電力資源和水力資源供求矛盾日益突出，節(jié)電、節(jié)水已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略國(guó)策。節(jié)電、節(jié)水的關(guān)鍵是風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。我國(guó)發(fā)電總量的60% 以上是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的，其中一半以上用于各種風(fēng)機(jī)和泵類。如果以調(diào)速傳動(dòng)代替原有的恒速傳動(dòng)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋板和閥門(mén)調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30%左右，估計(jì)全年可節(jié)電數(shù)百億度。目前在高壓大功率風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載的電機(jī)調(diào)速中應(yīng)用最為廣泛的兩種調(diào)速方式是：高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速與高壓變頻調(diào)速。下面我們從幾個(gè)角度對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比。

1. 調(diào)速原理

1.1 交流調(diào)速的功率控制原理

根據(jù)異步機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與傳輸原理，異步機(jī)等效于圖1的功率圓模型。

圖1A鼠籠轉(zhuǎn)子的異步機(jī)模型 圖1B 繞線轉(zhuǎn)子的異步機(jī)模型

異步機(jī)的定子與電源相聯(lián)，從中吸收電功率P1，同時(shí)吸收感性無(wú)功功率建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將定子的電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子將此電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率輸出。

定子的電磁功率表示為:

由此可見(jiàn)，交流調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于功率控制，即電磁功率控制和損耗功率控制兩種原則。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，而損耗功率控制則是增大轉(zhuǎn)速降，前者是高效率節(jié)能型調(diào)速，后者則是低效率的耗能型調(diào)速。調(diào)速性能取決于調(diào)速原理，高效率交流調(diào)速的關(guān)鍵在于如何控制電磁功率，至于選擇定子控制還是轉(zhuǎn)子控制，僅僅是對(duì)象的不同，并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。

1.2 斬波內(nèi)饋調(diào)速原理

所謂內(nèi)饋調(diào)速是一種將調(diào)速電機(jī)的部分轉(zhuǎn)子功率（即電轉(zhuǎn)差功率）移出來(lái)，以電能的形式反饋給電機(jī)內(nèi)部的調(diào)節(jié)繞組的特殊調(diào)速方式，是轉(zhuǎn)子電磁功率控制的調(diào)速。內(nèi)饋調(diào)速的能量原理可以用左圖得以說(shuō)明。

電機(jī)調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子的部分功率通過(guò)電傳導(dǎo)饋入反饋繞組，如果忽略損耗，反饋繞組所獲得的功率與轉(zhuǎn)子被移出的功率相等，表現(xiàn)在圖中，為轉(zhuǎn)子功率圓部分面積與反饋繞組功率圓面積相等。由于轉(zhuǎn)子的部分功率被移出，故轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率減小，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。這樣，轉(zhuǎn)子被移出的功率越大，反饋繞組的功率就越大，而機(jī)械功率就越小，轉(zhuǎn)速就低；反之則機(jī)反；當(dāng)反饋繞組功率為零時(shí)，機(jī)械功率幾乎和轉(zhuǎn)子功率相等，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高。

根據(jù)電機(jī)調(diào)速的P理論，內(nèi)饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于將轉(zhuǎn)子的部分電磁功率移出，使余下的轉(zhuǎn)子功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，因此移出的功率越多，轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率越少，電機(jī)轉(zhuǎn)速則越低。因此，改變移出功率的多少，即可控制機(jī)械功率大小，電機(jī)轉(zhuǎn)速便得以調(diào)節(jié)。

圖中轉(zhuǎn)子斜線陰影部分面積表示移出功率，為了使移出的轉(zhuǎn)子功率不被消耗，以提高效率，內(nèi)饋電機(jī)特殊設(shè)置了反饋繞組，目的是接收從轉(zhuǎn)子移出的功率。反饋繞組在接收移出功率的同時(shí)，又將這部分功率送還給定子。定子繞組功率P1=Pem-P3=PM，即定子繞組共出的只是機(jī)械功率。因此在調(diào)速時(shí)，機(jī)械功率圓面積減小，定子功率圓面積也減小，電機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率的節(jié)能運(yùn)行。

斬波實(shí)際是變流主電路的數(shù)字控制。變流控制是交流調(diào)速的關(guān)鍵，關(guān)系到調(diào)速效率、功率因數(shù)、可靠性及其它技術(shù)性能，是近代交流調(diào)速研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向。斬波控制的目的是克服移相控制存在的缺點(diǎn)。實(shí)踐表明，斬波控制不僅有效地解決了移相控制的功率因數(shù)低、諧波畸變大等問(wèn)題，同時(shí)，有源逆變器的最大容量可減小到電機(jī)額定容量的14.8%，而且觸發(fā)脈沖被固定在最小逆變角處，不再移動(dòng)，這樣，就從根本上解決了最為頭疼的有源逆變器可靠性問(wèn)題。這種斬波電路巧妙地解決了晶閘管的關(guān)斷問(wèn)題，可靠性高，效率高，使內(nèi)饋調(diào)速擺脫了移相控制的束縛，形成斬波+內(nèi)饋的優(yōu)化組合。

1.3 高壓變頻調(diào)速原理

從功率控制角度來(lái)講，高壓變頻調(diào)速是典型的控制定子電磁功率的調(diào)速，是間接控制轉(zhuǎn)子電磁功率的調(diào)速。此時(shí)定子電磁功率表示為:

因此可通過(guò)調(diào)節(jié)U1（ 受轉(zhuǎn)矩平衡方程式約束不能作為控制量）來(lái)改變定子電磁功率，由于定、轉(zhuǎn)子電磁功率相等，間接實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電磁功率控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了異步機(jī)機(jī)械功率控制，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。其調(diào)速原理如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速的功率控制原理

