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【摘要】从工作原理、结构、性能等方面对斩波控制器与变频控制器优劣进行对比后，对斩波控制器与变频控制器技术的适用范围及实际选用要点进行了分析研究。
【关键词】斩波控制器；变频控制器；节能降耗【中图分类号】TM301.2
【文献标识码】A
【文章编号】1672-5158（2012）10-0019-01
目前变频器和内馈斩波控制器调速是工业领域中使用最多且最具有节能潜力的调速器，现结合自我对这两种调速器所掌握的知识和经验，对这两种调速器的性能优劣及应用范围作简单比较探讨分析。
1 斩波控制器与变频控制器优劣对比
1.1 2种调速器的工作原理对比
1.1.1 内馈斩波调速工作原理
内馈斩波调速器在新建中、大型电机拖动系统中具有较强优势，其主要融合了斩波控制和内反馈专用线绕式电动机为一体的新型交流节能调速控制技术。内馈斩波调速其主要工作原理在于将调速电动机的部分转子功率（即通常所说的电转差功率）以电能的形式将其信号反馈给线绕式电动机内部的相应调节绕组，通过内部特殊调速方式进行内馈斩波调速。此种调速方式，其最主要的调控技术创新点在于将电机转子功率信号反馈给调节绕组的功率越多，则实际轴功率输出就会越少，对应电机转速就越低；相反，当转子功率信号反馈给调节绕组的功率越少，则轴功率实际输出就会越多，对应电机转速就越高。因此，内馈斩波调速器中电转差功率是在电机转子与调节绕组问不断往复循环传输（其循环效率可以达到99.8％以上），电机拖动系统电能消耗量较低。另外，与变频调速控制系统相比，内馈斩波调速控制系统其控制对象是电机的转子，这样可以有效避开定子控制中存在的高压绝缘和控制信号屏蔽问题。
1.1.2 变频调速工作原理
变频调速的工作原理与内馈斩波调速控制原理没有本质差别，均是平行直线调速，但是其控制对象是电机转子，即通过改变电动机定子绕组的供电频率形成对应的电源频率来实现对电动机节能调速控制的目的。在中、小型功率电机拖动领域，变频调速由于其直接控制电源频率，控制可靠性、精确性较高，一致认为是一种优越的节能控制手段。随着电力电子技术、微电子技术、绝缘材料等技术的进一步发展，高压大功率变频器（kV级、Mw级）已在大型电机拖动系统能够中得到广泛推广应用。高压变频调速技术，以其调速可靠性高、调速范围宽、调速工况特性好、节能效果明显、调速平滑性好、维护工作量低等优点，在大型电机拖动系统中具有非常良好的应用前景。
1.2 电机拖动结构性能对比
高压变频器调速控制系统其控制手段能够使用到所有普通感应式交流异步电动机拖动系统，且其直接串接安装在电网与拖动电动机之间，而且还具有过负荷保护功能，其控制容量要大于电动机的额定容量，功率因素在O.9以上，效率在90％-95‰谐波小于4％，调速范围从0％-100％，移相控制，能够实现软起动。内馈斩波控制器调速系统其控制手段只能适用于专用的绕线式电动机，且斩波控制器是接在电动机转子和内馈绕组间，与电网间接连接，其控制器的控制容量要比电动机的额定容量小，功率因素在O.7-o.9，效率在98％以上，谐波小于5‰调速范围45％-100％，斩波控制，不能实现软起动。高压变频器，其是建立在现代电力电子技术和现代控制理论基础上形成的高科技新型节能调速产品，其对电力电子元器件的技术性能要求非常高，模块化、集成化、网络化结构功能要求较为严格，同时需要一定的高级应用软件和模拟仿真技术作为支持；而内馈斩波控制器调速系统，其所采用的电力电子元器件相对较为成熟，以大功率晶闸管结构为主，不需要特殊的功能软件作为支持。高压变频器其控制容量要大于电动机额定容量，其采用高电压、大功率电力电子元器件，其体积大、占地较多；而内馈斩波控制器调速系统，其控制容量比电动机额定容量小，且直接控制转子功率，可以避免电力电子高压绝缘和信号屏蔽问题，其体积小、占地少。高压变频器其控制容量较大、电压等级较高，发热量较多，所需的散热功率损耗较大；而内馈斩波控制器调速系统，其控制容量较小，发热量少，所需的散热功率较小。高压变频器调速系统其集成网络化程度较高，可视化操作，控制系统操作便捷、维护工作量较少；而内馈斩波控制调速系统，其可视化程度偏低，操作相对较复杂，电机拖动系统维护量相对较多。
