大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（4）

大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（4）

摘要：指出了發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速運(yùn)行的必要性和巨大的節(jié)能潛力；討論了各種調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并作出了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級(jí)調(diào)速；無(wú)刷雙饋電機(jī)

4.3繞線式電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速
繞線式電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速，雖然也是通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率來(lái)達(dá)到調(diào)速目的的，但它與能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速不同，關(guān)鍵的差別在于對(duì)轉(zhuǎn)差功率的處理上。能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速是將調(diào)速中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率變成熱能消耗掉，而串級(jí)調(diào)速卻是通過(guò)交－直－交變頻器和變壓器，將轉(zhuǎn)差功率反饋回電網(wǎng)，因此是一種高效的調(diào)速方式。
4.3.1普通串級(jí)調(diào)速
從電機(jī)學(xué)原理可知，為了實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，除了采用在轉(zhuǎn)子回路中串電阻的方式外，還可采用在轉(zhuǎn)子回路中串電勢(shì)的方法。這種在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢(shì)進(jìn)行調(diào)速的方法，稱為繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速。
串級(jí)調(diào)速的關(guān)鍵是串入到轉(zhuǎn)子回路的電勢(shì)Ef的頻率必須與轉(zhuǎn)子電勢(shì)頻率f2相等，但f2是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，即f2是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0（對(duì)應(yīng)f1）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n決定的，即

式中：p——磁極對(duì)數(shù)；
s——轉(zhuǎn)差率。
但要串入一個(gè)永遠(yuǎn)跟隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的電勢(shì)Ef是相當(dāng)困難的。解決的辦法是先把轉(zhuǎn)子電勢(shì)整流成直流電勢(shì)Ed，再在此直流電路中串入一與Ef相當(dāng)?shù)目烧{(diào)節(jié)的直流電勢(shì)，就可避免隨時(shí)改變Ef頻率的困難了。具體地實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速有下述三種方式：
1）由一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)與主繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)或叫克萊墨系統(tǒng)。
2）由一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)與主繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫電機(jī)式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)或謝菲爾畢斯系統(tǒng)。
3）由變頻器與繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)或靜止謝菲爾畢斯系統(tǒng)。
上述第一種及第二種串級(jí)調(diào)速方式過(guò)去早有應(yīng)用。第三種晶閘管串級(jí)調(diào)速是一種新的串級(jí)調(diào)節(jié)方式，它在目前應(yīng)用最廣泛，已有取代第一、二種串級(jí)調(diào)速的趨勢(shì)。
與轉(zhuǎn)子串電阻方式相比較，轉(zhuǎn)子串電勢(shì)的優(yōu)越性是可以回收轉(zhuǎn)差功率，僅晶閘管等換流器件產(chǎn)生一些不大的損耗，所以繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。
晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)又可分為低（次）同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)和超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)兩種。當(dāng)串接到繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的附加電勢(shì)Ef與轉(zhuǎn)子電勢(shì)SE20反向時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只能朝電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下的方向調(diào)節(jié)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速恒低于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，稱為低（次）同步串級(jí)調(diào)速。當(dāng)Ef與SE20既可同向串接，又可反向串接時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速既可高于又可低于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，稱為超同步串級(jí)調(diào)速，或稱為雙饋調(diào)速。
圖19所示為低同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其工作原理為：繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差電勢(shì)E2（SE20）經(jīng)三相整流為直流電勢(shì)Ed，再經(jīng)電抗器L濾波后，加到三相逆變橋。由晶閘管組成的三相有源逆變橋的作用有兩個(gè)：一是從電網(wǎng)為轉(zhuǎn)子回路提供附加直流電勢(shì)Eβ，它與外串附加交流電勢(shì)Ef相當(dāng)，因是低同步串級(jí)調(diào)速，所以它的方向與轉(zhuǎn)子直流電勢(shì)Ed相反；二是把直流電再逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的三相交流電，從而把轉(zhuǎn)差功率Ps通過(guò)逆變變壓器T匹配成電網(wǎng)電壓，送回電網(wǎng)。

