作者 ：保定華仿電控有限公司 馬士英 摘要 ：高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用于高壓大容量異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域的一種比較先進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)。本文介紹了水泥廠風(fēng)機(jī)應(yīng)用高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。 英文摘要 ：Cascade speed control system assembly with high frequency chopper is an advanced speed control system that is applied to high voltage asynchronous motor. This text introduces the technology and economy analysis of Cascade speed control sy-stem assembly with high frequency chopper that had been applied to fan. 關(guān)鍵詞： 高頻斬波串級(jí)調(diào)速 風(fēng)機(jī) 節(jié)能 調(diào)速 1 引言 風(fēng)機(jī)和水泵在國民經(jīng)濟(jì)各部門中應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，全國風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)的耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。 眾所周知，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備是用來輸送氣、水等流體物質(zhì)的，在很多情況下，這些流體的流量需要調(diào)節(jié)控制。在我國，流體流量的調(diào)節(jié)大多采用為閥門或擋板控制即所謂的全速節(jié)流方式實(shí)現(xiàn)。由于用閥門或擋板調(diào)節(jié)時(shí)存在節(jié)流損失，而且節(jié)流增大了管阻，泵和風(fēng)機(jī)往往運(yùn)行在低效區(qū)，加上泵和風(fēng)機(jī)的能耗特性，造成這種調(diào)節(jié)方式的效率很低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全速節(jié)流調(diào)節(jié)方式的平均運(yùn)行效率不到45%。我國有近一半的發(fā)電量被風(fēng)機(jī)、水泵所消耗，年耗電量達(dá)2萬多億kW·h，而設(shè)備的平均運(yùn)行效率不到45%，比國際水平低20％，存在著嚴(yán)重的能量浪費(fèi)。因此采用高效節(jié)能的運(yùn)行方式利國利民、勢在必行。 2005年9月和2006年7月，四川廣安騰輝水泥有限公司分別在＃1和＃2窯尾風(fēng)機(jī)上應(yīng)用了高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，下文即對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹和分析。 2 SEC高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理和主要功能 2.1 SEC系列高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理 串級(jí)調(diào)速，即在轉(zhuǎn)子回路中串入可吸收轉(zhuǎn)差功率的附加電動(dòng)勢，通過改變附加電動(dòng)勢的大小，來達(dá)到改變轉(zhuǎn)子電流,進(jìn)而改變電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速在低于同步轉(zhuǎn)速下調(diào)整,同時(shí)將轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差功率回收，達(dá)到高效節(jié)能目的。 當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路引入附加電動(dòng)勢Ef時(shí)的等效電路如圖1所示： [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 由此可見，改變附加電動(dòng)勢Ef的大小，就可相應(yīng)改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 SEC高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)由啟動(dòng)單元、整流器單元、斬波單元和有源逆變單元組成的。逆變單元的逆變角固定在最小值,產(chǎn)生一恒定的最大附加直流反電勢,而等效電勢大小的調(diào)節(jié)由斬波器來完成。 2.2 設(shè)備構(gòu)成 2.2.1 啟動(dòng)單元 啟動(dòng)單元由頻敏變阻器（PF）、接觸器1KM、接觸器2KM構(gòu)成。大型電動(dòng)機(jī),特別是繞線式電動(dòng)機(jī),起動(dòng)電流較大,啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。為減少起動(dòng)電流,使電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)，在高頻斬波串級(jí)調(diào)速裝置中,加設(shè)了自動(dòng)切換的起動(dòng)裝置。在電機(jī)起動(dòng)時(shí),1KM閉合,2KM打開,電機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相頻敏變阻器PF。