2 斩波控制器与变频控制器技术的适用范围及实际选用
从前面分析可知，高压变频器是新型节能调速设备，其集成自动化程度较高，运行可靠性较其它调速系统得到大大提高，同时其可以适用所有电机拖动系统，对于电动机类型没有特殊结构功能要求，因此无论是新建电机拖动项目还是节能减排改造项目均可以选用高压变频器作为节能调速的核心设备；而内反馈斩波器调速控制系统，其对电动机类型有特殊要求，电动机必须是绕线式内反馈电机，也就是对于节能改造工程而言，如果原系统采用普通电动机，则需更换原电动机为绕线式内反馈电机，这样工程改造初始投资将大大增加。因此，新建项目采用内反馈斩波调速系统从成本控制方面相对较为优越，而对于改造项目（普通电动机），从成本控制方面采用变频调速节能控制较为优越。
2.1 投资成本分析
内馈斩波器节能调速控制系统，其原始投资成本大约只有变频调速的35％-50％之间，原始投资成本较变频调速控制系统要优越。
2.2 实用节能效果分析
高压变频器其由于受到高电压、大功率等因素的影响，其自身散热消耗功率大，其总效率大约在90％-95％之间；而内馈斩波器调速系统，其采集转子功率，不受高电压影响，控制容量较小，自身散热消耗功率较小，效率可以达到98％以上。也就是从理论来看，对于一台1000kW6.3kV高压大功率矿用电机车而言，假设全年运行时间在6000h左右，在其它条件均相同的情况下，高压变频调速系统其比内馈调速系统大约会多消耗约20万kW.h的电能资源。也就是说，内馈调速节能效果相对而言会好一些。但由于斩波控制器在矿用电机车中的使用，由于受到振动、冲击等外力作用，其速度传感器容易受到破坏，故障率较高，加上速度传感器多为国外生产，其价格较高，维护成本较高。综合初始投资、损耗费用、维护成本和运行可靠性等多方面，高压变频调速控制系统其节能效果要比内馈斩波控制系统优越，因此，我公司矿用电机车控制系统中逐步采用高压变频调速控制系统对原始内馈斩波控制系统进行技术升级改造，并在实际应用过程中取得较为良好的应用效果。
2.3 运行维护成本分析
内馈斩波器节能调速系统，其集成自动化程度相比变频调速节能控制系统低，其电机维护工作量相对较多，加上电动机是专用绕线式电动机，具有滑环，需定期更换碳刷，较普通的鼠笼交流电动机其转子成本较高、操作不方便、维护性能较差，运行维护成本较高。且调速范围为45％-100％，对于一些特殊调速领域不能适合。
2.4 其它方面
内馈斩波器节能调速系统，其工作可靠性较变频调速系统差，容易出现无故跳停和自动开启等问题，较为危险。内馈斩波器节能调速系统，其采集的速度信号实为安装在线绕式电动机输出轴上的一个速度码盘，并在侧面或底面安装对应速度传感器，一旦速度传感器因电动机运行振动或其他原因遭受破坏后，整套调速设备就相当于瘫痪不能使用，故障率较高，会引起严重的后果。而高压变频器其结构紧凑、运行可靠性高、使用便捷、维护工作量少、故障率低。
3 结束语
从上述分析可知，在实际工程应用中，如：注重技术先进、集成自动化、方便操作管理等方面时，应优选高压变频调速节能控制系统；在注重成本控制、投资效益回报等方面时，可优先考虑选用内馈斩波器节能调速系统。但从笔者角度，个人认为采用高压变频节能调速系统，将是工业电机拖动系统节能降耗改造的重要方向。
