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1、高压变频调速和内反馈串级调速的比较国家电力公司西安热工研究院 徐 甫 荣摘 要： 本文介绍了高压变频调速和内反馈串级调速的工作原理和主要特点，同时客观地比较了高压变频调速和内反馈串级调速的主要优缺点，供用户在选择节能方案时参考。关键词：高压变频器 多电平技术 多重化技术 内反馈串级调速电机 1. 前 言由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：(r/min)异步电动机的转差率S的定义式为：则可得异步电动机的转速表达式为：可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：改变定子绕组的磁极对数P（变极调速）；改变供电电源的频率f1（变频调速）；改变
2、异步电动机的转差率S调速。改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，绕线式电机转子串电阻调速就属于这种调速方式。改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速改变，从而改变异步电动机的转速n。大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。变极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。这是因为鼠笼型电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数
3、就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，这就使得变极时复杂多了。用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用42、84等倍极比的双速电机，而采用64、86、108极的双速电机，这与风机水泵的调速范围一般不需要很大有关。另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如86、1081210极等），由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种特性的双速电机。由于叶片式泵与风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有较高的效率与功率因数，具有更为显著的节能效果。双速电机的优点是调速效
4、率高，可靠性高，投资省。其缺点是有级调速，不能在整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节流损耗。双速电动机在变速时电力必须瞬间中断，对电动机及电网都有冲击作用；高压电动机若需经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善和提高。2. 变频调速由前所述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是通过采用可关断的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。由于发电厂风机水泵的电动机功率都很大，一般采用3KV、6KV供电，所以必须采用高压变频器进行调速运行。
5、目前高压变频器在世界上不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高压使用条件的情况下，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，但都较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（AB）公司生产的BULLETIN1557和Power Flex7000变频器；瑞典ABB公司生产的ACS1000变频器；德国西门子公司生产的SimovertMv变频器；意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERT TH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器
6、和国内的利德华福公司和成都东方日立，成都佳灵公司，合康亿盛公司和山东新风光公司等生产的高压变频器。但归纳起来主要有两种：一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器件的多电平技术。（1）多重化技术所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图1为6KV变频器的主电路拓扑图，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压
7、器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12的相位差。图2中以中间接法为参考（0），上下方各有两套分别超前（+12、+24）和滞后（-12、-24）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。图1多重化变频器拓扑图图2五功率单元串联变频器的电气连接图1中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图3。每个功率单元输出电压为1、0、-1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为5、4、3、2、1和0。图4为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成
