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摘要：中压6kV～10kV电动机，风机类负载的调速方式选择，一直为大家所关注，从多层面分析了转子变频的优缺点，并将转子变频调速与中压变频调速的性能等各方面进行对比，从根本上分析调速方式选择的合理性，从而为今后技术改造提供依据。
关键词：内循环式；转子变频调速；系统；性能；分析
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：16723198（2007）11027702
1风机、泵类负载常用的调速方法及对调速装置的要求
异步电机的调速方法：由交流异步电动机的转速表达式：
n=n1(1-s)=60f1p(1-s)式中：n ——电动机的转速；n1——电动机的同步转速；s——电动机的转差率，与负载有关；f1——电动机定子电流频率；p——电动机的极对数。
可知，交流异步电动机的调速方法可以归纳为：调电源频率、调电机极对数以及调电机转差率。其中，调电机极对数为有级调速，不适用于风机调速。因此，风机、泵类负载的调速主要为变频调速和调转差率调速。
风机、泵类负载对调速设备的要求：风机和泵类负载的调速以节能为主要目的，通常需要的调速范围为(60%~100)nN，且对调速性能的要求不高。由于以节能主要目的，因此需要其经济性好，即价格便宜、使用安全可靠、维护成本低、系统效率及功率因素高、对电网的谐波干扰小等。
2转子变频调速的发展及特点
转子变频调速曾作为近代重要的交流调速技术，获得普遍的重视和广泛的应用。但是，随着近年来变频调速技术的迅速发展，转子变频调速受到了很大的冲击。除了理论上的误导作用之外，转子变频调速技术在理论深入和技术改进方面存在的不足也是主要原因之一。
其实转子变频调速与变频调速统属高效调速，特别对于中压（6～10KV）、中大容量风机、泵类负载的调速，由于转子变频调速回避了中压电动机（6～10）KV定子电压，而是从转子低压侧控制电动机的参数；同时，由于大多数风机、泵类负载所需要的调速范围较小，转子变频调速只控制电动机的转差功率，且一般情况下，风机类负载的转差功率小于电机额定功率25%。即可以概括地形容风机、泵类负载的转子变频调速，是以低压控制高压，以小功率控制大功率。这显然符合风机、泵类负载对调速装置经济性的要求。下图为内循环式转子变频调速系统的原理简图。
图中，U1为转子侧变流器，对于低同步转子变频调速，其一般为三相桥式整流器；U2为电源侧变流器，一般为三相全控桥式逆变器；L为续流电抗器；R为频敏变阻器。
图1内循环式转子变频调速系统原理简图
内循环式转子变频调速系统包括转子变频调速控制装置及转子变频调速电机（亦称串级调速电动机），其调速原理仍属于绕线式异步电动机转子回路串附加电势进行调速的理论范畴，但该附加电势不是通过与电网联接的逆变变压器提供，而是通过与定子绕组同槽嵌入的逆变绕组提供的，通过电源侧变流器及转子侧变流器，将该电势串入电机的转子绕组，改变变流器的工作状态，即改变串入转子回路的附加电势的大小，达到调速的目的。同时逆变绕组吸收电机的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，从而使电机从电网吸收的有功功率减少，达到调速节能的目的。