参考文献
[1] 倪洲，高压变频器与内馈调速的比较[J]，节能技术，2005，130（2）：185-187
【关键词】斩波控制器；变频控制器；节能降耗【中图分类号】TM301.2
【文献标识码】A
【文章编号】1672-5158（2012）10-0019-01
目前变频器和内馈斩波控制器调速是工业领域中使用最多且最具有节能潜力的调速器，现结合自我对这两种调速器所掌握的知识和经验，对这两种调速器的性能优劣及应用范围作简单比较探讨分析。
1 斩波控制器与变频控制器优劣对比
1.1 2种调速器的工作原理对比
1.1.1 内馈斩波调速工作原理
内馈斩波调速器在新建中、大型电机拖动系统中具有较强优势，其主要融合了斩波控制和内反馈专用线绕式电动机为一体的新型交流节能调速控制技术。内馈斩波调速其主要工作原理在于将调速电动机的部分转子功率（即通常所说的电转差功率）以电能的形式将其信号反馈给线绕式电动机内部的相应调节绕组，通过内部特殊调速方式进行内馈斩波调速。此种调速方式，其最主要的调控技术创新点在于将电机转子功率信号反馈给调节绕组的功率越多，则实际轴功率输出就会越少，对应电机转速就越低；相反，当转子功率信号反馈给调节绕组的功率越少，则轴功率实际输出就会越多，对应电机转速就越高。因此，内馈斩波调速器中电转差功率是在电机转子与调节绕组问不断往复循环传输（其循环效率可以达到99.8％以上），电机拖动系统电能消耗量较低。另外，与变频调速控制系统相比，内馈斩波调速控制系统其控制对象是电机的转子，这样可以有效避开定子控制中存在的高压绝缘和控制信号屏蔽问题。
1.1.2 变频调速工作原理
变频调速的工作原理与内馈斩波调速控制原理没有本质差别，均是平行直线调速，但是其控制对象是电机转子，即通过改变电动机定子绕组的供电频率形成对应的电源频率来实现对电动机节能调速控制的目的。在中、小型功率电机拖动领域，变频调速由于其直接控制电源频率，控制可靠性、精确性较高，一致认为是一种优越的节能控制手段。随着电力电子技术、微电子技术、绝缘材料等技术的进一步发展，高压大功率变频器（kV级、Mw级）已在大型电机拖动系统能够中得到广泛推广应用。高压变频调速技术，以其调速可靠性高、调速范围宽、调速工况特性好、节能效果明显、调速平滑性好、维护工作量低等优点，在大型电机拖动系统中具有非常良好的应用前景。
1.2 电机拖动结构性能对比
高压变频器调速控制系统其控制手段能够使用到所有普通感应式交流异步电动机拖动系统，且其直接串接安装在电网与拖动电动机之间，而且还具有过负荷保护功能，其控制容量要大于电动机的额定容量，功率因素在O.9以上，效率在90％-95‰谐波小于4％，调速范围从0％-100％，移相控制，能够实现软起动。内馈斩波控制器调速系统其控制手段只能适用于专用的绕线式电动机，且斩波控制器是接在电动机转子和内馈绕组间，与电网间接连接，其控制器的控制容量要比电动机的额定容量小，功率因素在O.7-o.9，效率在98％以上，谐波小于5‰调速范围45％-100％，斩波控制，不能实现软起动。高压变频器，其是建立在现代电力电子技术和现代控制理论基础上形成的高科技新型节能调速产品，其对电力电子元器件的技术性能要求非常高，模块化、集成化、网络化结构功能要求较为严格，同时需要一定的高级应用软件和模拟仿真技术作为支持；而内馈斩波控制器调速系统，其所采用的电力电子元器件相对较为成熟，以大功率晶闸管结构为主，不需要特殊的功能软件作为支持。高压变频器其控制容量要大于电动机额定容量，其采用高电压、大功率电力电子元器件，其体积大、占地较多；而内馈斩波控制器调速系统，其控制容量比电动机额定容量小，且直接控制转子功率，可以避免电力电子高压绝缘和信号屏蔽问题，其体积小、占地少。高压变频器其控制容量较大、电压等级较高，发热量较多，所需的散热功率损耗较大；而内馈斩波控制器调速系统，其控制容量较小，发热量少，所需的散热功率较小。高压变频器调速系统其集成网络化程度较高，可视化操作，控制系统操作便捷、维护工作量较少；而内馈斩波控制调速系统，其可视化程度偏低，操作相对较复杂，电机拖动系统维护量相对较多。
