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摘 要：本文介绍了上海科祺公司生产的内反馈串级调速装置的工作原理和系统主要构成。并通过在宜兴协联热电厂2台135MW机组8台送、引风机的首次使用，经过多年运行下来的情况和经济分析，说明了内反馈调速电机的实际节能效果及广泛的应用前景
关键词：内反馈；斩波；调速；应用；电动机。
Pick to: this paper introduces the Shanghai kei company production of internal feedback series speed regulating device of the working principle and system main components. And through the in yixing association league two thermal power plant 135 mw unit 8, induced draft fan for the first time to use, after many years of operation condition and economic analysis, illustrates the practical energy saving effect of the internal-feedback adjustable-speed motor and broad application prospects
Key words: internal feedback; Chopper. Speed control; Application; The electric motor.
中图分类号： TM621.8 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1.概述
宜兴协联热电厂2台135MW机组8台送、引风机都采用的是上海科祺公司生产的高频斩波内反馈串级调速装置。其中送风机功率为710KW，额定电流82.3A。引风机功率为800KW, 额定电流88.8A. 在没有投入内反馈调速装置前，正常运行的时候，8台风机全速运行，风机的风量仅靠改变挡板的开度来调节。投入内反馈调速装置后，风机的风量是靠改变电动机的转速来调节，通过改变电动机的转速，使得在低速运行时，大幅度降低电动机的输出功率，降低了电厂的厂用电率，从而达到节能降耗的目的。
2.调速方式的选择
由电机学理论可知：n=，式中n—电动机转速；f—电源频率;s—转差率；p—极对数；从式中可是电机调速方式可分为改变极对数、改变转差率和改变频率三种，其中变极调速一般只有2～3个变极档，转速只能成倍变化，而不是连续可调，属有级调速；调节转差率的电磁离合器，即滑差离合器调节，能平滑调速，闭环式调速范围较宽，但调速效率较低，存在不可控区。使用机械调速主要是液力偶合器调速，属耗能型调速系统，在调速范围较大時，调速效率较低，且偶合器故障时，电机不能投运，系统必须停机检修，无法保证系统安全可靠运行的要求。
3.斩波控制的内反馈串级调速原理
传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接而产生等效反电势。等效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角（移相触发）来实现，同时，转差功率经逆变器和逆变变压器由电网吸收。当使用逆变变压器将转差功率回馈并吸收至电网时，称为外反馈式串级调速。如在电动机定子绕组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组,则定子铁芯中的反馈绕组和定子绕组构成并代替了逆变变压器，将转差功率通过反馈绕组及定子绕组回馈并吸收至电网，这称为内反馈式串级调速，科祺公司首先运用了国内领先的技术绝缘栅双极型晶体管IGBT斩波器控制串级调速系统。从串级调速的原理可见，串级调速变流装置工作在转子回路，这就带来以下两方面固有的技术优势：
变流装置承受的电压低。这是因为调速中转子回路的电压为S*E2s，S为转差率，E2s为转子额定电压，在几百至2000伏之间。对于风机水泵而言，调速下限一般不会低于50%额定转速，转差率最大值不会超过0.5，因而转子回路工作电压，亦即变流装置承受的电压多为几百伏。
上海科祺内馈电机高频斩波调速装置有转子整流器、高频斩波器IGBT、晶闸管相控逆变器及DSP控制器组成。原理如下图所示。
由图可知，内反馈绕组线式异步电动机的转子输出电压接至三相桥式转子整流器，通过IGBT直流斩波器与电源换相的晶闸管三相桥式整流电路及直流滤波电抗器组成的逆变器相连。三相桥电路总是工作在逆变状态，它的触发控制角α不需要调节，从工作原理考虑，它可以固定在某一个大于90°的角度触发，但实际上为了提高功率因数，降低无功分导总是把它控制在最大触发角即最小逆变角β为30°的地方。在斩波电路稳定工作时，经斩波器输至整流桥的电压应与整流桥输出电压相平衡，则有：
