新型斬波內(nèi)反饋式電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)能中的應(yīng)用

范立新，張建興，陳建友，吳東佶

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；2.江蘇方程電力科技有限公司，江蘇 江陰 214432）

電動(dòng)機(jī)的耗電量占用電負(fù)荷的比例約60%，而在各類電動(dòng)機(jī)負(fù)荷中，近60%的負(fù)荷是風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)荷，如電廠中的引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、疏水泵、油泵等等[1]。所以提高電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗效果，是降低廠用電率、節(jié)約電能的最佳選擇。

在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)荷中，傳統(tǒng)的運(yùn)行參量的調(diào)節(jié)主要采用擋板式或閥門節(jié)流式調(diào)節(jié)，在低工況時(shí)，通過調(diào)節(jié)擋板或閥門來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參量的控制，對(duì)大部分時(shí)間運(yùn)行在較低工況下的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，其節(jié)流損耗很大。而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型匹配時(shí)，風(fēng)機(jī)和泵類的電動(dòng)機(jī)容量留有較大的裕量，出現(xiàn)了大馬拉小車的現(xiàn)象，也增加了電量的損耗。相比較，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來進(jìn)行運(yùn)行參量的調(diào)節(jié)方式，克服了節(jié)流損耗，提高了風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的運(yùn)行效率和自動(dòng)化水平，而且還可以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，避免了大馬拉小車的現(xiàn)象，由于平均轉(zhuǎn)速的降低，也延長(zhǎng)了電機(jī)的軸承壽命。因此，采用調(diào)速方式對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的運(yùn)行參量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，是提高電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗效果的最佳途徑。尤其是在發(fā)電廠、鋼鐵廠這樣風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)荷較多的企業(yè)，其經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

1 電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法比較分析

電動(dòng)機(jī)調(diào)速公式：

式中：n為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；f為電機(jī)工作電源頻率；s為電機(jī)極對(duì)數(shù)；p為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由式（1）可知，電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法通常為改變f的變頻調(diào)速，改變p的變極調(diào)速，改變s的串級(jí)調(diào)速。由于變極調(diào)速，存在電動(dòng)機(jī)制造復(fù)雜、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不夠平滑等多方面原因，在工程中應(yīng)用很少，應(yīng)用較多的是變頻調(diào)速與串級(jí)調(diào)速。

1.1 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電源的頻率f來實(shí)現(xiàn)的。隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在低壓電動(dòng)機(jī)節(jié)能領(lǐng)域由于其經(jīng)濟(jì)性和可靠性高，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

但在高壓電動(dòng)機(jī)節(jié)能調(diào)速中，由于高壓換流晶閘管IGCT技術(shù)的復(fù)雜性和成本高昂，限制了它在工程中的應(yīng)用。國(guó)際知名電氣公司均在巨大的市場(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下積極研制開發(fā)新型高壓大功率變頻調(diào)速裝置，努力降低其成本，但收效甚微。

1.2 斬波內(nèi)反饋調(diào)速

斬波式內(nèi)反饋調(diào)速是一種以低壓（轉(zhuǎn)子側(cè)）控制高壓（定子側(cè)）的高效率調(diào)速技術(shù)，它屬于改變轉(zhuǎn)差率s來進(jìn)行調(diào)速。

對(duì)相同的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其節(jié)能效率與變頻調(diào)速相同，但因其原理是在轉(zhuǎn)子回路中串接內(nèi)反饋繞組，不需要價(jià)格高昂的高壓換流晶閘管，其成本目前較高壓變頻調(diào)速低40%以上，自身運(yùn)行效率達(dá)99%，也較變頻調(diào)速的運(yùn)行效率提高96%。上世紀(jì)80年代在工程中已有應(yīng)用，但因電機(jī)制造和自動(dòng)控制技術(shù)的限制，未得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，解決了電機(jī)制造和自動(dòng)控制技術(shù)中的難題，使其在高壓電動(dòng)機(jī)節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域具備了廣泛工程應(yīng)用的價(jià)值。

1.3 2種調(diào)速方法的技術(shù)參數(shù)比較

變頻調(diào)速技術(shù)和斬波內(nèi)反饋調(diào)速都可以實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)平滑無級(jí)調(diào)速，但由于技術(shù)方法不同，帶來各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

變頻調(diào)速技術(shù)和斬波內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較，如表1所示。

2 斬波內(nèi)反饋調(diào)速的原理和特點(diǎn)

現(xiàn)代斬波內(nèi)反饋調(diào)速屬于轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速技術(shù)，是從外反饋調(diào)速原理改進(jìn)而來，其本質(zhì)是控制繞線式高壓電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流，使轉(zhuǎn)子繞組與定子同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用力矩發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)速的目的。其電路圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)反饋電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)原理圖

內(nèi)反饋電動(dòng)機(jī)在制造時(shí)即在電動(dòng)機(jī)定子繞組線槽內(nèi)增加了一個(gè)獨(dú)立的三相繞組，稱為調(diào)節(jié)繞組，當(dāng)電機(jī)定子帶電后，同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)在調(diào)節(jié)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這個(gè)電壓經(jīng)可控逆變、斬波后，送入轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生一個(gè)反電勢(shì)。通過對(duì)斬波器脈寬的調(diào)制，控制反電勢(shì)大小進(jìn)而調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。

斬波器的脈寬是通過占空比進(jìn)行調(diào)整的，所謂占空比K就是控制斬波電子開關(guān) （按合適的頻率）在一個(gè)工作周期內(nèi)開通時(shí)間占周期時(shí)間的比率。