圖20為超同步晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。它與低同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要區(qū)別是把由二極管組成的整流橋改為由晶閘管組成的可控整流橋，這樣它既可作整流橋用，又可以作為逆變橋使用。當(dāng)超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在低同步范圍調(diào)速時(shí)，可控整流橋作用與不可控整流橋完全相同，而在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時(shí)，原來(lái)的逆變橋成為整流橋，它通過(guò)變壓器從電網(wǎng)吸收交流能量，并將其整流為直流電；而原可控整流橋則成為逆變橋，它把直流電變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)子頻率相同的交流電。這樣，超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)其定子繞組由工頻電源供電；而轉(zhuǎn)子繞組則由變頻電源供電，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子變頻電源的頻率就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。顯然，繞線式異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式與鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式不同，后者僅由定子側(cè)供電，而前者是由定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)雙向供電。因此，超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)又稱雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

低同步晶閘管串級(jí)調(diào)速方式用于泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速時(shí)，其主要優(yōu)點(diǎn)為：
1）晶閘管串級(jí)調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。一般而言，晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率（即電動(dòng)機(jī)和調(diào)速裝置的綜合效率ηZ）應(yīng)高于鼠籠式電動(dòng)機(jī)及變頻裝置的綜合效率ηZ。這是因?yàn)榫чl管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，只有轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過(guò)變頻器；而鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，其由電網(wǎng)輸入的全部有功功率都要通過(guò)變頻器。所以從通過(guò)變頻器的功率損失（稱為換流損失）來(lái)看，顯然晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)要小得多。圖14為典型晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的ηZ及cosφ值，ηZ定義為

式中：PB指電網(wǎng)凈輸出，不包括輸入后又輸出的轉(zhuǎn)差功率。
2）晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)具有在發(fā)生故障或其它原因時(shí)自動(dòng)切換至額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的功能。故當(dāng)串級(jí)調(diào)速裝置有故障時(shí)，泵與風(fēng)機(jī)仍可以繼續(xù)工作。此外，由于晶閘管串級(jí)調(diào)速裝置的硅二極管、電抗器、晶閘管、變壓器等元器件要產(chǎn)生電壓降，故串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到原電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的95％左右，因此，若要電動(dòng)機(jī)在原額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，亦需把串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)從“調(diào)速狀態(tài)”切換到異步狀態(tài)。
3）調(diào)速裝置由靜止元器件組成，噪聲小，易于維護(hù)，壽命長(zhǎng)；當(dāng)泵或風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍較小時(shí)，調(diào)速裝置的容量可大大減小，價(jià)格也相應(yīng)降低。
晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是：
1）晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)低。如圖21所示，在100％額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總功率因數(shù)cosφ還不到0.6；在50％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)還不到0.3。造成系統(tǒng)總功率因數(shù)低的主要原因是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管逆變器在工作時(shí)需要吸收無(wú)功功率。另外還有兩個(gè)原因是系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流器的作用，使電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)轉(zhuǎn)功率因數(shù)變差；系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)和逆變變壓器的電流波形發(fā)生畸變，其電流中的高次諧波分量引起的畸變功率，使系統(tǒng)的總功率因數(shù)變差。后兩個(gè)原因所造成的系統(tǒng)總功率因數(shù)降低約10％左右。

2）產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)有污染。在晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接的硅二極管整流器和晶閘管逆變橋，使每相正弦電流畸變而包含著一定分量的高次諧波。高次諧波電流不只對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身產(chǎn)生不良影響，更重要的是對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的污染，使電網(wǎng)的電流波形產(chǎn)生畸變。諧波不僅增大電網(wǎng)及串調(diào)系統(tǒng)的損耗，降低電網(wǎng)及串調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且還使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子損耗與轉(zhuǎn)子損耗增加；使電源變壓器損耗增加，噪聲增大；可能引起母線與補(bǔ)償電容器和線路上的感抗元件發(fā)生共振，而使電容器過(guò)熱;可能導(dǎo)致并聯(lián)工作的晶閘管變流裝置相互干擾而控制失調(diào)；給測(cè)試裝置和通訊設(shè)備帶來(lái)電磁干擾。
提高功率因數(shù)的措施：
1）具有斬波環(huán)節(jié)的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。所謂帶斬波器的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，就是在傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路的二極管整流橋與晶閘管逆變橋電路之間并聯(lián)接入一個(gè)斬波器，如圖22所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的超前角β固定在最小安全超前角βmin不變，通過(guò)調(diào)節(jié)斬波器的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因cosβmin值較大，逆變器從電網(wǎng)需要的無(wú)功功率減小，故使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)比一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)高0.2～0.3。目前上海電器成套廠生產(chǎn)的帶斬波器的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的容量已達(dá)550kW。