当IGBT导通时，电动机转子电流被IGBT经由限流电抗器L短路(电抗器串联在整流器的输出端)，其回路电流随时间斜坡上升，此时电机的转速也趋向于上升。当IGBT关断时，储藏在电抗器中的能量使IGBT两端的电压升高并经过二极管使电容器充电。由于斩波器后边的阻抗较大，所以转子电流将随时间下降，此时电机的转速也趋向于下降。电容器上的能量加到由SCR组成的有源逆变器，将电流重新变换成交流电并经过滤波器滤波后反馈到电动机定子的附加绕组。当IGBT不断地导通和关断时，转子电流平均值为ICP1，由此确定了电动机的转速为N1。当改变IGBT的关断时间为t2而周期时间不变时，转子电流的平均值达到ICP2，电动机的对应转速为N2。将IGBT导通时间与导通关断周期时间的比值用D来表示，并称D为占空比，可见当改变斩波器的占空比D时，可以改变通过斩波器回路的电流大小，从而改变了电动机的转速。如果斩波器IGBT持续导通，则转子电流达到最大值（其大小决定于负载转矩的大小），电机转速为最高；如果斩波器IGBT持续关断，转子电流被整流后全部加到逆变器并反馈到电动机附加绕组，这时电动机将具有最低的转速（最低的转速数值由转子绕组电压，反馈电压以及逆变器的逆变角等数据确定）。
进一步分析调速装置工作时的速度表达式：
n = n0 [1-D2 ( U2 / E20 ) cos βmin ] --- (1)
其中：D2 ----为斩波器的关断占空比
E20 ----转子开路电动势（线电压）
U2 ----电动机反馈绕组电压（线电压）
n ----电动机转速
n0 ---电动机最高转速
βmin--- 最小逆变角30°电角
由(1)式可以清楚看出，如果改变斩波器的占空比，可以改变电动机的转速，在逆变器中，β角被固定在一个最小值。
当D2为1 时，就是斩波器一直关断，电动机达到最低转速。
在系统工作时，当增大占空比是，降低，由于机械转动惯量很大，电机转速瞬间不会变化，所以电动机转子整流很快增大。电机电磁转矩相应增大，电机加速，转速升高，转差率下降，又使电机电流下降，电磁转矩下降，故又在新的平衡点达到平衡。当减小时亦然，最终转差率升高，最后在新的平衡点稳定运转。这就是高频斩波调速系统的基本工作原理。
斩波控制的内反馈串级调速系统与普通串级调速系统相比，现代串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设在最小值，从而产生一可靠恒定的最大附加直流反电势,等效电势大小的调节由高频斩波器来完成。而传统串级调速技术因当时技术状况的限制而存在调速范围窄，调速精度低，自电网吸收较多无功等缺点。因此该电机用于串调系统时，省去了串调系统中所必须的逆变变压器，进而使系统成本降低，体积减小，而且减少了逆变变压器的损耗，提高了系统效率。又由于其变流功率小及变流在转子一侧进行，由此带来自身功耗小即节电率高，谐波功率小，控制相对简单，装置尺寸小，运行条件宽松等一系列的优点。应用绕线式电机的串级调速系统，同其它类型的高效调速系统相比，在造价、节电率、谐波、装置尺寸、运行环境要求、维护量及维护费用等方面仍具有较明显的综合优势，电机容量越大，其优势更突出。
4.节能效果
通过在火力发电厂实际应用及工业试验测试，系统运行一直稳定可靠，节能效果非常明显，性能指标优越。除上述应用案例外，还有多台在电厂，水厂，水泥厂的应用，均获得同样良好的性能指标。理论和实践都证明，高频斩波串级调速技术确实是一种好的调速方法，特别在高压大容量电机的调速中拥有突出的优越性。根据流体力学原理，风机电机的流量Q、压力H、轴功率P与其转速N有以下关系：
Q=（N/Ne）Qe; H=(N/Ne)2He; P=(N/Ne)3Pe
式中Ne、Qe、He、Pe分別为：电机额定转速、流量、压力和轴功率。
如将转速降低25%，则轴功率仅为：
P=（0.75）3Pe=0.42P
从式中计算不难看出，转速降低25%，则轴功率仅为额定功率的42%即就是可节约能源58%（但供风量仅减少25%）。
如以我厂一台800KW的引风机电机为例，采用高压内反馈串级调速恒压供风，平时一般把转速调节在750转/分，每年可节约电费计算如下：
800×300×24×0.37×0.50=1065600元
其中： 800KW——电机功率
300——一年以运行300天计
24——每天24小时
0.37——以每度电0.37元计
0.50——以最低节能40%计
每年可节约电费: 106.56万元，设备投资为60万元，约7个月即可收回投资。
5.结束语
从2004年我厂投产运行至今，上海科祺公司生产的斩波式串级调速装置调速性能稳定，节能效果显著。同时由于该电机采用频敏变阻器启动方式，启动电流小，电机启动过程中所受的冲击较小。在低速运行状态时，定子电流低，电机铜耗显著减少，整体温升降低，延长了电机的绝缘寿命，产生了相当可观的经济效益。
关键词：内反馈；斩波；调速；应用；电动机。
Pick to: this paper introduces the Shanghai kei company production of internal feedback series speed regulating device of the working principle and system main components. And through the in yixing association league two thermal power plant 135 mw unit 8, induced draft fan for the first time to use, after many years of operation condition and economic analysis, illustrates the practical energy saving effect of the internal-feedback adjustable-speed motor and broad application prospects
Key words: internal feedback; Chopper. Speed control; Application; The electric motor.
