| 內反饋串級調速電動機直流回路穩態特性分析
王兵樹，張曉東，曲通，蔚培霞
(華北電力大學，河北保定071003)
摘要：根據直流回路的結構特點，將直流回路分成兩部分進行分析，分別給出穩態時整流直流回路電壓電流的計算公式和逆變直流回路電壓電流的計算公式，推導出直流回路中電流與調速系統各個參數的關系。由直流回路電壓電流計算式，進而推出內反饋斬波串級調速系統的機械特性曲線；并且分析了直流回路中各個電抗器的作用以及對調速系統機械特性的影響。
關鍵詞：內反饋電動機；串級調速；斬波；穩態特性；機械特性
O引 言
近年來，隨著電力電子技術的發展和計算機的
廣泛應用，串級調速技術也得到了很大的發展，內反
饋串級調速電機作為新型的串級調速技術也越來越
受到人們的關注。
目前，國內對于串級調速電機的研究依然停留在20世紀80年代的可控硅串級技術階段，而對于內反饋斬波串級調速電機的研究還有待于進一步深入，許多電動機企業和科研院所依舊以可控硅串級技術為藍本進行內反饋調速電機的設計與研究。但是由于內反饋串級調速電機結構特點與傳統異步電動機串級調速有較大差別，因此研究分析內反饋串級調速電機的直流回路穩態特性對于更好地研究、設計與改進內反饋調速電機的性能有很大的現實意義。
本文從內反饋串級調速系統的結構特點出發，將直流回路分為整流回路和逆變回路兩部分分別進行討論，分別給出_r直流回路中各個電壓電流在穩態時的表達式，并且推導出機械特性曲線的計算公式，進而分析了直流回路電抗器對機械特性的影響。這為工程上更好地研究和設計內反饋串級調速系統提供了可靠的理論依據。
1內反饋斬波串級調速電動機工作原理
內反饋電動機主要應用在串級調速系統中。它利用電機繞組多重化技術，在異步電機的定子鐵心上增設了一套繞組，該繞組主要用來接受從轉子反饋回來的能量以實現電機調速，通常稱其為調節繞組，而將原來定子繞組稱為主繞組。
內反饋斬波串級調速電機工作原理圖如圖l所示，系統由內反饋電動機、轉子整流器、平波電抗器、IcBT斬波器、電容、晶閘管逆變器組成。
在內反饋斬波串級調速系統中，當IcBT斬波器接通時，轉子整流器被短接，電機相當于在短路下工作；當IGBT斬波器斷開時，電動機在串級調速接線下工作，因此，通過改變IGBT斬波器的占空比可以改變附加電勢的大小，以達到調速的目的。
2直流回路電壓電流分析
直流回路由轉子整流器、IGBT斬波器和反饋繞組逆變器組成。為了便于分析，將直流回路分成轉子整流直流回路和反饋繞組逆變直流回路兩部分考慮。
2 1轉子整流直流回路電壓電流分析
轉子整流回路包括轉子繞組、二極管整流器、平波電抗器L、IGBT斬波器和電容電壓，等值電路如圖2所示．
轉子電流經過整流器后不再是正弦波形，而是近似地由持續時間為  的交變方波脈沖組成，如圖3所示。如果斬波器頻率很高，以及平波電感很大，那么整流電流在忽略疊加脈動時基本可以看作直流，并且平均整流電流，Id與轉子電流I2有如下關系： 設轉子a、b、c三相電勢分別為：
式中：s為內反饋調速電機轉差率；E為轉子不轉時的額定相電勢。
轉子電勢經三相橋式整流電路的空載整流電勢波形如圖4所示。
由圖4的波形可推導出三相橋式整流電路空載整流電勢的平均值U：
考慮到內反饋電動機轉子繞組中存在電阻與漏抗，根據文獻[5]可知，轉子整流器輸出電壓u：
式中：I為整流回路電流；R、x分別為折算到轉子側的電機每相電阻和每相漏抗。
圖2為升壓斬波電路，假設IGBT斬波器的占空比為p，那么整流器輸出電壓U與電容電壓u有如下關系：
式中：R為電抗器L的電阻。與之相對應的等效電路如圖5所示。由式(6)求得內反饋電動機轉差
 率S表達式： 又
 代人式(8)可得內反饋斬波串級調速電動機在調速狀態時的轉速表達式： 從上式可知，調節占空比p可使電機轉速n實現連續變化。占空比為O時，轉速最小；當占空比為1時，轉速****，該時刻的轉速即為斬波調速狀態下時的理想空載轉速n：