8、的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A1A5 5个功率单元，经叠加可得图1.15所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉波变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%，堪称完美无谐波（Perfect Harmony）变频器。它的输入功率因数可达0
9、.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600HZ，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6KHZ。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构
10、虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96%以上。图3功率单元电路图4五功率单元串联输出电压波形（2）多电平技术我国标准中压电压等级为6KV和10KV，若直接变频，即使用4.5KV6KV耐压的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本增加，可靠性大为降低。为了避免功率器件的串、并联使用，世界上很多公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。如西门子公司研制的HV-IGBT耐压可达4.5KV，ABB公司研制的新型功率器件一集成门极换流晶闸管（IGCT），耐压可达6KV，并在致力于研制耐压9KV的IGCT器件。
11、在研制高耐压器件的同时，对变频器的主电路拓扑的研究也有所突破，多电平技术就是使用有限耐压的功率器件，直接应用于6KV电压的主电路拓扑技术。图5所示是ABB公司ACS1000型12脉冲输入三电平高压变频器的主电路结构图。 整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图1.16可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。若采用6KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达4.16KV，采用5.5KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达3500V，
12、将Y型接法的6KV中压电动机改为接法，刚好适用此电压等级，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案可能是最经济合理的。若要输出6KV电压，还必须进行器件串联。由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。为此，图1.16所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组接成三角形，其次级绕组则一组接成三角形，另一组接成星形。整流变压器两个次级绕组的线电压相同，但相位则相差30角，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消。
13、这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12波头的整流输出波形，比6个波头更平滑，并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量，由于N=KP1(P为整流相数、K为自然数、N为特征谐波次数)。所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。图5 三电平IGCT变频器主电路结构图图6 三电平PWM变频器输出线电压波形图变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。输
14、出线电压波形见图6。因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功率因数和效率都会相应降低。（3）两种类型变频器的性能比较现对多重化变频器（CSML）和三电平(中性点钳位)变频器（NPC）进行性能比较，两种高压变频器各有优缺点，分别体现在以下各方面：器件数量以6KV输出电压等级的变频器为例，采用NPC方式，逆变器部分需36个耐压为3300V的高压IGBT，或者采用24个耐压为5000V的IGCT。采用CSML方式，需要15个功率单元，共计60个耐压为1700
15、V的低压IGBT。从器件的数量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低压IGBT，相对于高压功率器件而言，低压器件的技术更加成熟、可靠，成本也较低。均压问题：均压问题（包括静态均压和动态均压）是影响高压变频器可靠性的重要因素，采用NPC方式，当输出电压等级较高（如6KV）时，单用12个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，器件直接串联必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，大大影响系统的可靠性。采用CSML方式，不存在均压问题，唯一存在的问题是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，机械能转化为动能，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上
