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、水泵类是应用最广、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。采用高效先进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，高效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最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。