>
1、引言
我國普遍存在著工業(yè)生產(chǎn)能耗高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，其中風(fēng)機(jī)、水泵類是應(yīng)用最廣、耗電量大的生產(chǎn)機(jī)械，用閥門、檔板調(diào)節(jié)流量造成電能嚴(yán)重浪費(fèi)，節(jié)能是亟待解決的問題。采用高效先進(jìn)的調(diào)速手段正是行之有效的解決途徑。
應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵類的中高壓電機(jī)，主要為三相異步電動機(jī)，包括鼠籠型和繞線型，高效率的調(diào)速方式有兩種，即定子側(cè)變頻和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻。定子側(cè)變頻也叫高壓變頻，普遍應(yīng)用鼠籠型電動機(jī)，其性能較好，但因?yàn)橄到y(tǒng)直接接高壓電網(wǎng)，所以技術(shù)復(fù)雜、體積龐大、可靠性較低、價(jià)格昂貴。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速也叫轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，使用繞線型電動機(jī)，將變頻調(diào)速基本原理應(yīng)用于轉(zhuǎn)子側(cè)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)使用低電壓，所以技術(shù)復(fù)雜度降低、體積大為縮小、可靠性高、價(jià)格適中。
2、轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速原理
2.1 主回路結(jié)構(gòu)
典型的轉(zhuǎn)子變頻主電路如圖1所示。它主要由電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子回路固定整流電路DR、PWM斬波器BC、IGBT（或晶閘管）逆變器TI和升壓變壓器Taw等部件組成。斬波器BC根據(jù)電動機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速n進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)升壓后回饋給電網(wǎng)。
圖1 采用升壓變壓器的轉(zhuǎn)子變頻主電路
采用內(nèi)反饋電動機(jī)的轉(zhuǎn)子變頻主電路如圖2所示，繞線式異步電動機(jī)的定子內(nèi)嵌有與轉(zhuǎn)子最高逆變輸出電壓相適應(yīng)的內(nèi)反饋繞組，它具有轉(zhuǎn)子正反饋?zhàn)饔谩１豢刂齐妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)差功率直接回饋給電動機(jī)本身，增大了該電動機(jī)的出力，也節(jié)約了能源。此方案的原理基本上與上述典型的轉(zhuǎn)子變頻方案相同，但轉(zhuǎn)差功率不回饋入電網(wǎng)，當(dāng)然也不需要升壓變壓器。
圖2 采用內(nèi)反饋電動機(jī)的轉(zhuǎn)子變頻主電路
2.2 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速原理
（1）定子線組直接接至3～10kV電網(wǎng)。
（2）轉(zhuǎn)子繞組接400～1000V變頻器，轉(zhuǎn)子繞組接整流器DR；逆變器TI的輸出，通過變壓器接至中壓電網(wǎng)或接內(nèi)反饋電動機(jī)的定子輔助繞組。
轉(zhuǎn)子電壓Ur=s×Ur0
其中，s為異步電動機(jī)的滑差，Ur0＜1000V為轉(zhuǎn)子開路電壓。風(fēng)機(jī)和水泵一般要求s=0.3～0.5，故Ur＜400～1000V，可以采用低壓變頻器。轉(zhuǎn)子整流電壓Udr和逆變器直流母線電壓之差由斬波器BC控制。
2.3 斬波器控制的工作原理
圖3 斬波器控制原理圖
斬波器控制如圖3所示，斬波器BC根據(jù)電動機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速n進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器的輸出值作為轉(zhuǎn)子電流的Idr的設(shè)定值，電流調(diào)節(jié)器的輸出外則控制斬波器輸出波形的占空比ρ，從而控制轉(zhuǎn)子整流電壓Udr和轉(zhuǎn)子交流電壓Ur，也就控制了電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。因?yàn)閁dr=(1-ρ)Ud
通過改變占空比ρ，也就改變了Udr和與它相關(guān)的Ur。由
Ur=s×Ur0，即s=UrUr0
于是實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s，從而調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.4 逆變器的控制
（1）晶閘管逆變器，采用固定最小逆變角β的方式，其逆變電壓Ud為恒定。
（2）IGBT逆變器，采用帶矢量控制的PWM和有源濾波技術(shù)，其原理與變頻器相仿。
2.5 起動控制