斬波器通常由普通晶閘管構(gòu)成。若采用可關(guān)斷晶閘管（GTO）或電力晶體管（GTR）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等全控型電力開(kāi)關(guān)器件，則其控制線路可大為簡(jiǎn)化。
2）對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件用全控型開(kāi)關(guān)器件（如GTR、GTO、IGBT等）取代普通的晶閘管，由于GTR、GTO、IGBT等具有自關(guān)斷能力，且開(kāi)關(guān)頻率高，因此逆變器可作成PWM型，輸出的電壓或電流為近似正弦波形，不但高次諧波量少，而且有高的功率因數(shù)。
雙饋調(diào)速系統(tǒng)與（低同步）串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：
1）雙饋調(diào)速系統(tǒng)不但可以在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，還可以在同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速；而且在同步轉(zhuǎn)速上、下，既可以電動(dòng)運(yùn)行，又可以制動(dòng)運(yùn)行。而晶閘管串調(diào)系統(tǒng)只能在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，沒(méi)有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
由于雙饋調(diào)速可以在同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速，所以只要電動(dòng)機(jī)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，便可以發(fā)出比額定功率大的功率。這對(duì)于火力發(fā)電廠的鍋爐給水泵等這類大容量、高轉(zhuǎn)速泵具有很大意義，因?yàn)檫@些泵的轉(zhuǎn)速比電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速高，而使用雙饋調(diào)速系統(tǒng)不用增速齒輪就可達(dá)到。
2）雙饋調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)比串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)高，且高次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾較小。
3）雙饋調(diào)速系統(tǒng)的線路比串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜，初投資也高，維護(hù)較困難，要求工人具有較高的文化技術(shù)水平。
雙饋調(diào)速系統(tǒng)和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是不需要調(diào)節(jié)全部傳動(dòng)功率的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，因此，經(jīng)變頻裝置的功率僅僅是傳動(dòng)功率的一部分（轉(zhuǎn)差功率），這部分功率的大小和調(diào)速范圍成正比例。這種調(diào)速方式最適用于調(diào)速范圍不大的場(chǎng)合。另外，因只需對(duì)傳動(dòng)功率的一部分進(jìn)行變頻，所以能量變換裝置中的能量損失較小。在各種可調(diào)速的電氣傳動(dòng)方式中，雙饋調(diào)速和串級(jí)調(diào)速的效率是最高的。
其次，雙饋調(diào)速系統(tǒng)和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)都具有較高的可靠性，即使在變頻裝置發(fā)生故障時(shí)，仍可將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子短接使其工作在不調(diào)速狀態(tài)。對(duì)于火電廠的鍋爐給水泵、鍋爐送、引風(fēng)機(jī)以及核電站的循環(huán)泵等可靠性要求高的重要設(shè)備來(lái)說(shuō)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是很重要的。
4.3.2內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)
作為近代交流調(diào)速技術(shù)的重要分支，晶閘管串級(jí)調(diào)速曾獲得普遍的重視和廣泛的應(yīng)用。但是隨著近年來(lái)變頻調(diào)速技術(shù)的迅速崛起，串級(jí)調(diào)速受到了很大的沖擊。除了理論上的誤導(dǎo)作用之外，串級(jí)調(diào)速技術(shù)在理論深入和技術(shù)改進(jìn)方面存在的不足也是主要原因之一。
內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)就是旨在克服傳統(tǒng)的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)而提出的新型附加電勢(shì)調(diào)速方案。圖23為內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖。