16、升程度可能存在差异，但这个问题很容易解决，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压“泵升”，即所谓的过电压失速防止功能，这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。对电网的谐波污染和功率因数 由于CSML方式输入整流电路的脉冲数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势是明显的，因此在综合功率因数方面也有一定的优势。输入波形 NPC方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而6KV等级的CSML方式输出相电压为11电平，线电压为21电平。而且，后者的等效开关频率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在输出波形质量方面优势也是明显的。dv
17、/dt NPC方式的输出电压跳变台阶为一半的高压直流母线电压，对于6KV输出变频器而言，为4000V左右，CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1000V，所以二者在输出dv/dt方面的差距也是明显的。系统效率就变压器与逆变电路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考虑到输出波形的质量的差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率0.5%左右。若采用特殊变频电机，两种变频器的效率基本接近，但由于输出波形方面的优势，采用CSML方式时，电机运行效率相对较高。但由于IGBT导通压降大，效率较低，而IGCT则损耗较小，因而器件效率
18、较高。四象限运行 NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备；而CSML方式则无法实现四象限运行，只能用于风机、水泵类负载。冗余设计 NPC方式的冗余设计很难实现。而CSML方式可以方便地采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大地有利于提高系统的可靠性。可维护性 除了可靠性以外，可维护性也是衡量高压变频器优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和两个交流输出端子，以及一个光纤插头，就可抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。综上所述，三电平电压源型变频器结构简单，且可做成四象限运行的
19、变频器，应用范围较宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器。在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。多重化PWM电压源型变频器不存在均压问题，且在输入谐波输出谐波及dv/dt等方面有明显的优势，但只能二象限运行。从负载类型而言，对于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备，CSML变频器有较大的应用前景；对轧机、卷扬机等要求四象限运行的设备而言，适合采用NPC型变频器。从电压等级来看，在目前的电力电子功率器件的耐压水平下，考虑到器件串联带来的均压问题，6KV以上电压等级（含6KV），宜优先考虑CSML方式。（4）变频调速
20、系统的主要优缺点：主要优点是： 可实现平滑的无级调速，且调速精度高，转速（频率）分辩率高。 调速效率高。变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。所以变频调速是一种高效调速方式。 调速范围宽，一般可达101（505Hz）或201（502.5Hz）。并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率V。所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。 功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省
21、投资。或在同样的电源容量下，可以多装风机或水泵负载。 当变频装置故障时可以退出运行，改由电网直接供电（工频旁路）。这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率（50Hz）范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。 变频装置可以兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直致全速运行。变频软起动是目前最好的软起动方式，变频器是目前最好的软起动设备。主要缺点是： 目前，变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要问题有两个：一个是我国发电厂辅机电动
22、机供电电压高（310KV），而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题；二是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高，而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成经济效益上的问题。这两个问题是它应用于风机水泵调速节能的主要障碍。 因电流型变频器输出电流的波形和电压型变频器输出电压的波形均为非正弦波形而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等。同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，其脉动频率为6kf(k=1，2，3)。当转矩脉动频率较低并