但單純調(diào)壓并不能實(shí)現(xiàn)定子電磁功率控制，原因是U1不但影響電磁功率，而且還作用于磁場(chǎng)，根據(jù)電機(jī)學(xué)，主磁通

如果單純調(diào)壓，U1降低使Φm減小，而U1增大Φm受磁飽和限制不能增大，U1的減小將引起損耗功率急劇增大。

為了解決上述問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)式（3）在調(diào)壓的同時(shí)，正比地改變頻率f1 ，使Φm保持不變，即變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)上是通過(guò)同時(shí)控制電壓和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的電磁功率控制的調(diào)速方案。

1.4 結(jié)論

高壓變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速同屬控制電磁功率的高效率無(wú)級(jí)調(diào)速，其機(jī)械特性同為平行曲線族，兩者的調(diào)速技術(shù)性能沒(méi)有明顯差異。

高壓變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速最大的不同在于高壓變頻是立足于電機(jī)定子的功率控制，而斬波內(nèi)饋調(diào)速則是立足于轉(zhuǎn)子的功率控制。因此，高壓變頻最大的優(yōu)勢(shì)是適用于鼠籠型與繞線型異步機(jī)，而斬波內(nèi)饋則僅適用于繞線型異步機(jī)。

但轉(zhuǎn)子控制回避了定子控制的高壓?jiǎn)栴}，對(duì)高壓電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低壓控制。而且控制裝置與電機(jī)的軸輸出口是并聯(lián)聯(lián)接，這樣就可依工況需要而靈活選擇調(diào)速范圍，因而降低控制裝置的容量。

為了提高滑環(huán)、電刷的可靠性，內(nèi)饋電機(jī)在材料、材質(zhì)上做了革新，同時(shí)采取了局部風(fēng)冷措施，這樣可使電刷壽命比普通繞線機(jī)提高一倍以上。

此外，轉(zhuǎn)子控制由于電磁隔離作用，控制裝置對(duì)電源的畸變影響很小，而高壓變頻的定子控制直接與電網(wǎng)聯(lián)接，諧波污染較大。

2. 斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)指標(biāo)與高壓變頻調(diào)速的對(duì)比

2.1 價(jià)格低

2.2 可靠性

電力電子器件為低壓大電流的，斬波內(nèi)饋調(diào)速以低壓（一般660V以下）控制高壓（6KV、10KV），從而設(shè)備運(yùn)行可靠；而高壓變頻調(diào)速不可避免的遭遇電力電子器件耐壓?jiǎn)栴}，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的故障多為功率器件過(guò)壓擊穿所致。

2.3效率

斬波內(nèi)饋調(diào)速η＞98% ,變頻調(diào)速因必須配套變壓器η≤94%；

2.4 諧波

電流畸變率小，而且由于轉(zhuǎn)子的隔離作用不會(huì)反饋至電網(wǎng)，無(wú)污染，是綠色環(huán)保產(chǎn)品。變頻調(diào)速的諧波高，且直接污染電網(wǎng)，并影響其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須加裝濾波裝置。

2.5 控制系統(tǒng)

斬波內(nèi)饋調(diào)速在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)施調(diào)速控制，其控制功率僅為電機(jī)功率的14.8%，所以控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積??；而高壓變頻調(diào)速是在電機(jī)定子側(cè)實(shí)施控制，控制功率要大于電機(jī)功率,一般為（1.2-1.3）倍的電機(jī)功率，而且必須配套變壓器（內(nèi)置或外置），所其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，占地面積大。

2.6 節(jié)能效果

同等工況下，斬波內(nèi)饋調(diào)速比變頻調(diào)速節(jié)能率平均高5-8%左右。工況允許的情況下，斬波內(nèi)饋調(diào)速的節(jié)能率可達(dá)40-50%。

2.7 電機(jī)的改造

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由于其變流技術(shù)的復(fù)雜性，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞普通電機(jī)的使用壽命，一般也需配套專用電機(jī)。

3. 應(yīng)用現(xiàn)狀

高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的難度在于：一、高壓變頻器由于供電電壓高，而目前世界上電力電子器件的耐壓水平還不能與此要求相適應(yīng)；二、高壓變頻器由于控制的功率大，其技術(shù)難度大，制造技術(shù)要求高，所以資金投入大，而高壓變頻器主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載的調(diào)速節(jié)能運(yùn)行，需低投入。

ZNT-2000型、CTK-1型高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)是北京內(nèi)達(dá)調(diào)速科技有限公司推出的第三、第四代最新改進(jìn)型產(chǎn)品，由YQT型試用于斬波控制的內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)與高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速控制裝置組成，第三代與第一代移相觸發(fā)適和第二代貫通式內(nèi)饋調(diào)速相比，無(wú)論在技術(shù)性能和可靠性方面都取得了質(zhì)的進(jìn)步。由于是低壓控制高壓，可采用成熟的電力電子器件，同時(shí)資金投入小，回收期短。

綜上所述，鑒于各行業(yè)的大型企業(yè)中風(fēng)機(jī)泵類調(diào)速節(jié)能的巨大經(jīng)濟(jì)潛力，調(diào)速節(jié)能改造勢(shì)在必行。通過(guò)以上對(duì)比，我們不難得出一個(gè)結(jié)論：和高壓變頻器相比，斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)在性能指標(biāo)、節(jié)能效果，資金投入、占地面積等各方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，是企業(yè)風(fēng)機(jī)泵類調(diào)速的最佳方案。