內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)的調(diào)速原理仍屬于繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串附加電勢(shì)進(jìn)行調(diào)速的理論范疇，但該附加電勢(shì)不是通過(guò)與電網(wǎng)聯(lián)接的逆變變壓器提供，而是通過(guò)安裝在定子上的調(diào)節(jié)繞組從主繞組感應(yīng)過(guò)來(lái)的電勢(shì)所提供的，再通過(guò)變流裝置將該電勢(shì)串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，改變其串入電勢(shì)的大小即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。同時(shí)調(diào)節(jié)繞組吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并通過(guò)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正向的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就使電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率減少，主繞組的有功電流隨轉(zhuǎn)速正比變化，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。
與傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的區(qū)別在于內(nèi)反饋調(diào)速的轉(zhuǎn)差功率不是饋入電網(wǎng)，而是反饋回電機(jī)內(nèi)部。轉(zhuǎn)差功率的這種內(nèi)饋的結(jié)果，使調(diào)速產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率仍以電能的形式存在而沒(méi)有被消耗，從而提高了調(diào)速效率；另一方面，通過(guò)電機(jī)的磁勢(shì)平衡使定子繞組向電網(wǎng)吸收的功率減小，定子功率繞組中不再含有多余的轉(zhuǎn)差功率，克服了傳統(tǒng)串調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率在定子－轉(zhuǎn)子－電網(wǎng)間的無(wú)謂循環(huán)傳輸現(xiàn)象。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，內(nèi)反饋調(diào)速電動(dòng)機(jī)本體，除了具有和常規(guī)電機(jī)相同的定、轉(zhuǎn)子繞組外，還在定子上設(shè)有特殊的調(diào)節(jié)繞組。調(diào)節(jié)繞組的作用是為轉(zhuǎn)子繞組提供調(diào)速所必須的附加電勢(shì)，并接收轉(zhuǎn)子在調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率，調(diào)節(jié)繞組的這一作用，類似于傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的逆變變壓器，但內(nèi)反饋調(diào)速是在電機(jī)內(nèi)部的電磁系統(tǒng)中完成的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)移，而傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速則是在兩個(gè)不同的電磁系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的傳輸。不但在結(jié)構(gòu)上，前者比后者簡(jiǎn)單，而且使電機(jī)調(diào)速的功率傳輸性能更為合理。
與傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速一樣，為了克服功率因數(shù)比較低的缺點(diǎn)，在轉(zhuǎn)子直流電路增加了直流斬波器，轉(zhuǎn)子整流器通過(guò)斬波器與逆變器相連，組成斬波式逆變器。斬波式內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速是通過(guò)改變斬波器的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此逆變器的超前角β可取為最小值βmin，且固定不變，故可使無(wú)功損耗減小到最低程度，從而提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時(shí)也避免了因調(diào)速深度而帶來(lái)的功率因數(shù)進(jìn)一步降低的現(xiàn)象。圖24為斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖。

為了進(jìn)一步提高內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)的功率因數(shù)，還可以采用內(nèi)補(bǔ)償措施。改善功率因數(shù)的關(guān)鍵，在于使調(diào)節(jié)繞組的無(wú)功功率呈容性，這一方面可以通過(guò)超前換流的電子變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)內(nèi)補(bǔ)償方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)補(bǔ)償是一種簡(jiǎn)單、可靠的改善功率因數(shù)、降低無(wú)功損耗的方法，其線路圖如圖25所示。
在調(diào)節(jié)繞組接入補(bǔ)償電容器，為了抑制諧波電流，串入阻尼電抗器L2。這樣，調(diào)節(jié)繞組除了反饋電流I31以外，還產(chǎn)生容性電流I3C，總的電流為：=＋。將補(bǔ)償?shù)母行詿o(wú)功分量，使呈純電阻性質(zhì)，或者偏容性，因此實(shí)質(zhì)性地改善了電機(jī)的功率因數(shù)。內(nèi)補(bǔ)償?shù)淖罱K目的是為了避免調(diào)節(jié)繞組感性電流引起的原邊激磁電流的增大，為此，要求與的感性無(wú)功分量完全相等而抵消，這種補(bǔ)償稱為準(zhǔn)補(bǔ)償。準(zhǔn)補(bǔ)償對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)并未起到補(bǔ)償作用，但由于它使Q3=0，因此并不增加電機(jī)功率繞組的激磁功率及損耗，而且調(diào)節(jié)繞組的功率因數(shù)接近于1，使其損耗最小。