23、接近装置系统的固有频率时，可能产生共振现象。因此，装置系统必须注意避免在共振点附近运行。如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，所以这个问题可以得到大大的改善。3. 绕线式电动机的串级调速绕线式电动机的串级调速，虽然也是通过改变异步电动机的转差率来达到调速目的的，但它与能耗转差调速不同，关键的差别体现在对转差功率的处理上。能耗转差调速是将调速中产生的转差功率变成热能消耗掉了，而串级调速却是通过电子变流装置和逆变变压器，将转差功率又反馈回电网，因此是一种高效的调速方式。（1）普通串级调速从电机学得知，为了实现绕线式异步电动机的转速调节；除可
24、通过在转子回路中串电阻的方式外，还可采用在转子回路串电势的方法。这种在转子回路引入附加电势进行调速的方法，称为绕线式异步电动机的串级调速。串级调速的关键是串入到转子回路的电势Ef的频率必须与转子电势频率f2相等，但f2是随着转速的变化而变化的，即f2是由旋转磁场转速n0和转子转速n决定的，即 式中：p磁极对数；S转差率。但要串入一个永远跟随着转速的变化而变化的电势Ef是相当困难的。解决的办法是先把转子电势整流成直流电势Ed，再在此直流回路中串入一与Ef相当的可调节的直流电势，就可避免随时改变Ef频率的困难了。具体的实现串级调速有下述三种方式：第一种是由一台直流电动机与主绕线式异步电动机组成的串
25、级调速系统，这种系统叫机械串级调速系统或叫克莱墨系统。第二种是由一台直流电动机、一台交流发电机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫电机式串级调速系统或谢菲尔毕斯系统。第三种是由变频器与绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫晶闸管（可控硅）串级调速系统或静止谢菲尔毕斯系统。上述第一种及第二种串级调速方式过去早有应用；第三种晶闸管串级调速是一种新的串级调节方式，它在目前应用最广泛，已有取代第一、二种串级调速的趋势。与转子串电阻方式相比较，转子串电势的串级调速的优越性是可以回收转差损失，仅是在晶闸管等换流元件换流时产生一些不大的换流损失，所以绕线式异步电动机的串级调速是一种高效
26、调速方式。晶闸管串级调速系统又可分为低（次）同步串级调速系统和超同步串级调速系统两种。当串接到绕线式异步电动机转子上的附加电势Ef与转子电势SE20反向时，电动机的转速只能朝电动机额定转速以下的方向调节，运行转速恒低于电动机的同步转速，称为低（次）同步串级调速。当Ef与SE20既可同向串接，又可反向串接时，电动机的运行转速既可高于又可低于电动机的同步转速，称为超同步串级调速，或称为双馈调速。图7所示为低同步串级调速系统的原理图，其工作原理为：绕线式异步电动机的转差电势E2（SE20）经三相整流桥ZL后整流为直流电势Ed，再经电抗器L滤波后，加到三相逆变桥NB上。由晶闸管组成的三相有源逆变器NB
27、的作用有两个：一是为转子回路由电网提供附加直流电势E，它与外串附加交流电势Ef相当，因是低同步串级调速，所以他的方向与转子直流电势Ed相反。NB的第二个作用是把直流电再逆变为与电网同频率的三相交流电，从而把转差功率PS通过逆变变压器B匹配成电网电压，送回电网。图7低同步晶闸管串级调速系统 图8交直交超同步串级调速系统原理图图8为超同步晶闸管串级调速系统的原理图。它与低同步串级调速系统的主要区别是把由二极管组成的不可控的整流器改为由晶闸管组成的可控的整流器，这样它既可作整流器用，又可以作为逆变器使用。当超同步串级调速系统在低同步范围调速时，可控的整流器作用与不可控的整流器完全相同。但当超同步串级
28、调速系统在超同步范围内调速时，原来的逆变器成为整流器，它通过变压器从电网吸收交流能量，并将其整流为直流电。而原可控的整流器则成为逆变器，它把直流电变为频率与转子频率相同的交流电，由变频器向转子绕组供电。这样，超同步串级调速系统的工作方式已是一种绕线式异步电动机的变频调速方式了，其定子绕组由工频电源供电；而转子绕组则由变频电源供电，通过调节转子变频电源的频率就可以进行转速调节。由上述可以看出，绕线式异步电动机的这种变频调速方式与鼠笼式异步电动机的变频调速方式并不相同，后者仅由定子侧供电，而前者是由定子侧和转子侧双方馈电的。因此，超同步串级调速系统又称为双馈感应电动机或简称双馈电动机。低同步晶闸管
29、串级调速系统常称为晶闸管串级调速系统；超同步晶闸管串级调速系统常称为双馈调速系统。（低同步）晶闸管串级调速系统中的逆变器称为有源逆变器，它的作用是把直流电逆变成与电网同频率的交流电馈送到电网中去。这就是说，有源逆变器的交流侧与电网相连，其负载是有源网络，所以其频率和电压都是一定的。变频调速系统中的逆变器称为无源逆变器，它的作用是把直流电逆变成频率可调的交流电供给负载（电动机），以实现电动机的调速运行。这就是说，无源逆变器的交流侧不与电网相连，而与电动机相连。晶闸管串级调速方式用于泵或风机调速时，其主要优点为：晶闸管串级调速是一种高效调速方式。一般而言，晶闸管串级调速系统的总效率（即电动机和调速
30、装置的综合效率Z）应高于鼠笼式电动机及变频装置的综合效率Z。这是因为晶闸管串级调速系统中，只有转差功率经过变频器；而鼠笼式电动机变频调速时，其由电网输入的全部有功功率都要通过变频器。所以从通过变频器时的功率损失（称为换流损失）来看，显然晶闸管串级调速系统要小得多。图9所示为典型晶闸管串级调速系统的Z及cos值，Z定义为Z式中：PB指电网净输出，不包括输入后又输出的转差功率。晶闸管串级调速系统具有故障或其他原因时自动切换至额定转速或转子串电阻调速的功能。故当串级调速装置有故障时，泵与风机仍可以继续工作。此外，由于晶闸管串级调速装置的硅二极管、电抗器、晶闸管、变压器等元件要产生电压降，故串级调速系
