
id —— 整流電流
r —— 等效的轉子整流電路及斬波電路總電阻
e20 —— 轉子電路開路電壓
這是乙個簡化式。由此公式可以定性地分析高頻斬波調速系統的工作原理。在系統工作時，電容器電壓uc基本恆定。
在採用閘流體逆變器時，uc= kuv·uf·cos30 (uf是內饋電機反饋繞組電壓)。改變斬波占空比d即可改變轉差率s，也就改變轉速。當增大占空比d時，等效的ui降低，由於機械轉動慣量很大，電機轉速瞬間不會變化，所以電動機轉子整流電流id很快增大。
電機電磁轉矩相應增大，電機加速，轉速公升高，轉差率s下降，又使電機電流下降，電磁轉矩下降，故又在新的平衡點達到平衡。當減小占空比時亦然，s公升高會在新的平衡點穩定運轉。這就是高頻斬波調速系統的基本工作原理。
1． 機械特性
內饋電機轉子漏抗大，轉子整流電路換相重疊現象嚴重。隨
著轉子電流的增大，存在著第一工作狀態（γ＜60， p=0）與第二工作狀態（γ=60， p≤30°）。由於本裝置採用電流閉環控制，最大電流限制在125%額定電流範圍以內，故只考慮在第一工作狀態下的機械特性。
在考慮轉子整流換相壓降時，②式變為：
s（kuve20- id3/πxdo）= uc（1-d）+idr- 3/πid xdo ③
令ce·ns= kuv e20- id3/πxdo- 3/πid xdo
式中：ns——對應於電網頻率的同步理想空載轉速
ce——係數
xdo—— s=1時折算到轉子側的電機定子和轉子的每相漏抗
整理後，③式變為：n= [ns- uc（1-d）/ce]- idr/ce ⑤
這就是內饋電機高頻斬波調速時的機械特性表示式。由⑤式可以看出，對於每乙個確定的占空比d，有一條確定的特性與之對應。內饋電機高頻斬波調速時機械特性如圖2所示。
nsy0.8
0.60.4
0.2圖2 高頻斬波調速時機械特性
當整流電流id = 0時，可以求出對應於占空比的各條特性的理想空載轉速。
no= ns- uc（1-d）/ce
由於電容器電壓uc基本恆定，理想空載轉速no與同步空載轉速ns的落差由占空比d確定。調節占空比d的大小，也就改變了電機的轉速。
係數ce不是乙個恆值，整流電流id上公升時，ce會減小。
2． 電流閉環控制
電流閉環控制的目的是控制電動機轉子電流的大小，也就
是控制電動機的電磁轉矩，從而控制速度。轉子電流的大小，是通過高頻斬波環節，改變占空比的值，對轉子整流電流id的控制來實現的。電流環的控制物件是轉子整流電路及斬波環節。
為搞清控制物件的數字換型，忽略次要因素，做如下假設：
① 電容器電壓uc恆定
② ur是轉子電勢se20的理想整流電壓
③ r、l是轉子電路及斬波電路等效的電阻與電感
④ 忽略轉子整流換相重疊壓降。
採用狀態空間平均模型方法，也即使用占空比加權的方法得到：ldi/dt ＋ir= ur-uc（1-d
在電流調節時，可以認為電動機速度瞬間是不變化的，即ur是不變的，（ur-uc）也是不變的。控制量是d，輸出量是整流電流id，控制物件可簡化為：
⑧式中ta=l/r
是轉子整流及斬波電路等效時間常數，這是乙個非常粗糙的處理。電流閉環的有關計算與調節由dsp完成。
電流環的控制櫃圖如下
se20
idid
圖3 電流閉環控制圖
圖中to——由占空比生成環節與電流反饋濾波環節綜合在一起的等效小慣量時間常數。
3． 速度閉環控制
在電機軸上安裝磁性測速碼盤。依據脈衝輸入，dsp計算
出電動機實際轉速。速度閉環由dsp完成，速度控制框圖如下：
niln
圖4速度閉環控制櫃圖
圖中 tς——由電流閉環等效時間常數與測速濾波環節綜合在一起的等效小慣量時間常數。
tq——電動機啟動時間常數
4． 閘流體逆變器
由閘流體三相橋整流電路及直流濾波電抗器組成。三相橋電
路總是工作在逆變狀態，β角固定在30°。直流濾波電抗器按逆變電流連續方式選取引數。
四、顯著特點
該產品具有自診斷功能；電網快切功能；高壓停電保護功能；不停電機檢修裝置功能；採用電子保護、過流、過壓不燒熔斷器功能；全數位化dsp閉環控制功能等，功能齊全。
1、調速範圍寬：採用德國西門子原裝智慧型igbt，組成高頻pwm斬波器，調速範圍很寬，為50％～100％（如使用者有特殊需要，可增加模組後進一步擴大調速範圍），覆蓋了所有水幫浦風機類裝置的調速要求。執行靜音、平穩。
克服了以往採用可控矽（scr）製作的斬波器工作頻率只有600hz、由於存在換向死區而導致調速範圍小（只有65％～93％）的弊端。此技術已獲得國家專利。
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