如果調(diào)節(jié)繞組容量允許的話，最好使Q3<0而呈容性，這對(duì)于調(diào)節(jié)繞組來(lái)說(shuō)是過(guò)補(bǔ)償，過(guò)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果使得功率繞組的激磁電流減小，一方面可使電機(jī)的功率因數(shù)提高，同時(shí)又可以減小電機(jī)的發(fā)熱與損耗。如進(jìn)一步使：
Q1＋Q2－Q3=0
Q3=Q1＋Q2

的話，則可使電機(jī)的功率因數(shù)達(dá)到1。
需要說(shuō)明的是，內(nèi)補(bǔ)償與電機(jī)電源端的外補(bǔ)償具有很大區(qū)別，外補(bǔ)償只能改善電源的功率因數(shù)，而對(duì)電機(jī)內(nèi)部的感性無(wú)功問(wèn)題絲毫無(wú)補(bǔ)，這是必須引起注意的。內(nèi)補(bǔ)償除了對(duì)調(diào)速狀態(tài)有所改善之外，在自然運(yùn)行時(shí)，也能收到較好的效果，它使電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)一步提高，并使輸入電流降低，這對(duì)6～10kV的高壓電機(jī)具有重要的意義。
由于內(nèi)反饋調(diào)速電機(jī)取消了逆變變壓器，增加了調(diào)節(jié)繞組，不僅縮小了體積，降低了系統(tǒng)造價(jià)和損耗，還可通過(guò)調(diào)節(jié)繞組的分布與短距作用使空間諧波得到有效的抑制，即使不加濾波裝置，也能滿足電網(wǎng)要求。
4.4無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)
由于高壓變頻器昂貴的價(jià)格和復(fù)雜的控制系統(tǒng)阻礙了它的推廣應(yīng)用，于是人們就努力尋找一種能夠降低調(diào)速系統(tǒng)成本的實(shí)施方案。國(guó)外有人率先在HUNT電機(jī)的基礎(chǔ)上提出了無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)的設(shè)想，通過(guò)對(duì)樣機(jī)的試驗(yàn)得到了令人滿意的結(jié)果。無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)與轉(zhuǎn)子接串調(diào)或雙饋調(diào)速裝置的繞線式電機(jī)相似，可以用較小容量的變頻器對(duì)較大功率的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，特別適合于大功率的風(fēng)機(jī)和水泵類負(fù)載的調(diào)速節(jié)能應(yīng)用，具有低投入、高回報(bào)的特點(diǎn)，是一種很有希望的中、高壓電機(jī)節(jié)能調(diào)速方案。
4.4.1無(wú)刷雙饋電機(jī)原理
無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種具有繞線式異步電機(jī)特性，但無(wú)電刷及滑環(huán)的電機(jī)。其原型機(jī)實(shí)際上是一種雙電機(jī)的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，即兩臺(tái)繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子共軸，兩轉(zhuǎn)子繞組相互聯(lián)接，第一臺(tái)電機(jī)的定子繞組接電網(wǎng)，輸入功率，通過(guò)轉(zhuǎn)子傳給第二臺(tái)電機(jī)的定子繞組。第二臺(tái)電機(jī)的定子繞組稱為控制繞組，相當(dāng)于普通繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，接串調(diào)或雙饋裝置，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。電機(jī)原理示于圖26。

近年來(lái)在該原型電機(jī)的基礎(chǔ)上研制出的改進(jìn)型無(wú)刷雙饋電機(jī)只有一個(gè)定子，一個(gè)籠形轉(zhuǎn)子，一套公共磁路，定子中有兩套不同極對(duì)數(shù)的繞組，一組稱功率繞組，接三相電網(wǎng)，另一組稱控制繞組，接變頻裝置。這種電機(jī)的原理示于圖27。在兩種繞組極對(duì)數(shù)確定的情況下，通過(guò)改變控制繞組變頻器的輸出頻率即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速的范圍與極對(duì)數(shù)和二套電源的輸出頻率有關(guān)，具體的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中：p——功率繞組磁極對(duì)數(shù)；
fp——電源頻率；
q——控制繞組磁極對(duì)數(shù)；
fq——變頻器輸出頻率。
從式中可見(jiàn)，根據(jù)電源旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與變頻器輸出的磁場(chǎng)方向的異同（相序不同）可實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，擴(kuò)大了調(diào)速范圍，降低了變頻器的容量。從式中還可看出，由于電源頻率是固定的（50Hz），只要變頻器的輸出頻率一定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以完全確定，調(diào)速精度很高。
4.4.2無(wú)刷雙饋電機(jī)的特點(diǎn)
1）特殊的籠形轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子為單層多路籠型轉(zhuǎn)子，如圖28所示，導(dǎo)條數(shù)n=p＋q，其余槽中安排短路繞組。