如圖4所示，當(dāng)電動機(jī)起動時(shí)，其轉(zhuǎn)子回路中的接觸器KM2斷開，KM1閉合，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路以Y形接入起動電阻FR開始起動。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到所設(shè)計(jì)的調(diào)速范圍的最低值時(shí)，接觸器KM2閉合，KM1斷開，切除起動電阻FR并自動投入轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速。
圖4 轉(zhuǎn)子變頻裝置的起動電路圖
3、轉(zhuǎn)子變頻的優(yōu)點(diǎn)
（1）可以用400～1000V低壓變頻器來控制6～10kV中壓電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
（2）所需逆變器的容量較小，僅為電動機(jī)功率的20%～30%，由于轉(zhuǎn)差功率回饋至電網(wǎng)（或電動機(jī)），故能大大節(jié)約電能，可達(dá)30%以上。
（3）原理結(jié)構(gòu)簡單，使用的低壓IGBT的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于10kV定子側(cè)中壓變頻裝置的中壓IGBT，無須配置大容量電抗器，故障率大為降低。
（4）與普通串級調(diào)速相比，功率因數(shù)較高，諧波較小。若采用IGBT逆變器，則無5、7次諧波。
4、DFC型交流電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置簡介
廣東華拿東方能源有限公司研制生產(chǎn)的DFC型交流電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置，是上述轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，并且裝置采用了更為先進(jìn)的控制手段和完善的保護(hù)機(jī)制，使設(shè)備性能更為優(yōu)越和可靠。裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主電路圖見圖5。
圖5 DFC型轉(zhuǎn)子變頻裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主電路圖
（1）采用高性能的數(shù)字處理器DSP組成控制系統(tǒng)，提高了信號處理能力和響應(yīng)的快速性，并提高了抗干擾能力。
（2）采用PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)邏輯控制與可視化操作，使系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作直觀、簡便。
（3）加入了顛覆保護(hù)技術(shù)及由“BOD+SCR”組成的過壓保護(hù)技術(shù)，有效地解決了晶閘管逆變器存在逆變顛覆的問題，以及由轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓過高產(chǎn)生故障損壞設(shè)備的問題，大大地提高了可靠性。
（4）一旦調(diào)速裝置發(fā)生故障，能立即自動轉(zhuǎn)為全速繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。同時(shí)調(diào)速裝置自動切離電源，可即時(shí)進(jìn)行檢修。
（5）裝置的性能指標(biāo)
● 適用普通繞線異步電機(jī)、內(nèi)反饋繞線異步電動機(jī)、繞籠式無刷雙饋電動機(jī)、繞籠型內(nèi)反饋電動機(jī)、新型無刷雙饋電動機(jī)；
● 遮蔽容量200～4000kW；
● 適應(yīng)零轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子輸出電壓400～1000V AC；
● 適應(yīng)電機(jī)定子電壓3kV～10kV AC；
● 調(diào)速范圍50%～100%；
● 裝置在額定參數(shù)下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為0.92、諧波含量＜5%；
● 裝置效率95%。
5、DFC型交流電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置應(yīng)用
該裝置可以用于發(fā)電廠、水廠、水泥廠、鋼廠和大型化工廠等的風(fēng)機(jī)水泵類速度調(diào)節(jié)上，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。
廣東某水泥廠和某鋼廠分別應(yīng)用本裝置在280kW風(fēng)機(jī)和450kW水泵上作調(diào)速控制，由2006年1月投運(yùn)至今，運(yùn)行良好，節(jié)電效果十分顯著，平均達(dá)到節(jié)電30%～50%。
6、結(jié)束語
把變頻器從電動機(jī)定子移至轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，特別對于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，具有無可比擬的優(yōu)越性。其主要特點(diǎn)歸納有用低壓變頻器控制中壓電動機(jī)調(diào)速；逆變器容量小，節(jié)能效果顯著；功率因數(shù)高，諧波含量小；主回路簡單，價(jià)格便宜，與中壓(定子)變頻器相比，僅需其費(fèi)用的12到13左右。
由此可見，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置是一種節(jié)能高效的先進(jìn)設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。
