變頻調(diào)速技術(shù)簡(jiǎn)介及其在電廠中的應(yīng)用

黃 波

20世紀(jì)90年代,交流變頻調(diào)速技術(shù)及裝置有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,由于變頻調(diào)速在頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、功率因數(shù)、工作效率等方面是以往的調(diào)速方式無(wú)法比擬的,因此在節(jié)約能源、改善工藝、提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮了巨大作用,取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式的探討

以常用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)為例,根據(jù)電磁學(xué)定律,轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中,并載有感應(yīng)作用所產(chǎn)生的電流,轉(zhuǎn)子必然受到電磁力,轉(zhuǎn)子上所有導(dǎo)條受到的電磁力形成一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩,于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)了能量的交換,而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0由 n0=60f/p決定。其中,f為電源頻率;p為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù);產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場(chǎng)的磁力線,因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n必須低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0,兩者之差Δn稱為轉(zhuǎn)差,即Δn=n0-n。轉(zhuǎn)差與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速之比為轉(zhuǎn)差率 s=(n0-n)/n0。由此可知異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n=(1-s)60f/p。

由公式n=(1-s)×60f/p可知,交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有以下三種:1)改變磁極對(duì)數(shù)p,定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)取決于定子繞組的結(jié)構(gòu),所以要改變 p,必須將定子繞組繞制成可以換接成兩種以上磁極對(duì)數(shù)的特殊形式。由于定子繞組的設(shè)計(jì)須照顧到兩種磁極對(duì)數(shù)的情形,所以不管工作在哪種情況下都不可能得到最佳設(shè)計(jì),而電動(dòng)機(jī)的效率將會(huì)降低。2)調(diào)節(jié)電流頻率 f,是把頻率固定的交流電源變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。當(dāng)頻率 f連續(xù)可調(diào)時(shí),電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào),又因異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n總是比同步轉(zhuǎn)速n0略低一些,所以當(dāng)n0連續(xù)可調(diào)時(shí),n也連續(xù)可調(diào)。3)改變轉(zhuǎn)差率s實(shí)現(xiàn)調(diào)速,其特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)差功率都消耗在鼠籠型轉(zhuǎn)子或滑差耦合器的電樞電路中,調(diào)速時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重,效率不高。

2 變頻器及其調(diào)速原理

2.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和主要功能

1)基本結(jié)構(gòu)。常用交—直—交變頻器的主電路見(jiàn)圖1。

2)交—直部分。整流管VD1～VD6組成三相整流橋,將電源的交流全波整流成直流,如果電源的線電壓為 VL,則三相全波整流后平均在直流電壓UD大小是:UD=1.35VL。

3)直—交部分。V1～V6組成逆變橋,把VD1～VD6整流所得的直流電再逆變成頻率可調(diào)的交流電。V1～V6進(jìn)行逆變的基本工作過(guò)程是同一橋臂的兩個(gè)逆變管處于不停地交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài),在6個(gè)逆變管中,3個(gè)和直流的“+”端相接,另3個(gè)和直流電源的“-”端相接,又分別屬于不同的相,關(guān)鍵在于驅(qū)動(dòng)逆變管的控制電路,使每次中有2個(gè)逆變管處于導(dǎo)通狀態(tài)。三者之間的相位互差2π/3。它們的振幅值都與直流電壓 UD相等。按照一定的規(guī)律來(lái)控制6個(gè)逆變管的導(dǎo)通與截止,就可以把直流電逆變成三相交流電,而逆變后的電源頻率則可以在上述導(dǎo)通規(guī)律不變的前提下,通過(guò)改變控制信號(hào)的變化周期來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)了直—交的逆變。