中图分类号： TM621.8 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1.概述
宜兴协联热电厂2台135MW机组8台送、引风机都采用的是上海科祺公司生产的高频斩波内反馈串级调速装置。其中送风机功率为710KW，额定电流82.3A。引风机功率为800KW, 额定电流88.8A. 在没有投入内反馈调速装置前，正常运行的时候，8台风机全速运行，风机的风量仅靠改变挡板的开度来调节。投入内反馈调速装置后，风机的风量是靠改变电动机的转速来调节，通过改变电动机的转速，使得在低速运行时，大幅度降低电动机的输出功率，降低了电厂的厂用电率，从而达到节能降耗的目的。
2.调速方式的选择
由电机学理论可知：n=，式中n—电动机转速；f—电源频率;s—转差率；p—极对数；从式中可是电机调速方式可分为改变极对数、改变转差率和改变频率三种，其中变极调速一般只有2～3个变极档，转速只能成倍变化，而不是连续可调，属有级调速；调节转差率的电磁离合器，即滑差离合器调节，能平滑调速，闭环式调速范围较宽，但调速效率较低，存在不可控区。使用机械调速主要是液力偶合器调速，属耗能型调速系统，在调速范围较大時，调速效率较低，且偶合器故障时，电机不能投运，系统必须停机检修，无法保证系统安全可靠运行的要求。
3.斩波控制的内反馈串级调速原理
传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接而产生等效反电势。等效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角（移相触发）来实现，同时，转差功率经逆变器和逆变变压器由电网吸收。当使用逆变变压器将转差功率回馈并吸收至电网时，称为外反馈式串级调速。如在电动机定子绕组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组,则定子铁芯中的反馈绕组和定子绕组构成并代替了逆变变压器，将转差功率通过反馈绕组及定子绕组回馈并吸收至电网，这称为内反馈式串级调速，科祺公司首先运用了国内领先的技术绝缘栅双极型晶体管IGBT斩波器控制串级调速系统。从串级调速的原理可见，串级调速变流装置工作在转子回路，这就带来以下两方面固有的技术优势：
变流装置承受的电压低。这是因为调速中转子回路的电压为S*E2s，S为转差率，E2s为转子额定电压，在几百至2000伏之间。对于风机水泵而言，调速下限一般不会低于50%额定转速，转差率最大值不会超过0.5，因而转子回路工作电压，亦即变流装置承受的电压多为几百伏。
上海科祺内馈电机高频斩波调速装置有转子整流器、高频斩波器IGBT、晶闸管相控逆变器及DSP控制器组成。原理如下图所示。
由图可知，内反馈绕组线式异步电动机的转子输出电压接至三相桥式转子整流器，通过IGBT直流斩波器与电源换相的晶闸管三相桥式整流电路及直流滤波电抗器组成的逆变器相连。三相桥电路总是工作在逆变状态，它的触发控制角α不需要调节，从工作原理考虑，它可以固定在某一个大于90°的角度触发，但实际上为了提高功率因数，降低无功分导总是把它控制在最大触发角即最小逆变角β为30°的地方。在斩波电路稳定工作时，经斩波器输至整流桥的电压应与整流桥输出电压相平衡，则有：
当IGBT导通时，电动机转子电流被IGBT经由限流电抗器L短路(电抗器串联在整流器的输出端)，其回路电流随时间斜坡上升，此时电机的转速也趋向于上升。当IGBT关断时，储藏在电抗器中的能量使IGBT两端的电压升高并经过二极管使电容器充电。由于斩波器后边的阻抗较大，所以转子电流将随时间下降，此时电机的转速也趋向于下降。电容器上的能量加到由SCR组成的有源逆变器，将电流重新变换成交流电并经过滤波器滤波后反馈到电动机定子的附加绕组。当IGBT不断地导通和关断时，转子电流平均值为ICP1，由此确定了电动机的转速为N1。当改变IGBT的关断时间为t2而周期时间不变时，转子电流的平均值达到ICP2，电动机的对应转速为N2。将IGBT导通时间与导通关断周期时间的比值用D来表示，并称D为占空比，可见当改变斩波器的占空比D时，可以改变通过斩波器回路的电流大小，从而改变了电动机的转速。如果斩波器IGBT持续导通，则转子电流达到最大值（其大小决定于负载转矩的大小），电机转速为最高；如果斩波器IGBT持续关断，转子电流被整流后全部加到逆变器并反馈到电动机附加绕组，这时电动机将具有最低的转速（最低的转速数值由转子绕组电压，反馈电压以及逆变器的逆变角等数据确定）。
