斬波內饋調速在風機節(jié)能方面的應用

摘要：目前各行各業(yè)對電力資源的需求量越來越大，電力資源供求緊張的問題也逐漸得到凸顯。針對這種情況，電力資源的節(jié)約已經成為我國經濟發(fā)展過程中必須要考慮的問題。由于風機的負載特性為功率、平方轉矩和轉速成正線性關系，節(jié)能的關鍵就是降低電機運轉速度，因此我國研發(fā)創(chuàng)建了斬波內饋調速，實現了對風機運轉能源的節(jié)約。

關鍵詞：斬波內憒調速；風機節(jié)能；電力資源；電機運轉速度；風機運轉 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK223 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

據相關資料顯示，我國在風機和泵類設備上對電力資源的損耗量占據了全國總體耗電的四成之多。大部分的機械運轉都采用的是恒速運行，僅僅通過操作人員對風門的調節(jié)和閥門的停開對工況進行調節(jié)，效率十分低下，造成了能源的大量浪費。對于風機來說，由于風機的負載特性為功率、平方轉矩和轉速成正線性關系，節(jié)能的關鍵就是對電機運轉速度進行降低，對此我國研發(fā)創(chuàng)建了斬波內饋調速，很好地實現了對風機運轉能源的節(jié)約，本文就針對這項技術在風機運行的各個方面進行具體的論述和分析。

1 斬波內饋調速

1.1 現狀

這項技術是由我國首次提出的，具有獨立的知識產權并且被廣泛應用。斬波內饋調速主要應用于需要進行節(jié)能的一些風機，這些風機大部分都配置大中容量的高壓交流電機?，F如今，我國在這項技術的研究上從各項指標來看已經達到了國際先進水準。相比于傳統(tǒng)的高壓變頻，斬波內饋調速具有價格更低、效率更高、功率因數更高、諧波含量更少等諸多優(yōu)勢。通過一些實踐證明，采用這項技術的風機在運行時可靠性更高、節(jié)能效果更加顯著。

1.2 基本原理

實現風機的內饋調速就是將調速電機的電轉差功率（即部分轉子功率）進行轉移，之后通過電能的形式來對電機內部調解繞組的調速方式進行反饋。其中，軸功率的輸出隨著轉子向調節(jié)繞組反饋的功率的增大而減小。部分轉子功率在轉子和調節(jié)繞組二者之間進行循環(huán)往復傳遞，效率可以達到99.8%。內饋調速的最大特點就是傳遞過程中不需要另外的電源供給。

研究人員在該項技術的原有基礎上做出了改進，強調了電機調速的內部因素，在電機的定子設置了一個內饋繞組，接受電轉差的功率。通過安裝一個有源逆變器使內饋繞組處在發(fā)電的工作狀態(tài)，再通過電磁感應把功率向電機定子進行反饋，是電機定子的有效功率和機械輸出功率基本相持平，從而實現了高性能的調速。

斬波內饋調速實現了低壓（在200～500V范圍內）向高壓（6～10kV）進行轉化，效率較之其他的調速技術更高，將斬波和內饋兩項技術進行了有機的結合。相比于傳統(tǒng)的變頻調速技術，內饋調速通過轉子來進行轉速的控制，有效避免了高壓定子控制的問題，安全性大大增強。對于電機的尺寸來說，內饋調速電機和原有的電機差異性不大，在安裝時使電機恒速運行的裝置和內饋調速的裝置形成并聯(lián)關系，這種安裝方式的優(yōu)點是：在雕塑控制裝置發(fā)生意外的故障時，電機上安裝的自動保護裝置會將電機自動切換到恒速運行狀態(tài)，保證了電機的持續(xù)運行。