31、统的最高转速只能达到原电动机额定转速的95左右，因此，若要电动机在原额定转速运行，亦需把串级调速系统的“调速状态”切换到异步状态。调速装置由静止元件组成，噪声小，易于维护，寿命长；当泵或风机的调速范围较小时，调速装置的容量可大大减小，价格也相应降低。晶闸管串级调速系统存在的主要问题是：晶闸管串级调速系统的总功率因数低。如图9所示，在100额定转速下运行时，系统总功率因数cos还不到0.6；在50额定转速运行时还不到0.3。造成系统总功率因数低的主要原因是串级调速系统 图9 晶闸管串级调速系统的Z中的晶闸管逆变器在工作时需要吸收无功功 16500kW，14极，50Hz率。还有两个原因是：由于系统
32、中转子整流 22200kW，12极，50Hz器的作用，使电动机本身的运转功率因数变坏；由于系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变，其电流的高次谐波分量引起无功的畸变功率，使系统的总功率因数即cos变坏。后者两个原因所造成的系统总功率因数降低约10左右。 产生的高次谐波对电网有污染。在晶闸管串级调速系统中，电动机转子回路串接的硅二极管整流器和晶闸管逆变器，它们每相的电流都是间歇电流，包含着一定分量的高次谐波。高次谐波电流不但对串级调速系统本身产生不良影响（如使系统的损耗增加，功率因数降低等）；更重要的是对整个供电系统也将产生不良影响。它使供电电网的电压波形产生畸变。畸变电压会引起下列不良现象
33、：使感应电动机的定子损耗增加，其转子回路中亦因感应谐波电势而使转子损耗增加；使电源变压器损耗增加，噪声增大；可能引起母线与补偿电容器和线路上的感抗元件发生共振，使电容器过热;可能导致并联工作的晶闸管变流装置相互干扰而控制失调；给仪表装置和通讯设备带来电干扰和磁干扰。提高功率因数的措施：具有斩波环节的晶闸管串级调速系统。所谓带斩波器的串级调速系统，就是在传统的串级调速系统转子回路的二极管整流桥与晶闸管逆变桥电路之间并联接入一个斩波器，如图10所示。系统运行时，逆变器的图10带斩波器的晶闸管串级调速系统原理逆变角固定在最小安全逆变角min不变，通过调节斩波器在一个周期内的导通与关断的变化实现调速。
34、因cosmin值较大，逆变器从电网需要的无功功率减小，故使系统的功率因数提高，在高转速运行时比一般串级调速系统高0.20.3。目前上海电器成套厂生产的带斩波器的晶闸管串级调速系统的容量已达550kW。斩波器通常由普通晶闸管构成。若采用可关断晶闸管GTO或电力晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT等全控型电力开关元件，则其控制线路可大为简化。对串级调速系统中逆变器的电力半导体开关元件用全控型开关元件（如电力晶体管GTR、门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极型晶体管IGBT等）取代普通的晶闸管，由于GTR、GTO、IGBT等具有自关断能力，且开关频率高，因此逆变器可作成PWM型，输出的电压或电流为
35、近似正弦波形，不但高次谐波量少，而且有高的功率因数。双馈调速系统与（低同步）串级调速系统相比，具有如下特点：双馈调速系统不但可以在同步转速以下调速，还可以在同步转速以上调速；而且在同步转速上、下，既可以电动运行，又可以制动运行。而晶闸管串调系统只能在同步转速以下调速，没有制动转矩。由于双馈调速可以在同步转速以上调速，所以只要电动机有足够的机械强度，便可以发出比额定功率大的功率。这对于火力发电厂的锅炉给水泵等这类大容量、高转速泵具有很大意义，因为这些泵的转速比电动机的同步转速高，而使用双馈调速系统不用增速齿轮就可达到。双馈调速系统的功率因数比串级调速系统高，且高次谐波对电网的干扰较小。双馈调速系
36、统的线路比串级调速系统复杂，初投资也高，维护较困难，要求工人具有较高的文化技术水平。双馈调速系统和串级调速系统是不需要调节全部传动功率的电气传动系统，因此，经变频装置的功率仅仅是传动功率的一部分（转差功率），这部分功率的大小和调速范围成正比例。这种调速方式最适用于调速范围不大的场合。另外，因只需对传动功率的一部分进行变频，所以能量变换装置中的能量损失较小。在各种可调速的电气传动方式中，双馈调速和串级调速的效率是最高的。其次，双馈调速系统和串级调速系统都具有高的可靠性，即使在变流装置发生严重故障时，仍可以将电动机的转子短接而工作在不调速的状态运转。对于火电厂的锅炉给水泵、锅炉送、引风机以及核电站
37、的循环泵等可靠性要求高的重要设备来说，这个优点是很重要的。（2）内反馈串级调速电机作为近代交流调速技术的重要分支，晶闸管串级调速曾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崛起，串级调速受到很大的冲击。除了理论上的误导作用之外，串级调速技术在理论深入和技术改进方面存在不足也是主要原因之一。内反馈串级调速电机就是旨在克服传统的晶闸管串级调速系统的缺点而提出的新型附加电势调速方案。图11为内反馈串级调速系统的原理简图。内反馈串级调速电机的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，而是通过安装在定子上的调节绕
38、组从主绕组感应过来的电势所提供的，再通过变流装置将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速的目的。同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。与传统串级调速的区别在于内反馈调速的转差功率不是馈入电网，而是反馈回电机内部。转差功率的这种内馈的结果，使调速产生的转差功率仍以电能的形式存在而没有被消耗，从而提高了调速效率；另一方面，通过电机的磁势平衡使定子绕组向电网吸收的功率减小，定子功率绕组中不再含有多余的转差功率，克服了传统串调系统转差功率在定子转子电网间