内循环式转子变频调速与传统转子变频调速的区别，一方面内循环式转子变频调速的转差功率不是直接馈入电网，而是反馈回电机内部，使电动机的转差功率只在定子与转子间循环，且通过电机的磁势平衡使定子绕组有功电流下降，从而使电机从电网吸收的功率减小，定子绕组中不再含有多余的转差功率，克服了传统转子变频系统转差功率在定子－转子－电网间的无谓循环传输现象（传统转子变频调速系统包括转子变频调速控制装置、绕线式异步电动机、逆变变压器等，电动机从电网吸收的有功功率包括电动机输出给负载的功率、电机转速下降后的转差功率，电动机通过转子滑环输出转差功率，由转子变频调速装置采用交-直-交方式由逆变变压器逆变回电网）；另一方面，由于转子变频电动机逆变绕组具有与电动机定子绕组相同的结构，即分布、短距的特点，使逆变电流中的谐波电流在逆变绕组中的绕组系数相比基波绕组系数大为减小，从而抑制了由于逆变电流中的谐波电流对电网造成的谐波污染。而传统的转子变频调速系统，转差功率是通过逆变变压器逆变回电网的，变压器的集中绕组使逆变电流中的谐波成分毫无阻挡地进入电网，影响了电网的电力质量。
内循环式转子变频调速系统与传统转子变频调速系统相比，不仅性能得到了提高，而且由于省却了逆变变压器，降低了系统造价，同时使系统体积大为减小。
为了克服转子变频调速系统功率因数比较低的缺点，可在转子直流电路增设直流斩波器或在逆变绕组并联内补偿装置。
斩波内循环式转子变频调速：转子侧整流器通过斩波器与逆变器相连，组成斩波式逆变器。斩波内循环式转子变频调速系统的调速是通过改变斩波器的占空比来实现的，其逆变器的逆变角取最小值β=30°，使逆变器的反电势E3cosβ=0.866E3最大，通过调节斩波器的占空比，改变转子回路的附加电势的幅值，实现电机调速。由于逆变角取最小值，从而使逆变绕组中无功电流大大减小，提高了系统的功率因素。
图2斩循环式转子变频调速系统原理简图
具有p、q、h控制的斩波内循环式转子变频调速：
众所周知，SPWM的核心内容是以正弦波为调制波的方波列，其基波即为需要输出的正弦波，当脉冲频率达到一定值（一般在20KHz以下）时，输出波形中只剩下基波和高次谐波。改变一个周期中各脉冲的起始位置、脉冲宽度及占空比，可以改变输出波形的基波频率、幅值和相位，也可以根据需要消除特定的谐波电流。
由现代瞬时无功理论，将三相瞬时电流矢量i→a、i→b、i→c 和三相瞬时电压矢量u→a、u→b、u→c在三维平面对称坐标系A-B-C中合并为合成电流矢量 和合成电压矢量u→，由传统有功电流和无功电流理论可知，其有功电流即为电流矢量在电压矢量上的投影，无功电流即为电流矢量在电压矢量法线上的投影。将三维平面坐标系A-B-C转换成二维平面坐标系αβ，并将电流矢量与电压矢量分解为α轴及β轴上的分量，从而很容易地计算出无功功率及有功功率，并通过二维到三维的逆运算，计算出各相电流的有功电流、无功电流及谐波电流的瞬时值。在转子变频调速系统中，可以通过检测电动机高压侧的电流和电压，控制三相桥式IGBT逆变器输出脉冲的起始位置、脉冲宽度及占空比，一方面可以将转子的转差功率即有功功率输出给电动机逆变绕组，另一方面，可以向电动机逆变绕组输送容性无功电流和吸收谐波电流，从而使电动机工作在理想工作状态。带p、q、h控制的斩波内循环式转子变频调速系统如下图所示。
图3p、q、h控制的斩波内循环式转子变频调
速系统原理简图
3转子变频调速的机械特性
转子变频调速时，异步电动机气隙磁通的电磁功率一部分转化为电动机输出的机械功率，即电动机的内功率，一部分被附加电势吸收回馈电网，还有一部分为转子铜损，表示为：
上式中：
Ω1——异步电动机的同步角速度；
ΔΩadd——由于附加电势引起的角速度降；
ΔΩCu2——由于转子铜损引起的角速度降；
Ωk——转子变频调速，在转子串入附加电势为 时的理想空载角速度。
由于，因而可以得到，转子变频调速时转速表达式：
图4转子变频调速的机械特征
实际上由于电动机转速下降时，转子电流的频率将上升，使转子漏抗增大，转子回路功率因素减小，从而使电动机的机械特性相比固有特性变软，同时，临界转矩下降。不过对于风机类负载的调速，这种机械特性的差别对风机的调速性能毫无防碍。总的来说，转子变频调速的机械特性与变频调速相似。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