2）功率分配功率繞組與控制繞組的功率分配符合如下關(guān)系：

???
4）兩繞組極數(shù)之間應(yīng)滿足如下的關(guān)系：
p≠q；p－q>1；q/p應(yīng)盡量??；p/q的最簡(jiǎn)分式中分子分母最好是一奇一偶。
綜合以上各種因素可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)刷雙饋電機(jī)定子繞組的極數(shù)配合問(wèn)題是錯(cuò)蹤復(fù)雜的，具體的選擇要根據(jù)實(shí)際要求來(lái)定。
如果將變頻器用于極數(shù)較小的控制繞組一側(cè)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)，更重要的是大大降低了變頻器的容量，同時(shí)也降低了對(duì)功率器件的耐壓要求，因?yàn)閷?duì)于一臺(tái)6kV的無(wú)刷雙饋電機(jī)來(lái)說(shuō)，即使進(jìn)行0～100％調(diào)速時(shí)，其控制繞組的電壓也不超過(guò)2kV，一般進(jìn)行±25％～±50％調(diào)速,則控制繞組的電壓應(yīng)低于1000V，可采用低壓功率器件組成變頻器，大大降低了成本，提高了可靠性。另外，還由于變頻器接在控制繞組一側(cè)，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染要小得多。
4.4.3無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)原則
由以上分析可見(jiàn)，無(wú)刷雙饋電機(jī)也有其局限性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求綜合考慮。
1）無(wú)刷雙饋電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速最高為1000r/min，此時(shí)取P=2，q=1
2）為減小變頻器的容量，及減小損耗，q/p的值應(yīng)盡量小，對(duì)于600r/min同步速的電機(jī)，若選p=4、q=1時(shí)，變頻器容量?jī)H為電機(jī)容量的20％；而選p=3、q=2時(shí)，則為電機(jī)容量的40％。
3）調(diào)速范圍越大，控制繞組電壓就越高，要求變頻器功率器件的耐壓越高。好在電廠風(fēng)機(jī)，水泵的調(diào)速范圍有限，這應(yīng)不成問(wèn)題。
4）設(shè)計(jì)實(shí)例：將一臺(tái)200MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)電機(jī)（PN=1600kW、6kV、980r/min)改成無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)。
設(shè)計(jì)同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，則由n=，取p=2、q=1
變頻器容量PN×110％=580kW
調(diào)速范圍500～1500r/min，變頻器輸出頻率為0～±25Hz，控制繞組電壓為690V左右，額定電流250A，可用耐壓為1700V，電流為800A的IGBT功率器件組成。
5）投資核算：1600kW/6kV電機(jī)約￥25萬(wàn)元，改為無(wú)刷雙饋電機(jī)，約￥40萬(wàn)元，30％電機(jī)容量的變頻器（含輸入變壓器及起動(dòng)裝置）約￥45萬(wàn)元，共計(jì)￥85萬(wàn)元/套；若用高壓變頻裝置，約需要￥250萬(wàn)元，約為無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)的三倍。
綜上所述，無(wú)刷雙饋電機(jī)的調(diào)速范圍為500～1500r/min為宜，這樣的電機(jī)造價(jià)要比普通電機(jī)高50％左右，電機(jī)造價(jià)的增加可以從調(diào)速裝置（變頻器）的節(jié)約中得到補(bǔ)償。轉(zhuǎn)速越低，二者差值越小。若轉(zhuǎn)速再高，無(wú)刷雙饋電機(jī)將增大許多，制造也較困難，不一定合算。
4.4.4無(wú)刷雙饋電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)與其他交流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：
1）通過(guò)變頻器的功率僅占電機(jī)總功率的一小部分，可以大大降低變頻器的容量，同時(shí)大大降低變頻器功率器件的耐壓要求，從而大大降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本；
2）功率因數(shù)可調(diào)，可以提高調(diào)速系統(tǒng)的力能指標(biāo)；
3）取消了電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；
4）即使在變頻器發(fā)生故障的情況下，電機(jī)仍然可以運(yùn)行于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)下，保證拖動(dòng)設(shè)備的正常工作；
5）電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅與功率繞組和控制繞組的極數(shù)、頻率及相序有關(guān)，而與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，因此電機(jī)具有硬的機(jī)械特性（同步機(jī)特性），并且轉(zhuǎn)速的控制十分精確。
其不足是：起動(dòng)特性較差，要借助感應(yīng)起動(dòng)器起動(dòng)，適用于不是頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合。
由上面的分析可知，無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)與普通籠型電機(jī)加高壓變頻器或繞線式電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋調(diào)速系統(tǒng)相比，有明顯的優(yōu)越性，它合理地將變頻技術(shù)和電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)改造相結(jié)合，充實(shí)了電機(jī)調(diào)速的內(nèi)涵，是集電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為大成的機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物；它既解決了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的高成本，又避免了繞線式電機(jī)的有刷調(diào)速，是很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。