2 2反饋繞組逆變直流回路電壓電流分析
反饋繞組逆變環節由電容電壓、電抗器K、晶閘管整流器以及內反饋電動機的反饋繞組組成。等效電路如圖6所示。
在內反饋串級調速系統中，為了減小逆變角變化對系統功率因數產生的影響，將逆變角固定在最小逆變角下，通常取為30O。因此晶閘管逆變器直流側的輸出電壓u可表示為：
式中：E為反饋繞組相電勢；R、X分別為內反饋繞組的電阻、漏抗；I為逆變直流回路電流；β為最小逆變角。
根據圖6可列出逆變直流回路電壓方程：
因此可得到電流，I的值：
2 3內反饋調速系統的直流特性分析
為了便于理解內反饋串級調速電動機的性能，將式(9)寫成如下形式：
則式(14)可寫成：
式(18)即為人們所熟悉的直流電動機機械特性方程式，因此內反饋串級調速電動機具有類似于直流電動機的性質。該直流電動機的外施電壓如式(16)，當改變IGBT占空比p的大小，即可改變電壓U的大小，以達到調速的目的。
3內反饋串級調速電動機機械特性分析
內反饋串級調速電動機的轉矩可以根據能量守恒原理從轉差功率獲得。如果忽略電動機的電阻和損耗，則轉矩可由轉差功率P求得，轉差功率P又可用轉子整流器輸出功率來表示：
內反饋調速電動機的轉矩可由式(19)計算出：
將整流直流電流，I表達式代入式(20)，得：
 如果將式(21)對S求導，并令  則可以求得與斬波串級調速系統的理想****轉矩所對應的轉差率s其值為： 將式(22)代人式(21)，可求出串級調速異步電動機的理想****轉矩為：
根據上述推導并以p為參變量進行計算，可以求得內反饋斬波串級調速電動機的機械特性曲線，如圖7所示。
由圖7的機械特性曲線可知，內反饋斬波串級調速電動機的機械特性相對與異步電動機的自然機械特性要“軟”一些，并且斬波串級調速時的理想空載轉速和理想****轉矩較異步電動機自然特性時要小。
4電抗器L對直流回路穩態特性影響分析
在內反饋斬波串級調速系統中，IGBT斬波器前后都用到了平波電抗器，其作用一是抑制電流波動得到平穩的直流電流；二是起到續流的作用。
相比于電抗器L2，L1。對于調速系統機械特性有較大的影響，文中討論的機械特性分析是基于電抗器L1的電感值為無窮大的情況時進行的，然而實際電感值總是有限的。當電感值不足夠大時，將發生電流，I斷續的情況。在文獻[5]中，作者曾對該種情形做了詳細分析，結果顯示，在電流斷續期間，實際的空載轉速顯著增高，機械特性變軟。
由于晶閘管逆變器輸出直流電壓不變，而且流經電抗器L2的電流Ib較為平直，因此電容兩端獲得的電壓不會隨著轉速變化而變化，基本能夠保持穩定的電壓值。圖8為某內反饋斬波串級調速電動機直流回路中電容電壓U在不同占空比時的波形圖。
從圖中可看出，無論高速還是低速，電容電壓基本保持不變。由此可知，電抗器L2的電感值對逆變直流回路電流的影響較大，即L2的電感值越大，電流I越平滑，但對電容電壓U影響不大。因此，電抗器L2對整個系統的機械特性影響較小。
5結語
本文通過對內反饋斬波串級調速電機的直流回路分析，確定了直流回路中各個電壓電流與調速系統參數的關系，并給出了計算表達式，其中包括：轉子整流電勢表達式，轉子整流回路電流表達式，斬波電容電壓表達式以及逆變回路電流表達式。
根據直流回路電壓電流關系式，推導出穩態時內反饋調速電機的機械特性曲線的計算公式，根據計算出的機械特性曲線，能夠很方便地分析出工程中各個參變量對系統機械特性的影響。
對于直流回路電抗器對機械特性的影響也做了一些分析，實際系統中，電抗器對于系統的穩態特性影響較小，并且電抗器越大，系統性能越好.
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