高壓變頻調(diào)速和內(nèi)反饋串級調(diào)速的比較

1、高壓變頻調(diào)速和內(nèi)反饋串級調(diào)速的比較國家電力公司西安熱工研究院 徐 甫 榮摘 要： 本文介紹了高壓變頻調(diào)速和內(nèi)反饋串級調(diào)速的工作原理和主要特點，同時客觀地比較了高壓變頻調(diào)速和內(nèi)反饋串級調(diào)速的主要優(yōu)缺點，供用戶在選擇節(jié)能方案時參考。關(guān)鍵詞：高壓變頻器 多電平技術(shù) 多重化技術(shù) 內(nèi)反饋串級調(diào)速電機 1. 前 言由電機學原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1、磁極對數(shù)p之間的關(guān)系式為：(r/min)異步電動機的轉(zhuǎn)差率s的定義式為：則可得異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：可見，要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，可以通過下述三個途徑實現(xiàn)：改變定子繞組的磁極對數(shù)p（變極調(diào)速）；改變供電電源的頻率f1（變頻調(diào)速）；改變

2、異步電動機的轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。改變定子繞組磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速；改變電源頻率調(diào)速的方法稱為變頻調(diào)速，都是高效調(diào)速方法。而改變異步電動機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法則稱為能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速（串級調(diào)速除外），它是一種低效的調(diào)速方法，因為調(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率都變成熱量消耗掉了，繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速就屬于這種調(diào)速方式。改變電動機定子的極對數(shù)，可使異步電動機的同步轉(zhuǎn)速改變，從而改變異步電動機的轉(zhuǎn)速n。大中型異步電動機采用變極調(diào)速時，一般采用雙速電動機。變極調(diào)速通常只用于鼠籠式異步電動機，而不用于繞線式異步電動機。這是因為鼠籠型電動機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)是隨著定子的極對數(shù)而變的，所以變極調(diào)速時只要改變定子繞組的極對數(shù)

3、就行了，而繞線式電動機變極時必須同時改變定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)，這就使得變極時復雜多了。用于風機水泵調(diào)速節(jié)能的雙速電機一般不采用42、84等倍極比的雙速電機，而采用64、86、108極的雙速電機，這與風機水泵的調(diào)速范圍一般不需要很大有關(guān)。另外，對于非倍極比的雙速電動機在極數(shù)比較小時（如86、1081210極等），由不同的繞組接線方式，分別近似為平方轉(zhuǎn)矩型、恒轉(zhuǎn)矩型和恒功率型三種特性的雙速電機。由于葉片式泵與風機在管路靜揚程或靜壓為零的情況下，近似為平方轉(zhuǎn)矩負載，所以應選用平方轉(zhuǎn)矩型特性的雙速電機，以便在高速及低速運行時都有較高的效率與功率因數(shù)，具有更為顯著的節(jié)能效果。雙速電機的優(yōu)點是調(diào)速效

4、率高，可靠性高，投資省。其缺點是有級調(diào)速，不能在整個調(diào)速范圍內(nèi)保證高效運行，有時還要配合節(jié)流調(diào)節(jié)手段調(diào)節(jié)流量，增加了部分節(jié)流損耗。雙速電動機在變速時電力必須瞬間中斷，對電動機及電網(wǎng)都有沖擊作用；高壓電動機若需經(jīng)常進行變速切換時，其切換裝置的安全可靠性尚需進一步完善和提高。2. 變頻調(diào)速由前所述可知，通過改變電動機供電電源頻率的方法而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速用的變頻器是通過采用可關(guān)斷的功率器件如：gto、gtr、igbt、igct等，再加上控制、驅(qū)動、保護電路組成的。由于發(fā)電廠風機水泵的電動機功率都很大，一般采用3kv、6kv供電，所以必須采用高壓變頻器進行調(diào)速運行。

5、目前高壓變頻器在世界上不象低壓變頻器一樣具有成熟的一致性的拓撲結(jié)構(gòu)，而是限于采用目前有限電壓耐量的功率器件，又要面對高壓使用條件的情況下，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海，各有高招，因此主電路拓撲結(jié)構(gòu)不盡一致，但都較成功地解決了高耐壓、大容量這一難題。如美國羅賓康（robicon）公司生產(chǎn)的第三代完美無諧波變頻器；羅克韋爾（ab）公司生產(chǎn)的bulletin1557和power flex7000變頻器；瑞典abb公司生產(chǎn)的acs1000變頻器；德國西門子公司生產(chǎn)的simovertmv變頻器；意大利ansaldo公司生產(chǎn)的silcovert th變頻器；以及日本的三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器