关键词：内循环式；转子变频调速；系统；性能；分析
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：16723198（2007）11027702
1风机、泵类负载常用的调速方法及对调速装置的要求
异步电机的调速方法：由交流异步电动机的转速表达式：
n=n1(1-s)=60f1p(1-s)式中：n ——电动机的转速；n1——电动机的同步转速；s——电动机的转差率，与负载有关；f1——电动机定子电流频率；p——电动机的极对数。
可知，交流异步电动机的调速方法可以归纳为：调电源频率、调电机极对数以及调电机转差率。其中，调电机极对数为有级调速，不适用于风机调速。因此，风机、泵类负载的调速主要为变频调速和调转差率调速。
风机、泵类负载对调速设备的要求：风机和泵类负载的调速以节能为主要目的，通常需要的调速范围为(60%~100)nN，且对调速性能的要求不高。由于以节能主要目的，因此需要其经济性好，即价格便宜、使用安全可靠、维护成本低、系统效率及功率因素高、对电网的谐波干扰小等。
2转子变频调速的发展及特点
转子变频调速曾作为近代重要的交流调速技术，获得普遍的重视和广泛的应用。但是，随着近年来变频调速技术的迅速发展，转子变频调速受到了很大的冲击。除了理论上的误导作用之外，转子变频调速技术在理论深入和技术改进方面存在的不足也是主要原因之一。
其实转子变频调速与变频调速统属高效调速，特别对于中压（6～10KV）、中大容量风机、泵类负载的调速，由于转子变频调速回避了中压电动机（6～10）KV定子电压，而是从转子低压侧控制电动机的参数；同时，由于大多数风机、泵类负载所需要的调速范围较小，转子变频调速只控制电动机的转差功率，且一般情况下，风机类负载的转差功率小于电机额定功率25%。即可以概括地形容风机、泵类负载的转子变频调速，是以低压控制高压，以小功率控制大功率。这显然符合风机、泵类负载对调速装置经济性的要求。下图为内循环式转子变频调速系统的原理简图。
图中，U1为转子侧变流器，对于低同步转子变频调速，其一般为三相桥式整流器；U2为电源侧变流器，一般为三相全控桥式逆变器；L为续流电抗器；R为频敏变阻器。
图1内循环式转子变频调速系统原理简图
内循环式转子变频调速系统包括转子变频调速控制装置及转子变频调速电机（亦称串级调速电动机），其调速原理仍属于绕线式异步电动机转子回路串附加电势进行调速的理论范畴，但该附加电势不是通过与电网联接的逆变变压器提供，而是通过与定子绕组同槽嵌入的逆变绕组提供的，通过电源侧变流器及转子侧变流器，将该电势串入电机的转子绕组，改变变流器的工作状态，即改变串入转子回路的附加电势的大小，达到调速的目的。同时逆变绕组吸收电机的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，从而使电机从电网吸收的有功功率减少，达到调速节能的目的。
内循环式转子变频调速与传统转子变频调速的区别，一方面内循环式转子变频调速的转差功率不是直接馈入电网，而是反馈回电机内部，使电动机的转差功率只在定子与转子间循环，且通过电机的磁势平衡使定子绕组有功电流下降，从而使电机从电网吸收的功率减小，定子绕组中不再含有多余的转差功率，克服了传统转子变频系统转差功率在定子－转子－电网间的无谓循环传输现象（传统转子变频调速系统包括转子变频调速控制装置、绕线式异步电动机、逆变变压器等，电动机从电网吸收的有功功率包括电动机输出给负载的功率、电机转速下降后的转差功率，电动机通过转子滑环输出转差功率，由转子变频调速装置采用交-直-交方式由逆变变压器逆变回电网）；另一方面，由于转子变频电动机逆变绕组具有与电动机定子绕组相同的结构，即分布、短距的特点，使逆变电流中的谐波电流在逆变绕组中的绕组系数相比基波绕组系数大为减小，从而抑制了由于逆变电流中的谐波电流对电网造成的谐波污染。而传统的转子变频调速系统，转差功率是通过逆变变压器逆变回电网的，变压器的集中绕组使逆变电流中的谐波成分毫无阻挡地进入电网，影响了电网的电力质量。
