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高功率因数斩波式内反馈串级调速系统的原理、优势与应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球工业化进程持续推进的当下，能源问题愈发凸显，成为制约经济发展和影响环境可持续性的关键因素。国际能源署（IEA）数据显示，近年来全球能源需求稳步增长，而传统化石能源储量却日益减少，能源供应的紧张局面愈发严峻。在我国，能源紧张现状也极为突出，据相关部门统计，电能消耗在工业领域占比极大，其中电机系统用电量约占工业用电量的三分之二左右，且多数处于“高消耗、低效益”状态。

在工业生产中，大量设备如风机、泵类等广泛应用，这些设备通常由电机驱动。然而，它们在实际运行中，大部分时间并非处于满负荷工作状态。以风机为例，在许多工业流程中，随着生产工艺的变化或工况的调整，所需风量会发生显著波动。传统的调速系统在应对这种负荷变化时存在明显不足，往往导致能源的大量浪费。例如，一些采用恒速驱动的风机，即便在风量需求较低时，电机仍以额定转速运行，多余的能量被白白消耗，这不仅造成了能源的低效利用，还增加了企业的生产成本。据估算，此类拖动系统约占工业电力拖动总量的一半，若采用高效调速节能技术，至少可节约20％以上的电能，这充分凸显了工业调速系统节能改造的紧迫性和巨大潜力。

在众多调速方法中，串级调速系统因具有独特优势而备受关注。它通过控制电机的转子电压来实现转速调节，这一特性使得即使电机为高压电机，其控制装置也可采用低压，从而大大降低了成本。并且，串级调速系统能较好地满足风机、泵类等负载对控制系统安全可靠、大容量的要求，在工业领域得到了一定程度的应用。然而，传统串级调速系统存在一个严重的缺陷，即功率因数低，一般仅在0.4左右。低功率因数会导致系统从电网吸收大量无功功率，不仅降低了电能的有效利用率，还会增加电网的负担，引发一系列问题，如电压波动、线路损耗增加等，进而影响整个供电系统的稳定性和可靠性。同时，系统产生的高次谐波会对电网质量造成污染，干扰其他电气设备的正常运行，限制了串级调速系统的进一步推广应用。

为解决传统串级调速系统的这些问题，高功率因数斩波式内反馈串级调速系统应运而生。该系统通过引入斩波控制技术和内反馈电机，对传统系统进行了创新性改进。斩波控制技术能够有效调节逆变电压与逆变电流的夹角，使其在一定范围内变动，从而显著提高系统的功率因数。内反馈电机则在结构和原理上进行优化，进一步提升了系统的性能。这种调速系统在节能方面具有显著优势，它能根据负载的实际需求精确调节电机转速，减少不必要的能量消耗，实现能源的高效利用。在提升系统性能方面，高功率因数不仅减少了对电网的不良影响，还提高了系统的稳定性和可靠性，为工业生产的持续、稳定运行提供了有力保障。此外，该系统在降低设备运行成本、延长设备使用寿命等方面也具有积极作用，能够为企业带来显著的经济效益和社会效益。因此，对高功率因数斩波式内反馈串级调速系统的研究具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

1.2国内外研究现状

在国外，串级调速系统的研究起步较早，相关理论研究较为深入。JawadFaiz在2001年利用dq-abc混合模型对串级调速系统谐波进行分析，明确指出逆变器消耗大量无功功率是导致传统串级调速功率因数低的主要原因。SeshagiriR.Doradla和Sudarshan也于同年提出，整流引起的转子电流畸变，该畸变电流产生的旋转磁场在定子回路中产生感应电流，该电流发生畸变而且从电网吸收无功功率，其中逆变器消耗大量无功功率是串级调速系统功率因数低的主要原因。针对功率因数低这一问题，国外学者提出了多种改善措施，如在逆变器交流侧接入无功补偿装置，在逆变和整流电路中使用全控器件强迫换相，在三相四线制方案中通过调整逆变器换流期间的导通次序使逆变器发出无功来补偿系统的无功，在整流器和逆变器之间加入升压斩波器以及改变斩波器的连接方式等。在技术应用方面，一些改进后的串级调速系统在工业生产中的风机、泵类等负载上得到应用，取得了一定的节能效果。例如，通过用强制转换器代替自然转换器的串级调速系统，在大多数情况下具有较高的功率因数，大约为0.9，负载范围在50％-100％之间，能够在许多场合使用以节省电力，每年可节省110,000度电力（从提高功率因数和减少传输损耗方面），与滑动电机相比，每年可节电440,000度。然而，这些应用也存在一些问题，如电压和电流波形仍存在波动，过载能力与强制换向能力有关，因此适用于相对稳定的负载。

国内对串级调速系统的研究也在不断发展。传统的晶闸管串级调速系统由三相桥式二极管整流器UR、绕组转子异步电动机M、三相桥式晶闸管有源逆变器UI、逆变变压器TI和平波电抗器Ld组成，其核心部分是有源逆变器UI和转子整流器Uβ。该系统