6、和國內(nèi)的利德華福公司和成都東方日立，成都佳靈公司，合康億盛公司和山東新風光公司等生產(chǎn)的高壓變頻器。但歸納起來主要有兩種：一是采用低耐壓器件的多重化技術(shù)，再就是采用高耐壓器件的多電平技術(shù)。（1）多重化技術(shù)所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓pwm功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。圖1為6kv變頻器的主電路拓撲圖，每相由5個額定電壓為690v的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690v5=3450v，所對應的線電壓為6000v。每個功率單元由輸入隔離變壓

7、器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個12的相位差。圖2中以中間接法為參考（0），上下方各有兩套分別超前（+12、+24）和滯后（-12、-24）的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。圖1多重化變頻器拓撲圖圖2五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接圖1中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（igbt）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓pwm電壓型逆變器。功率單元電路見圖3。每個功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為5、4、3、2、1和0。圖4為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成

8、的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平pwm電壓型變頻器。采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化pwm技術(shù)，由5對依次相移12的三角載波對基波電壓進行調(diào)制。對a相基波調(diào)制所得的5個信號，分別控制a1a5 5個功率單元，經(jīng)疊加可得圖1.15所示的具有11級階梯電平的相電壓波形，它相當于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2%和0.8%，堪稱完美無諧波（perfect harmony）變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達0

9、.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數(shù)補償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的igbt開關(guān)頻率若為600hz，則當5個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6khz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、du/dt值和電機的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機無特殊要求，可用于普遍籠型電機，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個周期的電源喪失。這種主電路拓撲結(jié)構(gòu)

10、雖然使器件數(shù)量增加，但由于igbt驅(qū)動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達96%以上。圖3功率單元電路圖4五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形（2）多電平技術(shù)我國標準中壓電壓等級為6kv和10kv，若直接變頻，即使用4.5kv6kv耐壓的功率器件，仍需串聯(lián)使用，使器件數(shù)量增加，電路復雜，成本增加，可靠性大為降低。為了避免功率器件的串、并聯(lián)使用，世界上很多公司致力于開發(fā)高耐壓、低損耗、高速度的功率器件。如西門子公司研制的hv-igbt耐壓可達4.5kv，abb公司研制的新型功率器件一集成門極換流晶閘管（igct），耐壓可達6kv，并在致力于研制耐壓9kv的igct器件。

11、在研制高耐壓器件的同時，對變頻器的主電路拓撲的研究也有所突破，多電平技術(shù)就是使用有限耐壓的功率器件，直接應用于6kv電壓的主電路拓撲技術(shù)。圖5所示是abb公司acs1000型12脈沖輸入三電平高壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)圖。 整流部分采用12脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平pwm逆變器。由圖1.16可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用高耐壓的igct功率器件，使得器件總數(shù)減少為12個。隨著器件數(shù)量的減少，成本降低，電路結(jié)構(gòu)簡潔，從而使體積縮小，可靠性更高。若采用6kv耐壓的igct，變頻器輸出電壓可達4.16kv，采用5.5kv耐壓的igct，變頻器輸出電壓可達3500v，

12、將y型接法的6kv中壓電動機改為接法，剛好適用此電壓等級，同時也滿足了igct電壓型變頻器對電機的絕緣等級提高一級的要求，因此這個方案可能是最經(jīng)濟合理的。若要輸出6kv電壓，還必須進行器件串聯(lián)。由于變頻器的整流部分是非線性的，產(chǎn)生的高次諧波將對電網(wǎng)造成污染。為此，圖1.16所示的acs1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中，將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來，其初級繞組接成三角形，其次級繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個次級繞組的線電壓相同，但相位則相差30角，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會互相抵消。

13、這樣經(jīng)過2個整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12波頭的整流輸出波形，比6個波頭更平滑，并且每個整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于n=kp1(p為整流相數(shù)、k為自然數(shù)、n為特征諧波次數(shù))。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路，網(wǎng)側(cè)諧波將更進一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上，不需要功率因數(shù)補償電容器。圖5 三電平igct變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖圖6 三電平pwm變頻器輸出線電壓波形圖變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。輸