1.3 性能特點

該設備由斬波控制裝置和內饋調速電機兩部分組成，前者主要包括斬波柜、啟動柜和逆變柜，對電機實現了遠程控制和就地控制。

在過去一段時間范圍內，斬波這項技術主要應用于變流主電路中的強電數字控制，與傳統(tǒng)意義上的移相控制相比，數字控制克服了前者存在的很多缺點，是行業(yè)內公認的先進技術。通過一些實際數據證明，斬波控制這項技術有效解決了傳統(tǒng)移相控制存在的諧波畸變大和功率因數低等問題，保證了觸發(fā)脈沖的固定，從根本上保證了有源逆變器的可靠性。具體控制情況如下：（1）保證有源逆變器的固定保證了逆變的可靠性，同時再結合電路的同步和獨特的觸發(fā)，使逆變角達到了自動恒定，不再需要同步配相和對相序進行調整；（2）采用有源——斬波逆變器的主電路，保證了系統(tǒng)具備最小電流畸變率和最大功率因數；（3）具備自動軟加速轉全速的功能，大大延長了接觸器的使用壽命；（4）提供了控制恒壓閉環(huán)的自動裝置和抗干擾能力極強的遠方給定；（5）具備軟啟動功能；（6）可以顯示無機械的傳感速度；（7）通過對繼電器的控制和邏輯操作，使微機的運行更加可靠；（8）具備多項保護功能：對欠壓、過流、失波、相序、缺相、過壓、頻敏和順勢停電等多項的保護；（9）斬波主電路中增加DCL吸收電路，避免了因斷電產生的電壓過充問題；（10）具備很高的可靠性和很強的靠干擾能力。

1.4 技術特點

斬波內饋調速實現了斬波控制和內饋電機的有效結合。斬波這項技術是最佳的電機控制技術，內饋電機則需要電力和電子控制進行相互配合進而達到調速的目的。斬波器在整個系統(tǒng)中的作用就好比是一個高速開關，按照一定的周期和頻率進行關斷和接通，通過對斬波占空比的控制來對逆變電流進行調節(jié)工作。對于逆變電流的控制在一定程度上也間接性地實現了對內饋繞組功率和電流的控制，最終達到內饋調速的目的，同時使內饋調速不受移相控制的影響，形成內饋+斬波的最優(yōu)組合。斬波內饋調速這項技術主要是針對于風機一類的產品而專門設立的，調速往往是針對于電機來進行的，而內饋作用主要體現在對調速內因的充實上，這項技術的根本實質就是用數字控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的移相控制，使技術的可靠性大大增強。

2 斬波內饋調速技術對風機節(jié)能調節(jié)的積極影響

通常情況下我國普遍應用的風機種類是高效離心風機，但這種風機實際運行的效率卻非常低，主要是因為：（1）運行點和風機最高效率點相差較遠；（2）風機本身的調速性能較差。一旦風機的風量、機組的調峰運行和風壓的裕度使風機運行的工況點和實際設計高效點出現偏差，就會導致風機運行效率很大程度的下降。對于采用風門調節(jié)方式的風機來說，當以上這種偏離度到達10%時，風機的運行效率會下降8%左右；當偏離度分別達到20%和30%時，風機的運行效率會下降20%和30%以上，這種情況對于采用風門調節(jié)方式的風機來說不可避免。提高風機本身的調節(jié)方式就是提高風機運行效率的一種有效方法。圖1就是離心式風機在不同的調節(jié)方式下相關能耗特性曲線：

3 斬波內饋調節(jié)技術在風機節(jié)能調節(jié)中的實際應用

攀枝花鋼城集團米易白馬球團有限公司于2012年對三臺高壓風機進行了節(jié)能技術的改造，在設計時選取了高壓斬波內饋電機用來進行節(jié)能控制，通過控制電機的轉速來實現對風量的調節(jié)。這種方法使由風機入口處的擋板記錄產生的阻力大大降低，進而避免了能量的損耗，同時由于轉速的降低，也使風機本身的耗電量大大減少。同時，在電機中安裝斬波內饋調速裝置實現了對電機軟啟動的控制，很好地解決了節(jié)流運行過程中和大功率電機的直接啟動可能出現的問題。下表1代表著采用新技術后能耗的對比：

4 結語

實踐證明，和傳統(tǒng)的高壓變頻技術相比，斬波內饋調速這項技術不僅調速效率更高，而且造價低廉、結構簡單、投資回收期更短，具有很強的經濟性和實用性，是實現風機節(jié)能的一種有效手段，具備很大的潛力。隨著我國經濟水平的進一步提高，人們對于節(jié)能的意識也隨之得到了增強，斬波內饋調速這項技術在未來勢必會有很好的發(fā)展前景。

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作者簡介：陳武強（1981-），男，四川彭州人，攀枝花鋼城集團米易白馬球團有限公司助工，研究方向：電氣冶金。

（責任編輯：陳 倩）