4．5無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)
4.5.1無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的工作原理
無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)是指由變頻器、同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器（測(cè)頻器）組成的可變速電動(dòng)機(jī)，又稱為晶閘管電動(dòng)機(jī)或無(wú)整流子電動(dòng)機(jī)。無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的變頻器與鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)用的變頻器相似，亦分為交－直－交變頻器和交－交變頻器兩類。采用交－直－交變頻器時(shí)，稱為直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)；采用交－交變頻器時(shí)，稱為交流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)。目前，用于泵與風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的多為直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)，故下面所講述的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)均是指直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)而言。
如圖29所示，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的工作原理和運(yùn)行特性與具有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)相似，這是由于同步電動(dòng)機(jī)與反裝式的直流電動(dòng)機(jī)相似；變頻器的逆變器相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)換向片（整流子），其作用是使電流換向；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電刷，其作用是把旋轉(zhuǎn)電路和靜止電路相連，起檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用。因無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性與直流電動(dòng)機(jī)相似，又用逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器取代了在工作中容易產(chǎn)生火花的換向器（換向片和電刷），故無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)也稱為無(wú)整流子電動(dòng)機(jī)、晶閘管電動(dòng)機(jī)。
上面所述的反裝式直流電動(dòng)機(jī)是指其磁極與電樞繞組的安裝位置正好與直流電動(dòng)機(jī)相反。反裝式直流電動(dòng)機(jī)（同步電動(dòng)機(jī)）的磁極安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組裝在定子上；而直流電動(dòng)機(jī)的磁極安裝在定子上，電樞繞組裝在轉(zhuǎn)子上。
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器與電動(dòng)機(jī)同軸相連。它的任務(wù)是控制逆變器中晶閘管隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定順序?qū)?。圖29(b)所示為光電變換器式轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，其原理是：當(dāng)其中間具有兩個(gè)缺口的腰鼓形光電變換器鋁板的缺口部分經(jīng)過(guò)設(shè)定的三個(gè)光源之一時(shí)，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器就發(fā)出脈沖信號(hào)，觸發(fā)逆變器中某晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)此鋁板的非缺口部分經(jīng)過(guò)光源時(shí)，光線被擋住，就沒(méi)有信號(hào)。這樣，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器就根據(jù)轉(zhuǎn)速，并經(jīng)觸發(fā)電路使逆變器的晶閘管按一定順序輪流導(dǎo)通，即把由整流器輸入的直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，供給同步電動(dòng)機(jī)。
無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制多采用改變晶閘管整流器的導(dǎo)通滯后控制角α實(shí)現(xiàn)的。由圖29(b)所示，改變轉(zhuǎn)速是通過(guò)改變給定電壓Ug的大小，就可改變導(dǎo)通滯后控制角α及整流器的輸出直流電壓Ed的大小，從而改變無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)楦淖兛刂平铅梁螅锤淖冎绷麟妷篣g的大小，可得出無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的一組互相平行的機(jī)械特性曲線，如圖30所示。若把葉片式泵與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線按相同比例尺作在其上，則其與無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線（轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線）的交點(diǎn)即為工作點(diǎn)（運(yùn)行工況點(diǎn)）。由圖可見(jiàn)，泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著直流電壓值Ug的減小而減小。