14、出線電壓波形見圖6。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出濾波器才能用于普通的籠型電動機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，功率因數(shù)和效率都會相應降低。（3）兩種類型變頻器的性能比較現(xiàn)對多重化變頻器（csml）和三電平(中性點鉗位)變頻器（npc）進行性能比較，兩種高壓變頻器各有優(yōu)缺點，分別體現(xiàn)在以下各方面：器件數(shù)量以6kv輸出電壓等級的變頻器為例，采用npc方式，逆變器部分需36個耐壓為3300v的高壓igbt，或者采用24個耐壓為5000v的igct。采用csml方式，需要15個功率單元，共計60個耐壓為1700

15、v的低壓igbt。從器件的數(shù)量上看，csml方式要多于npc方式，但csml方式采用的是低壓igbt，相對于高壓功率器件而言，低壓器件的技術(shù)更加成熟、可靠，成本也較低。均壓問題：均壓問題（包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓）是影響高壓變頻器可靠性的重要因素，采用npc方式，當輸出電壓等級較高（如6kv）時，單用12個器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，器件直接串聯(lián)必然帶來均壓問題，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢，大大影響系統(tǒng)的可靠性。采用csml方式，不存在均壓問題，唯一存在的問題是當變頻器處于快速制動時，電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，機械能轉(zhuǎn)化為動能，導致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上

16、升程度可能存在差異，但這個問題很容易解決，通過檢測功率單元直流母線電壓，當任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓“泵升”，即所謂的過電壓失速防止功能，這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù) 由于csml方式輸入整流電路的脈沖數(shù)超過npc方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢是明顯的，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢。輸入波形 npc方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而6kv等級的csml方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平。而且，后者的等效開關(guān)頻率（6khz）大大高于前者，所以后者在輸出波形質(zhì)量方面優(yōu)勢也是明顯的。dv

17、/dt npc方式的輸出電壓跳變臺階為一半的高壓直流母線電壓，對于6kv輸出變頻器而言，為4000v左右，csml方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1000v，所以二者在輸出dv/dt方面的差距也是明顯的。系統(tǒng)效率就變壓器與逆變電路而言，npc方式和csml方式的效率非常接近，但考慮到輸出波形的質(zhì)量的差異，若采用普通電機，前者必須設置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率0.5%左右。若采用特殊變頻電機，兩種變頻器的效率基本接近，但由于輸出波形方面的優(yōu)勢，采用csml方式時，電機運行效率相對較高。但由于igbt導通壓降大，效率較低，而igct則損耗較小，因而器件效率

18、較高。四象限運行 npc方式當輸入采用對稱的pwm整流電路時，可以實現(xiàn)四象限運行，可用于軋機、卷揚機等設備；而csml方式則無法實現(xiàn)四象限運行，只能用于風機、水泵類負載。冗余設計 npc方式的冗余設計很難實現(xiàn)。而csml方式可以方便地采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設計方案，大大地有利于提高系統(tǒng)的可靠性。可維護性 除了可靠性以外，可維護性也是衡量高壓變頻器優(yōu)劣的一個重要因素，csml方式采用模塊化設計，更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和兩個交流輸出端子，以及一個光纖插頭，就可抽出整個單元，十分方便。而npc方式就不那么方便了。綜上所述，三電平電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)簡單，且可做成四象限運行的

19、變頻器，應用范圍較寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯(lián)，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設置輸出濾波器。在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時，還要設置輸入濾波器。多重化pwm電壓源型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波輸出諧波及dv/dt等方面有明顯的優(yōu)勢，但只能二象限運行。從負載類型而言，對于風機、水泵等一般不要求四象限運行的設備，csml變頻器有較大的應用前景；對軋機、卷揚機等要求四象限運行的設備而言，適合采用npc型變頻器。從電壓等級來看，在目前的電力電子功率器件的耐壓水平下，考慮到器件串聯(lián)帶來的均壓問題，6kv以上電壓等級（含6kv），宜優(yōu)先考慮csml方式。（4）變頻調(diào)速

20、系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點：主要優(yōu)點是： 可實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，且調(diào)速精度高，轉(zhuǎn)速（頻率）分辯率高。 調(diào)速效率高。變頻調(diào)速的特點是在頻率變化后，電動機仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運行，基本上保持額定轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差損失不增加。變頻調(diào)速時的損失，只是在變頻裝置中產(chǎn)生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動機的損耗有所增加，相應效率有所下降。所以變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。 調(diào)速范圍寬，一般可達101（505hz）或201（502.5hz）。并在整個調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率v。所以變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運行的負載。 功率因數(shù)高，可以降低變壓器和輸電線路的容量，減少線損，節(jié)省