39、的无谓循环传输现象。图11 内反馈串级调速系统简图与传统串级调速的区别在于内反馈调速的转差功率不是馈入电网，而是反馈回电机内部。转差功率的这种内馈的结果，使调速产生的转差功率仍以电能的形式存在而没有被消耗，从而提高了调速效率；另一方面，通过电机的磁势平衡使定子绕组向电网吸收的功率减小，定子功率绕组中不再含有多余的转差功率，克服了传统串调系统转差功率在定子转子电网间的无谓循环传输现象。为了实现上述功能，内反馈调速电动机本体，除了具有和常规电机相同的定、转子绕组外，还在定子上设有特殊的调节绕组。调节绕组的作用是为转子绕组提供调速所必须的附加电势，并接收转子在调速时产生的转差功率，调节绕组的这一作用
40、，类似于传统串级调速系统中的逆变变压器，但内反馈调速是在电机内部的电磁系统中完成的转差功率转移，而传统串级调速则是在两个不同的电磁系统中实现转差功率的传输。不但在结构上，前者比后者简单，而且使电机调速的功率传输性能更为合理。与传统串级调速一样，为了克服功率因数比较低的缺点，在转子直流回路增加了直流斩波器，转子整流器通过斩波器与逆变器相连，组成斩波式逆变器。斩波式内反馈串级调速系统的调速是通过改变斩波器的占空比来实现的，因此逆变器的控制角可取为最小值min，且固定不变，故可使无功损耗减小到最低程度，从而提高了系统的功率因数，同时也避免了因调速深度而带来的功率因数进一步降低的现象。图12为斩波式串
41、级调速系统的原理简图。为了进一步提高内反馈串级调速电机的功率因数，还可以采用内补偿措施。改善内反馈调速电机的功率因数的关键，在于使调节绕组的无功功率呈容性，这一方面可以通过超前换流的电子变流器来实现，也可通过内补偿方法来实现。内补偿是一种简单、可靠的改善功率因数、降低无功损耗的方法，其线路图如图13所示。图12 斩波式内反馈串级调速系统图13 内反馈调速电机的内补偿在调节绕组接入补偿电容器，为了抑制谐波电流，串入阻尼电抗器L2。这样，调节绕组除了反馈电流I31以外，还产生容性电流I3C，总的电流为：。将补偿的感性无功分量，使呈纯电阻性质，或者偏容性，因此实质性地改善了电机的功率因数。内补偿的最
42、终目的是为了避免调节绕组感性电流引起的原边激磁电流的增大，为此，要求与的感性无功分量完全相等而抵消，这种补偿称为准补偿。准补偿对电机系统的功率因数并未起到补偿作用，但由于它使Q30，因此并不增加电机功率绕组的激磁功率及损耗，而且调节绕组的功率因数接近于1，使其损耗最小。如果调节绕组容量允许的话，最好使Q30而呈容性，这对于调节绕组来说是过补偿，过补偿的结果使得功率绕组的激磁电流减小，一方面可使电机的功率因数提高，同时又可以减小电机的发热与损耗。进一步如使：Q1Q2Q30Q3Q1Q2的话，则可使电机的功率因数达到1。需要说明的是，内补偿与电机电源端的外补偿具有很大区别，外补偿只能改善电源的功率因
43、数，而对电机内部的感性无功问题丝毫无补，这是必须引起注意的。内补偿除了对调速状态有所改善之外，在自然运行时，也能收到较好的效果，它使电机的功率因数进一步提高，并使输入电流降低，这对610KV的高压电机具有重要的意义。由于内反馈调速电机取消了逆变变压器，增加了调节绕组，不仅缩小了体积，降低了系统造价和损耗，还可通过调节绕组的分布与短距作用使空间谐波得到有效的抑制，即使不加滤波装置，也能满足电网要求。内反馈串级调速的主要优缺点1、主要优点是： 1) 各种串级调速的效率高，节能效果好。因为可将调速过程中产生的转差能量回馈到电网或电动机轴上加以利用； 2) 调速装置的容量与调速范围成正比，范围小时装置
44、容量也小，所以成本较低，投资少；3) 可以实现平滑无级调速；4) 当调速装置故障时可以将转子短路运行；5) 内反馈串级调速与普通串级调速比可省掉逆变变压器及高压操作柜。2、主要缺点是：1) 内反馈串级调速需采用特制的内反馈绕线式电机，投资大；2) 内反馈串级调速的可控硅整流器、斩波器和逆变器会产生高次谐波，对电网的污染比变频器要大得多，随着电力网谐波管理措施得加强，此类设备将会限制使用；3) 内反馈串级调速系统得功率因数低，需要进行内外补偿；4) 内反馈绕线式电机的转子为有刷系统，维护量大，不能适应任何的工业应用场合；5) 调速范围不大（70%95%），不能满足所有工业设备的需要； 6) 无法
45、实现软起动；电机起动时要借助于其它的起动设备，如频敏变阻器或转子串电阻。4. 结 论 高压变频调速和内反馈串级调速都属于高效调速方式，前者为转差功率不变型，后者则为转差功率反馈型。高压变频调速适用于任何异步电动机和同步电动机；而内反馈串级调速必需采用特制的内反馈串级调速电机，它是一种绕线式电机，其转子为有刷系统，不能适应任何的工业应用场合。另外在调速范围、系统功率因数、启动性能和谐波污染等方面都不如高压变频器。在节能改造时，由于要更换特制的内反馈串级调速电机，其投资也不会比高压变频器少很多，随着功率器件和变频技术的发展，其本来就不大的投资优势也将最终消失。在高压变频技术高度发展的今天，内反馈串
46、级调速已越来越失去它的实用价值。参考文献：1. 吴民强： 泵与风机节能技术问答 中国电力出版社.1998年5月。2. 徐甫荣： 高压变频调速技术应用实践 中国电力出版社.2007年2月。作者简介：徐甫荣（1946- ），男， 1970年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业，原为国家电力公司热工研究院自动化所教授级高工，主要从事火电厂热工自动化及交直流调速拖动技术的研究工作。现为深圳市科陆变频器有限公司高级技术顾问，从事高压变频器的开发和应用工作。曾发表论文50余篇，并著有“高压变频调速技术应用实践”一书。通讯地址：深圳市西丽镇官龙村第一工业区D栋 深圳市科陆变频器有限公司邮 编： 518055 电 话：075586370919 手 机：13822749690网 址： E-mail：xufurong 或 xfr_myly