进一步分析调速装置工作时的速度表达式：
n = n0 [1-D2 ( U2 / E20 ) cos βmin ] --- (1)
其中：D2 ----为斩波器的关断占空比
E20 ----转子开路电动势（线电压）
U2 ----电动机反馈绕组电压（线电压）
n ----电动机转速
n0 ---电动机最高转速
βmin--- 最小逆变角30°电角
由(1)式可以清楚看出，如果改变斩波器的占空比，可以改变电动机的转速，在逆变器中，β角被固定在一个最小值。
当D2为1 时，就是斩波器一直关断，电动机达到最低转速。
在系统工作时，当增大占空比是，降低，由于机械转动惯量很大，电机转速瞬间不会变化，所以电动机转子整流很快增大。电机电磁转矩相应增大，电机加速，转速升高，转差率下降，又使电机电流下降，电磁转矩下降，故又在新的平衡点达到平衡。当减小时亦然，最终转差率升高，最后在新的平衡点稳定运转。这就是高频斩波调速系统的基本工作原理。
斩波控制的内反馈串级调速系统与普通串级调速系统相比，现代串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设在最小值，从而产生一可靠恒定的最大附加直流反电势,等效电势大小的调节由高频斩波器来完成。而传统串级调速技术因当时技术状况的限制而存在调速范围窄，调速精度低，自电网吸收较多无功等缺点。因此该电机用于串调系统时，省去了串调系统中所必须的逆变变压器，进而使系统成本降低，体积减小，而且减少了逆变变压器的损耗，提高了系统效率。又由于其变流功率小及变流在转子一侧进行，由此带来自身功耗小即节电率高，谐波功率小，控制相对简单，装置尺寸小，运行条件宽松等一系列的优点。应用绕线式电机的串级调速系统，同其它类型的高效调速系统相比，在造价、节电率、谐波、装置尺寸、运行环境要求、维护量及维护费用等方面仍具有较明显的综合优势，电机容量越大，其优势更突出。
4.节能效果
通过在火力发电厂实际应用及工业试验测试，系统运行一直稳定可靠，节能效果非常明显，性能指标优越。除上述应用案例外，还有多台在电厂，水厂，水泥厂的应用，均获得同样良好的性能指标。理论和实践都证明，高频斩波串级调速技术确实是一种好的调速方法，特别在高压大容量电机的调速中拥有突出的优越性。根据流体力学原理，风机电机的流量Q、压力H、轴功率P与其转速N有以下关系：
Q=（N/Ne）Qe; H=(N/Ne)2He; P=(N/Ne)3Pe
式中Ne、Qe、He、Pe分別为：电机额定转速、流量、压力和轴功率。
如将转速降低25%，则轴功率仅为：
P=（0.75）3Pe=0.42P
从式中计算不难看出，转速降低25%，则轴功率仅为额定功率的42%即就是可节约能源58%（但供风量仅减少25%）。
如以我厂一台800KW的引风机电机为例，采用高压内反馈串级调速恒压供风，平时一般把转速调节在750转/分，每年可节约电费计算如下：
800×300×24×0.37×0.50=1065600元
其中： 800KW——电机功率
300——一年以运行300天计
24——每天24小时
0.37——以每度电0.37元计
0.50——以最低节能40%计
每年可节约电费: 106.56万元，设备投资为60万元，约7个月即可收回投资。
5.结束语
从2004年我厂投产运行至今，上海科祺公司生产的斩波式串级调速装置调速性能稳定，节能效果显著。同时由于该电机采用频敏变阻器启动方式，启动电流小，电机启动过程中所受的冲击较小。在低速运行状态时，定子电流低，电机铜耗显著减少，整体温升降低，延长了电机的绝缘寿命，产生了相当可观的经济效益。