21、投資。或在同樣的電源容量下，可以多裝風機或水泵負載。 當變頻裝置故障時可以退出運行，改由電網(wǎng)直接供電（工頻旁路）。這對于泵或風機的安全經(jīng)濟運行是很有利的。如萬一變頻裝置發(fā)生故障，就退出運行，不影響泵與風機的繼續(xù)運行；又如在接近額定頻率（50hz）范圍工作時，由變頻裝置調(diào)速的經(jīng)濟性并不高，變頻裝置可退出運行，由電網(wǎng)直接供電，改用節(jié)流等常規(guī)的調(diào)節(jié)方式。 變頻裝置可以兼作軟起動設備，通過變頻器可將電動機從零速起動連續(xù)平滑加速直致全速運行。變頻軟起動是目前最好的軟起動方式，變頻器是目前最好的軟起動設備。主要缺點是： 目前，變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動中推廣應用的主要問題有兩個：一個是我國發(fā)電廠輔機電動

22、機供電電壓高（310kv），而功率開關(guān)器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；二是高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、難度大，因而投入也高，而一般風機水泵節(jié)能改造都要求低投入，高回報，從而造成經(jīng)濟效益上的問題。這兩個問題是它應用于風機水泵調(diào)速節(jié)能的主要障礙。 因電流型變頻器輸出電流的波形和電壓型變頻器輸出電壓的波形均為非正弦波形而產(chǎn)生的高次諧波，對電動機和供電電源會產(chǎn)生種種不良影響。如使電動機附加損耗增加、溫升增高，從而使電動機的效率和功率因數(shù)下降，出力受到限制，噪聲增大以及對無線電通信干擾增大等。同時，高次諧波會引起電動機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，其脈動頻率為6kf(k=1，2，3)。當轉(zhuǎn)矩脈動頻率較低并

23、接近裝置系統(tǒng)的固有頻率時，可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，裝置系統(tǒng)必須注意避免在共振點附近運行。如采用pwm變頻器或采用多重化技術(shù)的電流型和電壓型變頻器，其輸出波形大為改善，高次諧波大大減少，所以這個問題可以得到大大的改善。3. 繞線式電動機的串級調(diào)速繞線式電動機的串級調(diào)速，雖然也是通過改變異步電動機的轉(zhuǎn)差率來達到調(diào)速目的的，但它與能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速不同，關(guān)鍵的差別體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)差功率的處理上。能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速是將調(diào)速中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率變成熱能消耗掉了，而串級調(diào)速卻是通過電子變流裝置和逆變變壓器，將轉(zhuǎn)差功率又反饋回電網(wǎng)，因此是一種高效的調(diào)速方式。（1）普通串級調(diào)速從電機學得知，為了實現(xiàn)繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；除可

24、通過在轉(zhuǎn)子回路中串電阻的方式外，還可采用在轉(zhuǎn)子回路串電勢的方法。這種在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢進行調(diào)速的方法，稱為繞線式異步電動機的串級調(diào)速。串級調(diào)速的關(guān)鍵是串入到轉(zhuǎn)子回路的電勢ef的頻率必須與轉(zhuǎn)子電勢頻率f2相等，但f2是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，即f2是由旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n決定的，即 式中：p磁極對數(shù)；s轉(zhuǎn)差率。但要串入一個永遠跟隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的電勢ef是相當困難的。解決的辦法是先把轉(zhuǎn)子電勢整流成直流電勢ed，再在此直流回路中串入一與ef相當?shù)目烧{(diào)節(jié)的直流電勢，就可避免隨時改變ef頻率的困難了。具體的實現(xiàn)串級調(diào)速有下述三種方式：第一種是由一臺直流電動機與主繞線式異步電動機組成的串