2.2 調(diào)速原理

調(diào)速原理圖見(jiàn)圖2。

變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電源(通常為工頻50 Hz三相),輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電(0 Hz～400 Hz),接至電機(jī)。因 n0=60f/p,故頻率可調(diào),轉(zhuǎn)速則隨之變化,改變頻率,可使轉(zhuǎn)速改變。由于電動(dòng)機(jī)繞組中反電動(dòng)勢(shì)的大小與頻率成正比,只是改變了頻率而不改變電壓是不能直接用于電動(dòng)機(jī)的,在額定頻率時(shí),定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)E1是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的結(jié)果,本質(zhì)上是定子繞組的自感電動(dòng)勢(shì)。E1≈4.44f×N×φ。其中,f為頻率;N為定子繞組的匝數(shù);φ為磁通。

可見(jiàn) E1的大小是 f與φ的乘積,成正比。所以當(dāng) f下降時(shí),E1不變,則φ增加。φ的增加,將導(dǎo)致鐵心的飽和,進(jìn)而引進(jìn)勵(lì)磁電流波形的畸變,這是不希望的,所以采用的是VVVF,即變壓同時(shí)變頻,并在不同負(fù)載時(shí)有不同的要求,在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí),有U/f為定值。保證U隨f成正比在變化,則可保證在轉(zhuǎn)速變化,即頻率變化過(guò)程中,電機(jī)則有同樣的過(guò)載能力,故在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速下的變頻器就是根據(jù)這一需要設(shè)計(jì),同時(shí)也滿足磁通φ基本不變的要求,也可使電機(jī)的過(guò)載能力保持不變,因此在改變頻率的同時(shí)還必須改變電壓,故變頻器常簡(jiǎn)寫成VVVF(Variable Voltage Varable Frequenct)。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在電廠中的應(yīng)用前景

1)目前,發(fā)電廠中的各種動(dòng)力設(shè)備中,風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載占絕大部分,這些設(shè)備的負(fù)荷變化范圍很大,所以必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方法多為節(jié)流閥調(diào)節(jié),由于這種調(diào)節(jié)方法僅僅是改變了通道的通流阻抗,而驅(qū)動(dòng)源的輸出功率并沒(méi)有改變,所以浪費(fèi)了大量的能源。采取變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)這些輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造是非常適合的,節(jié)能非常明顯。2)直接啟動(dòng)的交流電機(jī)因啟動(dòng)電流大(通常為5倍～7倍的額定電流),在很短的啟動(dòng)過(guò)程中,鼠籠型繞組或阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力,致使籠條(或?qū)l)和端環(huán)在很高的應(yīng)力作用下疲勞斷裂。直接啟動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)在繞組端部產(chǎn)生很大電磁力,使繞組端部變形和振動(dòng),造成定子繞組絕緣的機(jī)械損傷和磨損,而導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿。啟動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)造成鐵心振動(dòng),使鐵心松弛,引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。大容量異步電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式,對(duì)于延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命,減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊,保證正常生產(chǎn)是非常必要的。由于電動(dòng)機(jī)在變頻啟動(dòng)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并且平滑無(wú)沖擊,所以采用變頻器作為軟啟動(dòng)裝置是非常合適的。3)變頻器在電廠控制中的應(yīng)用。交流變頻調(diào)速技術(shù)在最近幾年有了很大發(fā)展,特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用,使得交流電力拖動(dòng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的調(diào)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限做可逆運(yùn)行等良好技術(shù)性能,在調(diào)速性能方面已可與直流拖動(dòng)相媲美。因此在電廠中,不僅在節(jié)能和軟啟動(dòng)方面需要變頻器,許多需要精確控制流量、壓力及液位的場(chǎng)所都可以采用變頻器。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速技術(shù)是近20年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),以它優(yōu)越的調(diào)速性能和完善的保護(hù)性能及高效節(jié)能,在全國(guó)廣泛使用。電廠大部分動(dòng)力設(shè)備都是風(fēng)機(jī)、泵類居多,此類設(shè)備調(diào)速采用變頻技術(shù),節(jié)電效果十分顯著。

[1] 楊濟(jì)林.大力推廣變頻調(diào)速技術(shù) 努力降低機(jī)械能耗[J].甘肅電力技術(shù),2002(2):30-32.

[2] 馬葆慶.電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,2003.