2 斩波控制器与变频控制器技术的适用范围及实际选用
从前面分析可知，高压变频器是新型节能调速设备，其集成自动化程度较高，运行可靠性较其它调速系统得到大大提高，同时其可以适用所有电机拖动系统，对于电动机类型没有特殊结构功能要求，因此无论是新建电机拖动项目还是节能减排改造项目均可以选用高压变频器作为节能调速的核心设备；而内反馈斩波器调速控制系统，其对电动机类型有特殊要求，电动机必须是绕线式内反馈电机，也就是对于节能改造工程而言，如果原系统采用普通电动机，则需更换原电动机为绕线式内反馈电机，这样工程改造初始投资将大大增加。因此，新建项目采用内反馈斩波调速系统从成本控制方面相对较为优越，而对于改造项目（普通电动机），从成本控制方面采用变频调速节能控制较为优越。
2.1 投资成本分析
内馈斩波器节能调速控制系统，其原始投资成本大约只有变频调速的35％-50％之间，原始投资成本较变频调速控制系统要优越。
2.2 实用节能效果分析
高压变频器其由于受到高电压、大功率等因素的影响，其自身散热消耗功率大，其总效率大约在90％-95％之间；而内馈斩波器调速系统，其采集转子功率，不受高电压影响，控制容量较小，自身散热消耗功率较小，效率可以达到98％以上。也就是从理论来看，对于一台1000kW6.3kV高压大功率矿用电机车而言，假设全年运行时间在6000h左右，在其它条件均相同的情况下，高压变频调速系统其比内馈调速系统大约会多消耗约20万kW.h的电能资源。也就是说，内馈调速节能效果相对而言会好一些。但由于斩波控制器在矿用电机车中的使用，由于受到振动、冲击等外力作用，其速度传感器容易受到破坏，故障率较高，加上速度传感器多为国外生产，其价格较高，维护成本较高。综合初始投资、损耗费用、维护成本和运行可靠性等多方面，高压变频调速控制系统其节能效果要比内馈斩波控制系统优越，因此，我公司矿用电机车控制系统中逐步采用高压变频调速控制系统对原始内馈斩波控制系统进行技术升级改造，并在实际应用过程中取得较为良好的应用效果。
2.3 运行维护成本分析
内馈斩波器节能调速系统，其集成自动化程度相比变频调速节能控制系统低，其电机维护工作量相对较多，加上电动机是专用绕线式电动机，具有滑环，需定期更换碳刷，较普通的鼠笼交流电动机其转子成本较高、操作不方便、维护性能较差，运行维护成本较高。且调速范围为45％-100％，对于一些特殊调速领域不能适合。
2.4 其它方面
内馈斩波器节能调速系统，其工作可靠性较变频调速系统差，容易出现无故跳停和自动开启等问题，较为危险。内馈斩波器节能调速系统，其采集的速度信号实为安装在线绕式电动机输出轴上的一个速度码盘，并在侧面或底面安装对应速度传感器，一旦速度传感器因电动机运行振动或其他原因遭受破坏后，整套调速设备就相当于瘫痪不能使用，故障率较高，会引起严重的后果。而高压变频器其结构紧凑、运行可靠性高、使用便捷、维护工作量少、故障率低。
3 结束语
从上述分析可知，在实际工程应用中，如：注重技术先进、集成自动化、方便操作管理等方面时，应优选高压变频调速节能控制系统；在注重成本控制、投资效益回报等方面时，可优先考虑选用内馈斩波器节能调速系统。但从笔者角度，个人认为采用高压变频节能调速系统，将是工业电机拖动系统节能降耗改造的重要方向。
参考文献
[1] 倪洲，高压变频器与内馈调速的比较[J]，节能技术，2005，130（2）：185-187