25、級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫機械串級調(diào)速系統(tǒng)或叫克萊墨系統(tǒng)。第二種是由一臺直流電動機、一臺交流發(fā)電機與主繞線式異步電動機組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫電機式串級調(diào)速系統(tǒng)或謝菲爾畢斯系統(tǒng)。第三種是由變頻器與繞線式異步電動機組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫晶閘管（可控硅）串級調(diào)速系統(tǒng)或靜止謝菲爾畢斯系統(tǒng)。上述第一種及第二種串級調(diào)速方式過去早有應用；第三種晶閘管串級調(diào)速是一種新的串級調(diào)節(jié)方式，它在目前應用最廣泛，已有取代第一、二種串級調(diào)速的趨勢。與轉(zhuǎn)子串電阻方式相比較，轉(zhuǎn)子串電勢的串級調(diào)速的優(yōu)越性是可以回收轉(zhuǎn)差損失，僅是在晶閘管等換流元件換流時產(chǎn)生一些不大的換流損失，所以繞線式異步電動機的串級調(diào)速是一種高效

26、調(diào)速方式。晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)又可分為低（次）同步串級調(diào)速系統(tǒng)和超同步串級調(diào)速系統(tǒng)兩種。當串接到繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子上的附加電勢ef與轉(zhuǎn)子電勢se20反向時，電動機的轉(zhuǎn)速只能朝電動機額定轉(zhuǎn)速以下的方向調(diào)節(jié)，運行轉(zhuǎn)速恒低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，稱為低（次）同步串級調(diào)速。當ef與se20既可同向串接，又可反向串接時，電動機的運行轉(zhuǎn)速既可高于又可低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，稱為超同步串級調(diào)速，或稱為雙饋調(diào)速。圖7所示為低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，其工作原理為：繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)差電勢e2（se20）經(jīng)三相整流橋zl后整流為直流電勢ed，再經(jīng)電抗器l濾波后，加到三相逆變橋nb上。由晶閘管組成的三相有源逆變器nb

27、的作用有兩個：一是為轉(zhuǎn)子回路由電網(wǎng)提供附加直流電勢e，它與外串附加交流電勢ef相當，因是低同步串級調(diào)速，所以他的方向與轉(zhuǎn)子直流電勢ed相反。nb的第二個作用是把直流電再逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的三相交流電，從而把轉(zhuǎn)差功率ps通過逆變變壓器b匹配成電網(wǎng)電壓，送回電網(wǎng)。圖7低同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng) 圖8交直交超同步串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖8為超同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。它與低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的主要區(qū)別是把由二極管組成的不可控的整流器改為由晶閘管組成的可控的整流器，這樣它既可作整流器用，又可以作為逆變器使用。當超同步串級調(diào)速系統(tǒng)在低同步范圍調(diào)速時，可控的整流器作用與不可控的整流器完全相同。但當超同步串級

28、調(diào)速系統(tǒng)在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時，原來的逆變器成為整流器，它通過變壓器從電網(wǎng)吸收交流能量，并將其整流為直流電。而原可控的整流器則成為逆變器，它把直流電變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)子頻率相同的交流電，由變頻器向轉(zhuǎn)子繞組供電。這樣，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)的工作方式已是一種繞線式異步電動機的變頻調(diào)速方式了，其定子繞組由工頻電源供電；而轉(zhuǎn)子繞組則由變頻電源供電，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子變頻電源的頻率就可以進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。由上述可以看出，繞線式異步電動機的這種變頻調(diào)速方式與鼠籠式異步電動機的變頻調(diào)速方式并不相同，后者僅由定子側(cè)供電，而前者是由定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)雙方饋電的。因此，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)又稱為雙饋感應電動機或簡稱雙饋電動機。低同步晶閘管

29、串級調(diào)速系統(tǒng)常稱為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)；超同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)常稱為雙饋調(diào)速系統(tǒng)。（低同步）晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中的逆變器稱為有源逆變器，它的作用是把直流電逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電饋送到電網(wǎng)中去。這就是說，有源逆變器的交流側(cè)與電網(wǎng)相連，其負載是有源網(wǎng)絡，所以其頻率和電壓都是一定的。變頻調(diào)速系統(tǒng)中的逆變器稱為無源逆變器，它的作用是把直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電供給負載（電動機），以實現(xiàn)電動機的調(diào)速運行。這就是說，無源逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)相連，而與電動機相連。晶閘管串級調(diào)速方式用于泵或風機調(diào)速時，其主要優(yōu)點為：晶閘管串級調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。一般而言，晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率（即電動機和調(diào)速

