斩波内馈调速与高压变频调速的对比

    电力资源和水力资源供求矛盾日益突出，节电、节水已经成为我国经济发展的一项战略国策。节电、节水的关键是风机、泵类的调速经济运行。我国发电总量的60%以上是通过电动机消耗的，其中一半以上用于各种风机和泵类。如果以调速传动代替原有的恒速传动，通过改变转速来调节流量和压力，取代传统的用风挡板和阀门调节的方法，平均可节约电力30%左右，估计全年可节电数百亿度。目前在高压大功率风机泵类负载的电机调速中应用最为广泛的两种调速方式是：高压斩波内馈调速与高压变频调速。下面我们从几个角度对二者进行对比。

    1、调速原理

    1.1 交流调速的功率控制原理

    根据异步机的能量转换与传输原理，异步机等效于图1的功率圆模型。

图1A鼠笼转子的异步机模型                    图1B 绕线转子的异步机模型

    异步机的定子与电源相联，从中吸收电功率P₁，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场，将定子的电磁功率传输给转子，转子将此电磁功率转化为机械功率输出。

    定子的电磁功率表示为：
   
    P_em＝P₁-ΔP₁                 （1）

    即输入功率与损耗功率之差，转子的电磁功率则为

    P_em＝P_M+ΔP₂              （2）

    为机械功率与转子损耗功率之和。

    定、转子的电磁功率相等，只是表达形式不同。

    根据力学原理，一不机的角速度

                （3）

    其中，P_M为异步机的机械功率；
      T为输出转矩。

    由方程（2）可得，转子输出的机械功率表示为：

    P_M＝P_em－P₂                 （4）

    则异步机输出的角速度可表示为

                             （5）

    式中的 gs6                  （6）
    称为理想空载角速度；

                             （7）
    称为角速度降。

    量纲变换后，有n＝n_o－Δn    （8）

    由此可见，交流调速的实质在于功率控制，即电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，而损耗功率控制则是增大转速降，前者是高效率节能型调速，后者则是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，高效率交流调速的关键在于如何控制电磁功率，至于选择定子控制还是转子控制，仅仅是对象的不同，并没有本质的区别。

    1.2 斩波内馈调速原理

    所谓内馈调速是一种将调速电机的部分转子功率（即电转差功率）移出来，以电能的形式反馈给电机内部的调节绕组的特殊调速方式，是转子电磁功率控制的调速。内馈调速的能量原理可以用图2得以说明。

图2 内馈调速的功率圆图

    电机调速时，转子的部分功率通过电传导馈入反馈绕组，如果忽略损耗，反馈绕组所获得的功率与转子被移出的功率相等，表现在图中，为转子功率圆部分面积与反馈绕组功率圆面积相等。由于转子的部分功率被移出，故转化的机械功率减小，因此电机转速下降。这样，转子被移出的功率越大，反馈绕组的功率就越大，而机械功率就越小，转速就低；反之则机反；当反馈绕组功率为零时，机械功率几乎和转子功率相等，电机转速最高。

    根据电机调速的P理论，内馈调速的实质在于将转子的部分电磁功率移出，使余下的转子功率转化为机械功率，因此移出的功率越多，转化的机械功率越少，电机转速则越低。因此，改变移出功率的多少，即可控制机械功率大小，电机转速便得以调节。

    图中转子斜线阴影部分面积表示移出功率，为了使移出的转子功率不被消耗，以提高效率，内馈电机特殊设置了反馈绕组，目的是接收从转子移出的功率。反馈绕组在接收移出功率的同时，又将这部分功率送还给定子。定子绕组功率P₁=P_em-P3=P_M，即定子绕组共出的只是机械功率。因此在调速时，机械功率圆面积减小，定子功率圆面积也减小，电机实现高效率的节能运行。