頻敏變阻器的電阻與流過的電流的頻率成正比關(guān)系,當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為零,轉(zhuǎn)子電流頻率最高,為工頻頻率,此時(shí)頻敏變阻器阻值也較高,從而限制了起動(dòng)電流。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸減少,頻敏變阻器阻值也逐漸減小。當(dāng)電機(jī)定子電流低于設(shè)定的允許值時(shí),裝置自動(dòng)將2KM閉合,切除頻敏變阻器,完成起動(dòng)過程。 2.2.2 整流單元 整流單元為三相全波整流，將轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換為直流電流。保護(hù)用SCR也安裝在整流單元中。 2.2.3 斬波單元 系統(tǒng)的斬波控制采用IGBT元件實(shí)現(xiàn)，使得斬波頻率進(jìn)一步提高，直流電流更為平穩(wěn)，系統(tǒng)體積更小、更為緊湊。通過調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通時(shí)間與斬波周期的比率（即占空比或PWM脈寬調(diào)制），來改變串入轉(zhuǎn)子回路的等效電勢的大小，從而改變轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。同時(shí)通過逆變變壓器將轉(zhuǎn)差功率吸收并回饋至電網(wǎng)，使得系統(tǒng)功耗達(dá)到最小。 將逆變器的逆變角固定在最小，獲得最大反電勢： U1=1.35U2cosβmin （3） 通過PWM調(diào)制斬波電子開關(guān),調(diào)節(jié)等效反電勢的大小: U=U1（1-k）=1.35（1-k）U2cosβmin （4） 式中：k—占空比。 2.2.4 逆變單元 逆變部分為三相全橋有源逆變器，裝置工作于調(diào)速狀態(tài)時(shí)，將經(jīng)斬波控制后的轉(zhuǎn)差功率逆變至內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器。逆變觸發(fā)角為最小的固定值，克服了移相觸發(fā)的對(duì)觸發(fā)脈沖和換相要求嚴(yán)格、脈沖移動(dòng)范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。同步信號(hào)取自內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號(hào)，具有抗干擾、多重?cái)?shù)字鎖相、自動(dòng)配相等功能。 控制單元：控制部分由控制箱、電源及自檢箱構(gòu)成。其核心由單片機(jī)和快速可編程邏輯器件組成。主要功能包括： （1）對(duì)IGBT、保護(hù)用SCR及有源逆變器的脈沖控制及PWM調(diào)制。 （2）實(shí)現(xiàn)裝置所有的自動(dòng)控制和閉鎖邏輯; （3）所有保護(hù)的測量、整定、邏輯、報(bào)警及出口; （4）系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)的操作、顯示、報(bào)警等信息的處理及指示; （5）實(shí)現(xiàn)裝置與外部系統(tǒng)的通訊管理; （6）裝置參數(shù)整定和實(shí)驗(yàn)等輔助功能; （7）控制箱可通過觸式鍵盤實(shí)現(xiàn)就地操作，包括運(yùn)行、停止、全速、調(diào)速、自檢、自動(dòng)/手動(dòng)、開環(huán)/閉環(huán)、遠(yuǎn)方/就地等與運(yùn)行有關(guān)的操作。同時(shí)通過菜單方式，可對(duì)裝置基本參數(shù)及運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置; （8）為滿足控制室集中控制的需要，可在遠(yuǎn)方進(jìn)行與裝置運(yùn)行有關(guān)的操作; （9）系統(tǒng)保留有與上級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、PC機(jī)等進(jìn)行通訊的端口。 3 高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在水泥廠中的應(yīng)用情況 騰輝廣安水泥有限公司＃1窯尾風(fēng)機(jī)和＃2窯尾風(fēng)機(jī)電機(jī)的高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)改造分兩期進(jìn)行，分別于2005年9月和2006年7月投入運(yùn)行，其間相關(guān)人員對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，并對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)測試。下面就＃1窯尾風(fēng)機(jī)電機(jī)的高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)改造情況作一介紹。 3.1 電機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)參數(shù) （1）電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào)：JRQ157-10; 制造廠：上海電機(jī)廠; 額定功率：260kW; 額定轉(zhuǎn)速：588r/min; 額定電壓：6kV; 額定電流：33A; 轉(zhuǎn)子開口電壓：417V; 轉(zhuǎn)子額定電流：399A。 （2）調(diào)速裝置參數(shù) 設(shè)備型號(hào)：SECY01-6/260/10; 制造廠：保定華仿電控有限公司; 電機(jī)額定容量：260kW; 電機(jī)額定電壓：6kV; 額定直流電壓：350V; 額定直流電流：490A; 調(diào)速范圍：280～588r/min; 逆變變壓器容量：180kVA。 3.2 測試結(jié)果 該系統(tǒng)的部分測試結(jié)果如附表所示： 3.3 測試結(jié)果分析 （1）調(diào)速狀態(tài)時(shí)的節(jié)電率和年節(jié)電量 ● 節(jié)電率（％）： 按（P0-P1）/P0＊100%公式計(jì)算,實(shí)測各占空比對(duì)應(yīng)全速的節(jié)電率，其中：P0為滿負(fù)載時(shí)實(shí)測有功功率，P1為調(diào)速時(shí)實(shí)測有功功率，結(jié)果見附表。 