30、裝置的綜合效率z）應高于鼠籠式電動機及變頻裝置的綜合效率z。這是因為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，只有轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變頻器；而鼠籠式電動機變頻調(diào)速時，其由電網(wǎng)輸入的全部有功功率都要通過變頻器。所以從通過變頻器時的功率損失（稱為換流損失）來看，顯然晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)要小得多。圖9所示為典型晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的z及cos值，z定義為z式中：pb指電網(wǎng)凈輸出，不包括輸入后又輸出的轉(zhuǎn)差功率。晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)具有故障或其他原因時自動切換至額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的功能。故當串級調(diào)速裝置有故障時，泵與風機仍可以繼續(xù)工作。此外，由于晶閘管串級調(diào)速裝置的硅二極管、電抗器、晶閘管、變壓器等元件要產(chǎn)生電壓降，故串級調(diào)速系

31、統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速只能達到原電動機額定轉(zhuǎn)速的95左右，因此，若要電動機在原額定轉(zhuǎn)速運行，亦需把串級調(diào)速系統(tǒng)的“調(diào)速狀態(tài)”切換到異步狀態(tài)。調(diào)速裝置由靜止元件組成，噪聲小，易于維護，壽命長；當泵或風機的調(diào)速范圍較小時，調(diào)速裝置的容量可大大減小，價格也相應降低。晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)存在的主要問題是：15晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)低。如圖9所示，在100額定轉(zhuǎn)速下運行時，系統(tǒng)總功率因數(shù)cos還不到0.6；在50額定轉(zhuǎn)速運行時還不到0.3。造成系統(tǒng)總功率因數(shù)低的主要原因是串級調(diào)速系統(tǒng) 圖9 晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的z中的晶閘管逆變器在工作時需要吸收無功功 16500kw，14極，50hz率。還有兩個原因是：由于

32、系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流 22200kw，12極，50hz器的作用，使電動機本身的運轉(zhuǎn)功率因數(shù)變壞；由于系統(tǒng)中電動機和逆變變壓器的電流波形發(fā)生畸變，其電流的高次諧波分量引起無功的畸變功率，使系統(tǒng)的總功率因數(shù)即cos變壞。后者兩個原因所造成的系統(tǒng)總功率因數(shù)降低約10左右。 產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)有污染。在晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)子回路串接的硅二極管整流器和晶閘管逆變器，它們每相的電流都是間歇電流，包含著一定分量的高次諧波。高次諧波電流不但對串級調(diào)速系統(tǒng)本身產(chǎn)生不良影響（如使系統(tǒng)的損耗增加，功率因數(shù)降低等）；更重要的是對整個供電系統(tǒng)也將產(chǎn)生不良影響。它使供電電網(wǎng)的電壓波形產(chǎn)生畸變?；冸妷簳鹣铝胁涣?/p>

33、現(xiàn)象：使感應電動機的定子損耗增加，其轉(zhuǎn)子回路中亦因感應諧波電勢而使轉(zhuǎn)子損耗增加；使電源變壓器損耗增加，噪聲增大；可能引起母線與補償電容器和線路上的感抗元件發(fā)生共振，使電容器過熱;可能導致并聯(lián)工作的晶閘管變流裝置相互干擾而控制失調(diào)；給儀表裝置和通訊設備帶來電干擾和磁干擾。提高功率因數(shù)的措施：具有斬波環(huán)節(jié)的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。所謂帶斬波器的串級調(diào)速系統(tǒng)，就是在傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路的二極管整流橋與晶閘管逆變橋電路之間并聯(lián)接入一個斬波器，如圖10所示。系統(tǒng)運行時，逆變器的圖10帶斬波器的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)原理逆變角固定在最小安全逆變角min不變，通過調(diào)節(jié)斬波器在一個周期內(nèi)的導通與關(guān)斷的變化實現(xiàn)調(diào)

34、速。因cosmin值較大，逆變器從電網(wǎng)需要的無功功率減小，故使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，在高轉(zhuǎn)速運行時比一般串級調(diào)速系統(tǒng)高0.20.3。目前上海電器成套廠生產(chǎn)的帶斬波器的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的容量已達550kw。斬波器通常由普通晶閘管構(gòu)成。若采用可關(guān)斷晶閘管gto或電力晶體管gtr、絕緣柵雙極型晶體管igbt等全控型電力開關(guān)元件，則其控制線路可大為簡化。對串級調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的電力半導體開關(guān)元件用全控型開關(guān)元件（如電力晶體管gtr、門極可關(guān)斷晶閘管gto、絕緣柵雙極型晶體管igbt等）取代普通的晶閘管，由于gtr、gto、igbt等具有自關(guān)斷能力，且開關(guān)頻率高，因此逆變器可作成pwm型，輸出的電壓或電

