内反馈串级调速电动机直流回路稳态特性分析
王兵树，张晓东，曲通，蔚培霞
(华北电力大学，河北保定07l003)
摘要：根据直流回路的结构特点，将直流回路分成两部分进行分析，分别给出稳态时整流直流回路电压电流的计算公式和逆变直流回路电压电流的计算公式，推导出直流回路中电流与调速系统各个参数的关系。由直流回路电压电流计算式，进而推出内反馈斩波串级调速系统的机械特性曲线；并且分析了直流回路中各个电抗器的作用以及对调速系统机械特性的影响。
关键词：内反馈电动机；串级调速；斩波；稳态特性；机械特性
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)01—0034—03
0引 言
近年来，随着电力电子技术的发展和计算机的广泛应用，串级调速技术也得到了很大的发展，内反馈串级调速电机作为新型的串级调速技术也越来越受到人们的关注。
目前，国内对于串级调速电机的研究依然停留在20世纪80年代的可控硅串级技术阶段，而对于内反馈斩波串级调速电机的研究还有待于进一步深入，许多电动机企业和科研院所依旧以可控硅串级技术为蓝本进行内反馈调速电机的设计与研究。但是由于内反馈串级调速电机结构特点与传统异步电动机串级调速有较大差别，因此研究分析内反馈串级调速电机的直流回路稳态特性对于更好地研究、设计与改进内反馈调速电机的性能有很大的现实意义[1-3]。
本文从内反馈串级调速系统的结构特点出发，将直流回路分为整流回路和逆变回路两部分分别进行讨论，分别给出了直流回路中各个电压电流在稳态时的表达式，并且推导出机械特性曲线的计算公式，进而分析了直流回路电抗器对机械特性的影响。这为工程上更好地研究和设计内反馈串级调速系统提供了可靠的理论依据。
1内反馈斩波串级调速电动机工作原理
内反馈电动机主要应用在串级调速系统中。它利用电机绕组多重化技术，在异步电机的定子铁心上增设了一套绕组，该绕组主要用来接受从转子反馈回来的能量以实现电机调速，通常称其为调节绕组，而将原来定子绕组称为主绕组。
内反馈斩波串级调速电机工作原理图如图1所示，系统由内反馈电动机、转子整流器、平波电抗器、IGBT斩波器、电容、晶闸管逆变器组成。
在内反馈斩波串级调速系统中，当IGBT斩波器接通时，转子整流器被短接，电机相当于在短路下工作；当IGBT斩波器断开时，电动机在串级调速接线下工作，因此，通过改变IGBT斩波器的占空比可以改变附加电势的大小，以达到调逮的目的。
2直流回路电压电流分析
直流回路由转子整流器、IGBT斩波器和反馈绕组逆变器组成。为了便于分析，将直流回路分成转子整流直流回路和反馈绕组逆变直流回路两部分考虑。
2．1转子整流直流回路电压电流分析
转子整流回路包括转子绕组、二极管整流器、平波电抗器L1、IGBT斩波器和电容电压，等值电路如图2所示。
转子电流经过整流器后不再是正弦波形，而是近似地由持续时间为2π/3的交变方波脉冲组成，如图3所示。如果斩波器频率很高，以及平波电感很大，那么整流电流在忽略叠加脉动时基本可以看作直流，并且平均整流电流，Id与转子电流I2有如下关系[4]：
式中：s为内反馈调速电机转差率；E2D为转子不转时的额定相电势。
转子电势经三相桥式整流电路的空载整流电势波形如图4所示。
由图4的波形可推导出三相桥式整流电路空载整流电势的平均值Ud：
考虑到内反馈电动机转子绕组中存在电阻与漏抗根据文献[5]可知，转子整流器输出电压Ud0[5]:
式中：Id为整流回路电流；RD、xD分别为折算到转子侧的电机每相电阻和每相漏抗。
图2为升压斩波电路，假设IGBT斩波器的占空比为P，那么整流器输出电压Ud与电容电压Uc有如下关系[6]：
式中：Rd为电抗器L1的电阻。与之相对应的等效电路如图5所示。由式(6)求得内反馈电动机转差
从上式可知，调节占空比p可使电机转速n实现连续变化。占空比为O时，转速最小；当占空比为1时，转速****，该时刻的转速即为斩波调速状态下时的理想空载转速n0：
2．2反馈绕组逆变直流回路电压电流分析
反馈绕组逆变环节由电容电压、电抗器L2、晶闸管整流器以及内反馈电动机的反馈绕组组成。等效电路如图6所示。
在内反馈串级调速系统中，为了减小逆变角变化对系统功率因数产生的影响，将逆变角固定在最小逆变角下，通常取为30。。因此晶闸管逆变器直流侧的输出电压UB可表示为[5]：
式中：E2B为反馈绕组相电势；RB、XB分别为内反馈绕组的电阻、漏抗；Ib为逆变直流回路电流；βmin为最小逆变角。
2．3内反馈调速系统的直流特性分析
为了便于理解内反馈串级调速电动机的性能，将式(9)写成如下形式：
式(18)即为人们所熟悉的直流电动机机械特性方程式，因此内反馈串级调速电动机具有类似于直流电动机的性质。该直流电动机的外施电压如式(16)，当改变IGBT占空比p的大小，即可改变电压U的大小，以达到调速的目的。
3内反馈串级调速电动机机械特性分析
内反馈串级调速电动机的转矩可以根据能量守恒原理从转差功率获得。如果忽略电动机的电阻和损耗，则转矩可由转差功率Psd求得，转差功率Psd又可用转子整流器输出功率来表示[5]：
如果将式(21)对s求导，并令  则可以求得与斩波串级调速系统的理想****转矩所对应的转差率smc,其值为： 根据上述推导并以p为参变量进行计算，可以求得内反馈斩波串级调速电动机的机械特性曲线，如图7所示。
由图7的机械特性曲线可知，内反馈斩波串级调速电动机的机械特性相对与异步电动机的自然机械特性要“软”一些，并且斩波串级调速时的理想空载转速和理想****转矩较异步电动机自然特性时要小。
4电抗器L对直流回路稳态特-眭影响分析
在内反馈斩波串级调速系统中，IGBT斩波器前后都用到了平波电抗器，其作用一是抑制电流波动得到平稳的直流电流；二是起到续流的作用。
相比于电抗器L2，Lj对于调速系统机械特性有较大的影响，文中讨论的机械特性分析是基于电抗器L1的电感值为无穷大的情况时进行的，然而实际电感值总是有限的。当电感值不足够大时，将发生电流Id断续的情况。在文献[5]中，作者曾对该种情形做了详细分析，结果显示，在电流断续期问，实际的空载转速显著增高，机械特性变软。
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