4.5.2無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)缺點(diǎn)
無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：
1）調(diào)速特性好從圖30所示無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線（轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線）可以看出，當(dāng)改變整流器輸出的直流電壓Ud時(shí)，可得出一組互相平行的機(jī)械特性曲線，它們與直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線很相似，機(jī)械特性硬（即轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩的變化率?。?，有較寬的調(diào)速范圍，在開(kāi)環(huán)控制時(shí)可達(dá)10∶1（即50～5Hz）到20∶1（即50～2.5Hz）。
2）效率高圖31為典型無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速效率ηv、電動(dòng)機(jī)及調(diào)速裝置的綜合效率及ηz及電源功率因數(shù)cosφ的實(shí)測(cè)示例。從圖可見(jiàn)，其在寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均具有高的ηv值。
3）單機(jī)容量大與直流電動(dòng)機(jī)相比，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)沒(méi)有換向器的電刷，因此，它既不會(huì)在工作中產(chǎn)生火花，可適用于惡劣環(huán)境和易燃易爆場(chǎng)合；又易于實(shí)現(xiàn)高電壓、大容量、高轉(zhuǎn)速，如目前無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的容量已達(dá)50MW、轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min、電壓達(dá)10kV。
4）控制線路比較簡(jiǎn)單與鼠籠式電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速相比，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的控制線路比較簡(jiǎn)單，這主要表現(xiàn)在換流線路上。所謂換流，就是指變頻器中把欲觸發(fā)的晶閘管導(dǎo)通以及把先前已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷這一過(guò)程。鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為實(shí)現(xiàn)其逆變器晶閘管的關(guān)斷，需設(shè)置復(fù)雜的強(qiáng)迫換流電路。而無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)可采用較簡(jiǎn)單的反電勢(shì)換流電路。這是由于無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子上裝有勵(lì)磁繞組，當(dāng)對(duì)其通過(guò)直流電時(shí)，將形成磁場(chǎng)，這個(gè)勵(lì)磁磁場(chǎng)將感應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)，這如同直流電機(jī)電樞中的反電勢(shì)一樣。利用這一反電勢(shì)換流時(shí)，可省去強(qiáng)迫換流電路所必需的換流晶閘管、電容器、電抗器等輔助設(shè)備，大大簡(jiǎn)化了控制線路，并提高了其運(yùn)行效率。反電勢(shì)換流又稱為自然換流或反電勢(shì)自然換流。
無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的不足之處是：
1）電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)（小于額定轉(zhuǎn)速的5％～10％），因反電勢(shì)小，不能進(jìn)行反電勢(shì)換流。常采用斷續(xù)電流換流法（斷流法）。斷續(xù)電流換流法常采用的操作過(guò)程是：當(dāng)變頻器的逆變器某一晶閘管需要關(guān)斷時(shí)，把變頻器的整流器由整流狀態(tài)（控制角α<90°）運(yùn)行轉(zhuǎn)為逆變狀態(tài)（控制角α>90°）運(yùn)行。這時(shí)由于整流器電壓極性反了，使供給變頻器的逆變器的電流強(qiáng)迫降為零，從而使逆變器的所有晶閘管都截止；然后給應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上脈沖，待重新供電時(shí)，逆變器也就完成了換流過(guò)程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在采用斷續(xù)電流換流法啟動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要比正常運(yùn)行時(shí)大得多。此外，采用斷續(xù)電流換流法時(shí)需要增加一些換流控制電路。
2）由于無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)采用反電勢(shì)換流，故其過(guò)載能力較低。解決過(guò)載能力低的有效措施是：隨著負(fù)載大小的變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流和給定換流超前角γ0的自動(dòng)調(diào)節(jié)。γ0是指無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)在空載時(shí)，電機(jī)相電流I和空載電勢(shì)E0之間的夾角。
3）大型的變頻裝置及其控制系統(tǒng)需占用較大空間。如一臺(tái)容量為6000kW、2300V的裝置，需要2.4m×3.6m×13.5m的安裝空間。