35、流為近似正弦波形，不但高次諧波量少，而且有高的功率因數(shù)。雙饋調(diào)速系統(tǒng)與（低同步）串級調(diào)速系統(tǒng)相比，具有如下特點：雙饋調(diào)速系統(tǒng)不但可以在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，還可以在同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速；而且在同步轉(zhuǎn)速上、下，既可以電動運行，又可以制動運行。而晶閘管串調(diào)系統(tǒng)只能在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，沒有制動轉(zhuǎn)矩。由于雙饋調(diào)速可以在同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速，所以只要電動機有足夠的機械強度，便可以發(fā)出比額定功率大的功率。這對于火力發(fā)電廠的鍋爐給水泵等這類大容量、高轉(zhuǎn)速泵具有很大意義，因為這些泵的轉(zhuǎn)速比電動機的同步轉(zhuǎn)速高，而使用雙饋調(diào)速系統(tǒng)不用增速齒輪就可達到。雙饋調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)比串級調(diào)速系統(tǒng)高，且高次諧波對電網(wǎng)的干擾較小。雙饋調(diào)

36、速系統(tǒng)的線路比串級調(diào)速系統(tǒng)復雜，初投資也高，維護較困難，要求工人具有較高的文化技術(shù)水平。雙饋調(diào)速系統(tǒng)和串級調(diào)速系統(tǒng)是不需要調(diào)節(jié)全部傳動功率的電氣傳動系統(tǒng)，因此，經(jīng)變頻裝置的功率僅僅是傳動功率的一部分（轉(zhuǎn)差功率），這部分功率的大小和調(diào)速范圍成正比例。這種調(diào)速方式最適用于調(diào)速范圍不大的場合。另外，因只需對傳動功率的一部分進行變頻，所以能量變換裝置中的能量損失較小。在各種可調(diào)速的電氣傳動方式中，雙饋調(diào)速和串級調(diào)速的效率是最高的。其次，雙饋調(diào)速系統(tǒng)和串級調(diào)速系統(tǒng)都具有高的可靠性，即使在變流裝置發(fā)生嚴重故障時，仍可以將電動機的轉(zhuǎn)子短接而工作在不調(diào)速的狀態(tài)運轉(zhuǎn)。對于火電廠的鍋爐給水泵、鍋爐送、引風機以及核

37、電站的循環(huán)泵等可靠性要求高的重要設備來說，這個優(yōu)點是很重要的。（2）內(nèi)反饋串級調(diào)速電機作為近代交流調(diào)速技術(shù)的重要分支，晶閘管串級調(diào)速曾獲得普遍的重視和廣泛的應用。但是隨著近年來變頻調(diào)速技術(shù)的迅速崛起，串級調(diào)速受到很大的沖擊。除了理論上的誤導作用之外，串級調(diào)速技術(shù)在理論深入和技術(shù)改進方面存在不足也是主要原因之一。內(nèi)反饋串級調(diào)速電機就是旨在克服傳統(tǒng)的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的缺點而提出的新型附加電勢調(diào)速方案。圖11為內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)的原理簡圖。內(nèi)反饋串級調(diào)速電機的調(diào)速原理仍屬于繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串附加電勢進行調(diào)速的理論范疇，但該附加電勢不是通過與電網(wǎng)聯(lián)接的逆變變壓器提供，而是通過安裝在定子上的調(diào)

38、節(jié)繞組從主繞組感應過來的電勢所提供的，再通過變流裝置將該電勢串入電機的轉(zhuǎn)子繞組，改變其串入電勢的大小即可實現(xiàn)調(diào)速的目的。同時調(diào)節(jié)繞組吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并通過與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生正向的拖動轉(zhuǎn)矩，這就使電機從電網(wǎng)吸收的有功功率減少，主繞組的有功電流隨轉(zhuǎn)速正比變化，達到調(diào)速節(jié)能的目的。與傳統(tǒng)串級調(diào)速的區(qū)別在于內(nèi)反饋調(diào)速的轉(zhuǎn)差功率不是饋入電網(wǎng)，而是反饋回電機內(nèi)部。轉(zhuǎn)差功率的這種內(nèi)饋的結(jié)果，使調(diào)速產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率仍以電能的形式存在而沒有被消耗，從而提高了調(diào)速效率；另一方面，通過電機的磁勢平衡使定子繞組向電網(wǎng)吸收的功率減小，定子功率繞組中不再含有多余的轉(zhuǎn)差功率，克服了傳統(tǒng)串調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率在定子轉(zhuǎn)子電

