一种新型的交流电机转子侧变频调速装置

1、引言 
    我国普遍存在着工业生产能耗高，能源浪费严重的现象，其中风机、水泵类是应用zui广、耗电量大的生产机械，用阀门、档板调节流量造成电能严重浪费，节能是亟待解决的问题。采用*的调速手段正是行之有效的解决途径。
    应用于风机、水泵类的中高压电机，主要为三相异步电动机，包括鼠笼型和绕线型，率的调速方式有两种，即定子侧变频和转子侧变频。定子侧变频也叫高压变频，普遍应用鼠笼型电动机，其性能较好，但因为系统直接接高压电网，所以技术复杂、体积庞大、可靠性较低、价格昂贵。转子侧变频调速也叫转子变频调速，使用绕线型电动机，将变频调速基本原理应用于转子侧，因为转子侧使用低电压，所以技术复杂度降低、体积大为缩小、可靠性高、价格适中。
    2、转子变频调速原理
    2.1 主回路结构
    典型的转子变频主电路如图1所示。它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网。

图1 采用升压变压器的转子变频主电路
    采用内反馈电动机的转子变频主电路如图2所示，绕线式异步电动机的定子内嵌有与转子zui高逆变输出电压相适应的内反馈绕组，它具有转子正反馈作用。被控制电动机的转差功率直接回馈给电动机本身，增大了该电动机的出力，也节约了能源。此方案的原理基本上与上述典型的转子变频方案相同，但转差功率不回馈入电网，当然也不需要升压变压器。

图2 采用内反馈电动机的转子变频主电路
    2.2 转子变频调速原理
    （1）定子线组直接接至3～10kV电网。
    （2）转子绕组接400～1000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。
    转子电压Ur=s×Ur0
    其中，s为异步电动机的滑差，Ur0＜1000V为转子开路电压。风机和水泵一般要求s=0.3～0.5，故Ur＜400～1000V，可以采用低压变频器。转子整流电压Udr和逆变器直流母线电压之差由斩波器BC控制。
    2.3 斩波器控制的工作原理

图3 斩波器控制原理图
    斩波器控制如图3所示，斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，速度调节器的输出值作为转子电流的Idr的设定值，电流调节器的输出外则控制斩波器输出波形的占空比ρ，从而控制转子整流电压Udr和转子交流电压Ur，也就控制了电动机的转差率s，达到控制转速的目的。因为Udr=(1-ρ)Ud
    通过改变占空比ρ，也就改变了Udr和与它相关的Ur。由
    Ur=s×Ur0，即s=UrUr0
    于是实现了调节转差率s，从而调节异步电动机的转速。
   2.4 逆变器的控制
    （1）晶闸管逆变器，采用固定zui小逆变角β的方式，其逆变电压Ud为恒定。
    （2）IGBT逆变器，采用带矢量控制的PWM和有源滤波技术，其原理与变频器相仿。
    2.5 起动控制
    如图4所示，当电动机起动时，其转子回路中的接触器KM2断开，KM1闭合，电动机的转子回路以Y形接入起动电阻FR开始起动。当转速达到所设计的调速范围的zui低值时，接触器KM2闭合，KM1断开，切除起动电阻FR并自动投入转子变频调速。

图4 转子变频装置的起动电路图
    3、转子变频的优点
    （1）可以用400～1000V低压变频器来控制6～10kV中压电动机的转速。
    （2）所需逆变器的容量较小，仅为电动机功率的20%～30%，由于转差功率回馈至电网（或电动机），故能大大节约电能，可达30%以上。
    （3）原理结构简单，使用的低压IGBT的数量远远少于10kV定子侧中压变频装置的中压IGBT，无须配置大容量电抗器，故障率大为降低。
    （4）与普通串级调速相比，功率因数较高，谐波较小。若采用IGBT逆变器，则无5、7次谐波。
    4、DFC型交流电机转子侧变频调速装置简介
    广东华拿东方能源有限公司研制生产的DFC型交流电机转子侧变频调速装置，是上述转子变频技术的成功实现，并且装置采用了更为*的控制手段和完善的保护机制，使设备性能更为优越和可靠。装置的系统结构和主电路图见图5。

图5 DFC型转子变频装置的系统结构和主电路图
    （1）采用高性能的数字处理器DSP组成控制系统，提高了信号处理能力和响应的快速性，并提高了抗*力。
    （2）采用PLC和触摸屏实现逻辑控制与可视化操作，使系统运行可靠，操作直观、简便。
    （3）加入了颠覆保护技术及由“BOD+SCR”组成的过压保护技术，有效地解决了晶闸管逆变器存在逆变颠覆的问题，以及由转速过低导致转子电压过高产生故障损坏设备的问题，大大地提高了可靠性。
    （4）一旦调速装置发生故障，能立即自动转为全速继续运转，保证生产的连续性。同时调速装置自动切离电源，可即时进行检修。
    （5）装置的性能指标
    ● 适用普通绕线异步电机、内反馈绕线异步电动机、绕笼式无刷双馈电动机、绕笼型内反馈电动机、新型无刷双馈电动机；
    ● 遮蔽容量200～4000kW；
    ● 适应零转速转子输出电压400～1000V AC；
    ● 适应电机定子电压3kV～10kV AC；
    ● 调速范围50%～*；
    ● 装置在额定参数下网侧功率因数为0.92、谐波含量＜5%；
    ● 装置效率95%。
    5、DFC型交流电机转子侧变频调速装置应用
    该装置可以用于发电厂、水厂、水泥厂、钢厂和大型化工厂等的风机水泵类速度调节上，以达到节省能源的目的。
    广东某水泥厂和某钢厂分别应用本装置在280kW风机和450kW水泵上作调速控制，由2006年1月投运至今，运行良好，节电效果十分显著，平均达到节电30%～50%。
    6、结束语
    把变频器从电动机定子移至转子侧的转子变频调速，特别对于风机水泵类负载，具有*的优越性。其主要特点归纳有用低压变频器控制中压电动机调速；逆变器容量小，节能*；功率因数高，谐波含量小；主回路简单，价格便宜，与中压(定子)变频器相比，仅需其费用的12到13左右。
    由此可见，转子变频调速装置是一种节能的*设备，具有广阔的应用前景。