关键词：电压源型高压变频器；内反馈电机；变频调速；内反馈调速系统

Abstract: Introduces the Transformation and application of voltage source high voltage inverter to replace the internal feedback speed regulation system in waterworks, and Inverter frequency control internal feedback motor speed. After the transformation, the internal feedback motor can be operated by inverter or power frequency operation

Key words: VSI; Internal feedback motor; Frequency control; Internal feedback speed regulation system

1、现场情况

某自来水厂5#水泵采用内反馈系统调速，内反馈串级调速需专用的内反馈调速电机，电机调节绕组电流大，滑环及碳刷维护量大，内反馈调速方式调速范围窄、功率因数低、谐波大；供水是中国乃至世界上所有国家和地区最重要的城市基本服务之一，市民日常的生产、生活都离不开城市供水，关乎民生大计；为保证供水安全，5#水泵内反馈电机内反馈调速改造为变频调速已是必须解决的事情。

图一 现场内反馈电机铭牌参数

2、内反馈电机及调速原理

2.1、三相异步电机调速办法

三相异步电机转子的转速为n =(1-s) ；

其中n为电机转速，f为供电电源频率，p为电机极对数，s为转差率；电机转速与供电频率、电机极对数及转差率均有关系，通过改变这些参数能达到调节电机转速的效果。

变极调速方式为改变电机极对数P方式；

内反馈调速为改变异步电机转差率s调速方式；

变频调速为改变供电电源频率f方式。

2.2、内反馈电机及串级调速

内反馈串级调速系统为通过改变转差率s的串级调速方式，此调速方式仅能应用在内反馈调速电机上，不能调速普通电机。内反馈电机为绕线式电机，含定子绕组、转子绕组及内反馈绕组；定子绕组和内反馈绕组安装在定子铁芯的线槽内，内反馈绕组电压由定子绕组感应产生，相当于变压器，电压比与线圈串联匝数比为对应关系；转子绕组为绕线式绕组，通过转子上滑环及外置碳刷引出转子感应电压。

图二 本项目内反馈电机及内反馈调速系统单线图

内反馈调速系统含工频软启动系统、转差率调节系统及补偿系统；工频软启动系统实际为转子串电阻启动方式，含BP电阻及短接接触器KM1；内反馈调速系统主回路采用二级管整流及晶闸管逆变方式，系统谐波大、功率因数低、故需要外置补偿系统，补偿系统含电容器及电抗器；转差率调节系统通过二级管整流及晶闸管逆变回路调节转子电势，达到调节转差率的目的。

高压内反馈电机转子回路在内反馈调速装置闭合工作时，实际回路工作电压值为sE2，sE2经全桥整流后的电压值为Ef，Ef同时也是E3全桥逆变前对应电压值，故通过改变逆变导通角度β就可以调节Ef及sE2，sE2的变化即对应电机s转差率值的变化；通过调节s转差率值就能达到调节电机转速目的。具体计算公式如下：

其中：s 接入调速系统后电机转差率、E2转子绕组电压、E3调节绕组电压、β逆变回路导通角度。

3、高压变频器分类及调速方式对比

3.1 高压变频器分类

高压变频器根据储能方式分电压源型及电流源型，目前市场上电压源型变频器为主流产品；电压源型产品根据输出电平数又分二电平、三电平、五电平及多电平方式；电压源型变频器主回路结构为交直交方式，即输入电源为交流工频电源，通过整流为直流电源，直流电源逆变后变为可变频率f及电压值的变频电源；电机转速与供电电源频率成正比关系，变频器通过调节输出电源频率值f即可达到调速电机转速的目的。

图三 交直交电压源型变频器主回路示意图

3.2 电压源型变频调速与内反馈调速方式对比

高高电压源型多电平变频调速方式与内反馈串级调速方式虽然均具备调速电机转速功能，但是因调节变量不同，对电机要求、调节效果等方面有一定的区别，详细见下表：

4、变频改造方案

本着在方案及选型可行的基础上降低改造成本的原则，本项目5#泵变频改造时电机利旧原有内反馈电机，主回路配置一拖一手动旁路系统，5#泵变频改造后现场内反馈电机即可变频调速运行也可以工频运行。

4.1 原有内反馈部分改造

内反馈电机变频调速时需拆除转差率调节系统及补偿系统，保留原有工频软启动系统即可。电机变频运行时，定子绕组接入变频电源短接KM1即可；电机工频运行时，定子绕组接入10KV电源，转子串电阻启动完成后短接KM1即可。

图四 内反馈系统改造后主回路

4.2 变频改造主回路

本项目变频调速改造采用一拖一手动旁路方式，通过手动切换方式完成变频工频回路切换。旁路柜含3个带电磁锁的高压隔离刀闸，通过电磁锁完成刀闸合、分闸动作；通过电气及机械互锁保证变频运行主回路与工频运行主回路不能同时闭合，变频系统由上级开关柜提供电源。

用户通过方案论证及产品考察，决定本项目驱动内反馈电机变频器采用TMEIC生产的高高电压源型多电平串联方式高压变频器，变频器含变压器柜、功率柜及控制柜三部分；整流用变压器采用优质干式变压器，安装在变压器柜内；功率单元为模块化设计以方便抽取移动和变换，所有单元可互换；谐波符合IEEE519－1992及供电部门对电压失真最严格要求，高于GB14549－93对谐波失真要求，不需要输入输出电抗器；在不加任何功率因数补偿的情况下，输入端功率因数＞0.96；具有飞车启动功能，当电机还在旋转时能够保证正常启动；采用先进的DSP无速度传感器矢量控制技术，达到调速范围100:1，稳态转速精度0.1%，动态转矩响应时间<10ms，启动转矩为额定转矩1.5倍；具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行。

4.3 变频改造控制方案

现场5#泵变频调速改造新增一套变频控制系统，变频控制系统与水厂调度监控系统采用总线通讯方式；水厂调度监控系统输出5#泵电机变频或工频启动、母管压力要求、自动值班、远控/本控等指令，变频控制系统自动完成5#泵电机变频调速运行或工频运行、母管压力自动调节、自动值班及就地控制等功能，同时反馈相关状态给水厂调度监控系统；变频器相关控制及状态反馈通过变频控制系统完成。

5、改造效果

现场5#泵内反馈电机变频调速改造于2019年11月20日调试完成，变频调速、电机满载运行、工频运行及供水系统整体调试均达到用户要求。变频运行时，电机温升、噪音及振动、功率因数等均优于内反馈调速方式。

图五 变频控制系统运行界面

图六 水厂调度监控系统监控数据

图七 现场TMEIC高压变频器

6、结论

高压变频器调速具备调速范围广、反馈速度快、高功率因数、无谐波干扰、电网及控制电源瞬停无影响、对电机无特殊要求等特点，在电力电子技术高速发展的今天，高压变频调速替换内反馈调速已成必然。

参考文献

徐甫荣  高压变频调速和内反馈串级调速的比较

作者简介：

周瑾（1973-）， 男 ，技术支持工程师， 现供职于东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司。