39、網(wǎng)間的無謂循環(huán)傳輸現(xiàn)象。圖11 內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)簡圖與傳統(tǒng)串級調(diào)速的區(qū)別在于內(nèi)反饋調(diào)速的轉(zhuǎn)差功率不是饋入電網(wǎng)，而是反饋回電機內(nèi)部。轉(zhuǎn)差功率的這種內(nèi)饋的結(jié)果，使調(diào)速產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率仍以電能的形式存在而沒有被消耗，從而提高了調(diào)速效率；另一方面，通過電機的磁勢平衡使定子繞組向電網(wǎng)吸收的功率減小，定子功率繞組中不再含有多余的轉(zhuǎn)差功率，克服了傳統(tǒng)串調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率在定子轉(zhuǎn)子電網(wǎng)間的無謂循環(huán)傳輸現(xiàn)象。為了實現(xiàn)上述功能，內(nèi)反饋調(diào)速電動機本體，除了具有和常規(guī)電機相同的定、轉(zhuǎn)子繞組外，還在定子上設有特殊的調(diào)節(jié)繞組。調(diào)節(jié)繞組的作用是為轉(zhuǎn)子繞組提供調(diào)速所必須的附加電勢，并接收轉(zhuǎn)子在調(diào)速時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率，調(diào)節(jié)繞組的這一

40、作用，類似于傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)中的逆變變壓器，但內(nèi)反饋調(diào)速是在電機內(nèi)部的電磁系統(tǒng)中完成的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)移，而傳統(tǒng)串級調(diào)速則是在兩個不同的電磁系統(tǒng)中實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的傳輸。不但在結(jié)構(gòu)上，前者比后者簡單，而且使電機調(diào)速的功率傳輸性能更為合理。與傳統(tǒng)串級調(diào)速一樣，為了克服功率因數(shù)比較低的缺點，在轉(zhuǎn)子直流回路增加了直流斬波器，轉(zhuǎn)子整流器通過斬波器與逆變器相連，組成斬波式逆變器。斬波式內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速是通過改變斬波器的占空比來實現(xiàn)的，因此逆變器的控制角可取為最小值min，且固定不變，故可使無功損耗減小到最低程度，從而提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時也避免了因調(diào)速深度而帶來的功率因數(shù)進一步降低的現(xiàn)象。圖12為斬波

41、式串級調(diào)速系統(tǒng)的原理簡圖。為了進一步提高內(nèi)反饋串級調(diào)速電機的功率因數(shù)，還可以采用內(nèi)補償措施。改善內(nèi)反饋調(diào)速電機的功率因數(shù)的關(guān)鍵，在于使調(diào)節(jié)繞組的無功功率呈容性，這一方面可以通過超前換流的電子變流器來實現(xiàn)，也可通過內(nèi)補償方法來實現(xiàn)。內(nèi)補償是一種簡單、可靠的改善功率因數(shù)、降低無功損耗的方法，其線路圖如圖13所示。圖12 斬波式內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)圖13 內(nèi)反饋調(diào)速電機的內(nèi)補償在調(diào)節(jié)繞組接入補償電容器，為了抑制諧波電流，串入阻尼電抗器l2。這樣，調(diào)節(jié)繞組除了反饋電流i31以外，還產(chǎn)生容性電流i3c，總的電流為：。將補償?shù)母行詿o功分量，使呈純電阻性質(zhì)，或者偏容性，因此實質(zhì)性地改善了電機的功率因數(shù)。內(nèi)補償?shù)淖罱K目的是為了避免調(diào)節(jié)繞組感性電流引起的原邊激磁電流的增大，為此，要求與的感性無功分量完全相等而抵消，這種補償稱為準補償。準補償對電機系統(tǒng)的功率因數(shù)并未起到補償作用，但由于它使q30，因此并不增加電機功率繞組的激磁功率及損耗，而且調(diào)節(jié)繞組的功率因數(shù)接近于1，使其損耗最小。如果調(diào)節(jié)繞組容量允許的話，最好使q30而呈容性，這對于調(diào)節(jié)繞組來說是過補償，過補償?shù)慕Y(jié)果使得功率繞組的激磁電