實(shí)際系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在470r/min左右，其實(shí)際運(yùn)行的節(jié)電率約為50％?？梢姽?jié)點(diǎn)效果非常明顯。 ● 年節(jié)電量（kW·h）: 按年運(yùn)行300天核算，則年節(jié)電量： =260×300×24×節(jié)電率％，結(jié)果見附表。 系統(tǒng)實(shí)際經(jīng)常運(yùn)行在470r/min左右,按節(jié)電率50％計(jì)算，則這一臺(tái)260kW電機(jī)實(shí)際的年節(jié)電量可達(dá)： 260×300×24×50％＝936000kW·h。 （2）轉(zhuǎn)速控制精度 實(shí)測轉(zhuǎn)速的控制精度很高,基本都在99.9%或99.8%,亦即轉(zhuǎn)速誤差<0.2%。 （3）轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系 可以看出，轉(zhuǎn)速隨占空比減小而減小，且基本呈線性變化。 （4）電機(jī)溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 可以看出，電機(jī)溫度隨轉(zhuǎn)速減小而降低。 4 該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) （1） 具有良好的調(diào)速機(jī)械特性和節(jié)能特性； （2） 由于串級(jí)調(diào)速是在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制，其控制電壓低，系統(tǒng)可靠性高； （3） 采用新型功率器件IGBT應(yīng)用于斬波控制，使得系統(tǒng)簡潔可靠，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，自身功耗小，效率高； （4） 多種操作控制模式（開環(huán)/閉環(huán)、就地/遠(yuǎn)方、實(shí)驗(yàn)/工作、全速/調(diào)速、SEC/DCS控制）可互相轉(zhuǎn)換; （5） 系統(tǒng)具有多種保護(hù)功能,如轉(zhuǎn)子過流、電流失恒;反饋過流、電流失恒、電壓失恒；直流過流、過壓、低電壓（逆變顛覆）、失波、IGBT過流、快熔保護(hù)、頻敏保護(hù)、溫度保護(hù)等; （6） 具有系統(tǒng)自檢功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主要器件和單元的自檢試驗(yàn)； （7） 系統(tǒng)具有自診斷功能，可對(duì)接觸器、高壓開關(guān)、高壓電源、快熔、頻敏等設(shè)備監(jiān)測；泵/風(fēng)機(jī)等負(fù)載狀態(tài)監(jiān)測；工作電源、直流過流、過壓、低電壓、失波、IGBT過流、溫度保護(hù)自動(dòng)診斷，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 5 結(jié)論 （1）高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)裝置運(yùn)行可靠，節(jié)能效果明顯，已達(dá)到項(xiàng)目實(shí)施目的。 （2）節(jié)電率 節(jié)電率隨轉(zhuǎn)速下降而增長,轉(zhuǎn)速越低節(jié)能效果越明顯。 （3）調(diào)速的平穩(wěn)性與連續(xù)性 該電機(jī)采用頻敏變阻器啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流小，電機(jī)啟動(dòng)的沖擊小。電機(jī)由全速轉(zhuǎn)調(diào)速狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由最高轉(zhuǎn)速平滑降至設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化連續(xù)性、平穩(wěn)性好。同時(shí)調(diào)速系統(tǒng)溫升不高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 （4）調(diào)速的范圍和精度 調(diào)速的范圍寬，調(diào)速精度高，可每次調(diào)整1轉(zhuǎn)。調(diào)速控制裝置運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。 （5）電機(jī)溫升 電機(jī)溫度在64～68℃之間，在正常范圍之內(nèi)。由此可見，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 6 結(jié)束語 高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在廣安騰輝水泥有限公司順利投入生產(chǎn)以來,運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠,節(jié)能效果非常明顯。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)調(diào)速效率高,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,投資回收期短。確實(shí)不失為一種較好的調(diào)速方法,具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。 目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，其關(guān)鍵還是制造成本的競爭。而電動(dòng)機(jī)電耗就占成本近30％，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的推廣價(jià)值。