内循环式转子变频调速系统与传统转子变频调速系统相比，不仅性能得到了提高，而且由于省却了逆变变压器，降低了系统造价，同时使系统体积大为减小。
为了克服转子变频调速系统功率因数比较低的缺点，可在转子直流电路增设直流斩波器或在逆变绕组并联内补偿装置。
斩波内循环式转子变频调速：转子侧整流器通过斩波器与逆变器相连，组成斩波式逆变器。斩波内循环式转子变频调速系统的调速是通过改变斩波器的占空比来实现的，其逆变器的逆变角取最小值β=30°，使逆变器的反电势E3cosβ=0.866E3最大，通过调节斩波器的占空比，改变转子回路的附加电势的幅值，实现电机调速。由于逆变角取最小值，从而使逆变绕组中无功电流大大减小，提高了系统的功率因素。
图2斩循环式转子变频调速系统原理简图
具有p、q、h控制的斩波内循环式转子变频调速：
众所周知，SPWM的核心内容是以正弦波为调制波的方波列，其基波即为需要输出的正弦波，当脉冲频率达到一定值（一般在20KHz以下）时，输出波形中只剩下基波和高次谐波。改变一个周期中各脉冲的起始位置、脉冲宽度及占空比，可以改变输出波形的基波频率、幅值和相位，也可以根据需要消除特定的谐波电流。
由现代瞬时无功理论，将三相瞬时电流矢量i→a、i→b、i→c 和三相瞬时电压矢量u→a、u→b、u→c在三维平面对称坐标系A-B-C中合并为合成电流矢量 和合成电压矢量u→，由传统有功电流和无功电流理论可知，其有功电流即为电流矢量在电压矢量上的投影，无功电流即为电流矢量在电压矢量法线上的投影。将三维平面坐标系A-B-C转换成二维平面坐标系αβ，并将电流矢量与电压矢量分解为α轴及β轴上的分量，从而很容易地计算出无功功率及有功功率，并通过二维到三维的逆运算，计算出各相电流的有功电流、无功电流及谐波电流的瞬时值。在转子变频调速系统中，可以通过检测电动机高压侧的电流和电压，控制三相桥式IGBT逆变器输出脉冲的起始位置、脉冲宽度及占空比，一方面可以将转子的转差功率即有功功率输出给电动机逆变绕组，另一方面，可以向电动机逆变绕组输送容性无功电流和吸收谐波电流，从而使电动机工作在理想工作状态。带p、q、h控制的斩波内循环式转子变频调速系统如下图所示。
图3p、q、h控制的斩波内循环式转子变频调
速系统原理简图
3转子变频调速的机械特性
转子变频调速时，异步电动机气隙磁通的电磁功率一部分转化为电动机输出的机械功率，即电动机的内功率，一部分被附加电势吸收回馈电网，还有一部分为转子铜损，表示为：
上式中：
Ω1——异步电动机的同步角速度；
ΔΩadd——由于附加电势引起的角速度降；
ΔΩCu2——由于转子铜损引起的角速度降；
Ωk——转子变频调速，在转子串入附加电势为 时的理想空载角速度。
由于，因而可以得到，转子变频调速时转速表达式：
图4转子变频调速的机械特征
实际上由于电动机转速下降时，转子电流的频率将上升，使转子漏抗增大，转子回路功率因素减小，从而使电动机的机械特性相比固有特性变软，同时，临界转矩下降。不过对于风机类负载的调速，这种机械特性的差别对风机的调速性能毫无防碍。总的来说，转子变频调速的机械特性与变频调速相似。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。