反電勢(shì)的公式為

由式（2）可知，如果K的值可以在接近0至接近1之間平滑變化，則與轉(zhuǎn)子中的反電勢(shì)UF可以在接近U1至接近0之間平滑變化，從而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速便可以在設(shè)計(jì)的最低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速間平滑變化，實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速的目的。另一方面，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)整時(shí)，轉(zhuǎn)子回路會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電功率，稱之轉(zhuǎn)差功率。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率也通過調(diào)速裝置輸出到調(diào)節(jié)繞組，調(diào)節(jié)繞組在定子上形成的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正向的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并使電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率減少[4]。定子繞組的有功電流隨轉(zhuǎn)速正比變化，從而達(dá)到調(diào)速和節(jié)能的目的。

在調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將S1閉合短路轉(zhuǎn)子繞組，就可以使電機(jī)進(jìn)入全速運(yùn)行狀態(tài)，不影響負(fù)載的正常運(yùn)行，比較定子側(cè)高壓開關(guān)旁路調(diào)速設(shè)備具有較高的可靠性。

3 實(shí)用節(jié)能效果分析

秦皇島某發(fā)電廠一臺(tái)灰渣泵，進(jìn)行斬波內(nèi)反饋式調(diào)速節(jié)能改造，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了21天的試驗(yàn)跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)改造前后的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比統(tǒng)計(jì)。

3.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

電機(jī)型號(hào)：

YRCT560-8/560 kW/6kV/741-358 r/min

功 率：560 kW

額定轉(zhuǎn)速：741-358 r/min

定子電壓：6kV 定子電流：65.1 A

轉(zhuǎn)子電壓：977 V 轉(zhuǎn)子電流：354 A

反饋電壓：626 V 反饋電流：213 A

負(fù)載類型：離心式水泵

調(diào)速裝置：斬波內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)運(yùn)行記錄

試驗(yàn)期間從9月1日到9月21日共21天，期間對(duì)灰渣泵進(jìn)行了變速調(diào)節(jié)和節(jié)能試驗(yàn)。在試驗(yàn)期的運(yùn)行方式為鍋爐排灰期間，電機(jī)全速運(yùn)行，每天6 h左右，其余時(shí)間在調(diào)速狀態(tài)運(yùn)行。前10天將轉(zhuǎn)速控制在600 r/min；后11天將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速升高到650 r/min左右，具體試驗(yàn)記錄如表2、表3、表4、表5、表6所示。

表2 電機(jī)和調(diào)速裝置主要參數(shù)

表3 電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)與水泵的振動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表4 電機(jī)線圈溫度表（環(huán)境溫度30℃）

表5 節(jié)能統(tǒng)計(jì)

表6 灰渣泵電量記錄

由表5可繪出轉(zhuǎn)速和節(jié)電率關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)速與節(jié)電率關(guān)系曲線

3.3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

由表2可知，電機(jī)在各轉(zhuǎn)速下，諧波量均滿足電網(wǎng)的要求，波形畸變率較變頻調(diào)速小。由表3，4可知，電機(jī)振動(dòng)在16～12.3 μm之間，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且可以看出電機(jī)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速下降而降低。電機(jī)溫度在64～68℃之間，屬正常范圍之內(nèi)。由表5可知，在不同的轉(zhuǎn)速下，斬波內(nèi)反饋式調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效率隨轉(zhuǎn)速的下降而成比例提高。

從運(yùn)行歷史記錄中，查得變速改造之前，同容量灰渣泵，平均日運(yùn)行功率為414 kW，參考表6可做如下計(jì)算。

節(jié)電率：

年利用小時(shí)按7000 h計(jì)算，一年節(jié)電量為414×7000×28.5=825930 kW·h

每度工作用電按1元計(jì)算，每年節(jié)電效益在80萬元左右。

4 結(jié)束語

基于轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)差功率控制技術(shù)的斬波內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)，解決了高壓電機(jī)高電壓調(diào)頻調(diào)速控制的難題，實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的低電壓控制；調(diào)速控制功率僅為電機(jī)額定功率的14.8%左右，就可實(shí)現(xiàn)寬范圍轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)；具有良好的調(diào)速機(jī)械特性；由于定轉(zhuǎn)子的隔離和繞組分布的作用，斬波內(nèi)反饋調(diào)速對(duì)電網(wǎng)的諧波影響很小，滿足電網(wǎng)要求；調(diào)速控制裝置采用DSP和CPLD全數(shù)字化控制技術(shù)，具有良好的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)與DCS系統(tǒng)的聯(lián)接遠(yuǎn)程控制，且自身損耗低，電機(jī)功率因數(shù)高，節(jié)能效果明顯。與變頻調(diào)速相比，具有效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，諧波小和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。

目前技術(shù)仍在不斷研發(fā)中，其中并聯(lián)斬波和雙逆變專利技術(shù)，有效地解決了電力電子器件的直接并聯(lián)和串聯(lián)帶來的均壓和均流以及可靠性方面的問題，可以很方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速裝置的并聯(lián)運(yùn)行，從而使斬波內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)能應(yīng)用在更大容量的高壓異步電機(jī)中。

推廣使用高壓繞線式電機(jī)和采用斬波內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)，對(duì)高壓風(fēng)機(jī)和泵負(fù)載較多的發(fā)電廠和鋼鐵廠等具有巨大的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)具有重大意義，它的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，會(huì)給我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大的效益。

[1]白 愷，孫維本.火電廠大型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的可行性[J].華北電力技術(shù)，1999（11）：33-35.

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