作者 ：保定華仿電控有限公司 馬士英 摘要 ：高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)是應用于高壓大容量異步電動機節(jié)能調(diào)速領域的一種比較先進的調(diào)速系統(tǒng)。本文介紹了水泥廠風機應用高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的技術經(jīng)濟分析。 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. 關鍵詞： 高頻斬波串級調(diào)速 風機 節(jié)能 調(diào)速 1 引言 風機和水泵在國民經(jīng)濟各部門中應用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關部門的統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機的耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。 眾所周知，風機、水泵設備是用來輸送氣、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)流方式實現(xiàn)。由于用閥門或擋板調(diào)節(jié)時存在節(jié)流損失，而且節(jié)流增大了管阻，泵和風機往往運行在低效區(qū)，加上泵和風機的能耗特性，造成這種調(diào)節(jié)方式的效率很低。據(jù)統(tǒng)計，全速節(jié)流調(diào)節(jié)方式的平均運行效率不到45%。我國有近一半的發(fā)電量被風機、水泵所消耗，年耗電量達2萬多億kW·h，而設備的平均運行效率不到45%，比國際水平低20％，存在著嚴重的能量浪費。因此采用高效節(jié)能的運行方式利國利民、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窯尾風機上應用了高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)，下文即對應用情況進行介紹和分析。 2 SEC高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的原理和主要功能 2.1 SEC系列高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的原理 串級調(diào)速，即在轉子回路中串入可吸收轉差功率的附加電動勢，通過改變附加電動勢的大小，來達到改變轉子電流,進而改變電磁轉矩和轉速的目的。轉速在低于同步轉速下調(diào)整,同時將轉子回路的轉差功率回收，達到高效節(jié)能目的。 當在轉子回路引入附加電動勢Ef時的等效電路如圖1所示： [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 由此可見，改變附加電動勢Ef的大小，就可相應改變電機的電磁轉矩的大小，進而改變電機的轉速。 SEC高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)由啟動單元、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 設備構成 2.2.1 啟動單元 啟動單元由頻敏變阻器（PF）、接觸器1KM、接觸器2KM構成。大型電動機,特別是繞線式電動機,起動電流較大,啟動時對電網(wǎng)造成較大的沖擊。為減少起動電流,使電機平穩(wěn)起動，在高頻斬波串級調(diào)速裝置中,加設了自動切換的起動裝置。在電機起動時,1KM閉合,2KM打開,電機轉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系,當電機起動時,電機轉速為零,轉子電流頻率最高,為工頻頻率,此時頻敏變阻器阻值也較高,從而限制了起動電流。隨著電機轉速的增加,轉子電流頻率逐漸減少,頻敏變阻器阻值也逐漸減小。當電機定子電流低于設定的允許值時,裝置自動將2KM閉合,切除頻敏變阻器,完成起動過程。 2.2.2 整流單元 整流單元為三相全波整流，將轉子電流轉換為直流電流。保護用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元件實現(xiàn)，使得斬波頻率進一步提高，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)斬波器導通時間與斬波周期的比率（即占空比或PWM脈寬調(diào)制），來改變串入轉子回路的等效電勢的大小，從而改變轉子電流和轉差率，達到調(diào)節(jié)電機轉速的目的。同時通過逆變變壓器將轉差功率吸收并回饋至電網(wǎng)，使得系統(tǒng)功耗達到最小。 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,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，將經(jīng)斬波控制后的轉差功率逆變至內(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)的對觸發(fā)脈沖和換相要求嚴格、脈沖移動范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點。同步信號取自內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號，具有抗干擾、多重數(shù)字鎖相、自動配相等功能。 控制單元：控制部分由控制箱、電源及自檢箱構成。其核心由單片機和快速可編程邏輯器件組成。主要功能包括： （1）對IGBT、保護用SCR及有源逆變器的脈沖控制及PWM調(diào)制。 （2）實現(xiàn)裝置所有的自動控制和閉鎖邏輯; （3）所有保護的測量、整定、邏輯、報警及出口; （4）系統(tǒng)運行有關的操作、顯示、報警等信息的處理及指示; （5）實現(xiàn)裝置與外部系統(tǒng)的通訊管理; （6）裝置參數(shù)整定和實驗等輔助功能; （7）控制箱可通過觸式鍵盤實現(xiàn)就地操作，包括運行、停止、全速、調(diào)速、自檢、自動/手動、開環(huán)/閉環(huán)、遠方/就地等與運行有關的操作。同時通過菜單方式，可對裝置基本參數(shù)及運行模式進行設置; （8）為滿足控制室集中控制的需要，可在遠方進行與裝置運行有關的操作; （9）系統(tǒng)保留有與上級計算機網(wǎng)絡、PC機等進行通訊的端口。 3 高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)在水泥廠中的應用情況 騰輝廣安水泥有限公司＃1窯尾風機和＃2窯尾風機電機的高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)改造分兩期進行，分別于2005年9月和2006年7月投入運行，其間相關人員對該系統(tǒng)進行跟蹤監(jiān)測，并對部分數(shù)據(jù)進行了重點測試。下面就＃1窯尾風機電機的高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)改造情況作一介紹。 3.1 電機和調(diào)速系統(tǒng)參數(shù) （1）電機參數(shù) 電機型號：JRQ157-10; 制造廠：上海電機廠; 額定功率：260kW; 額定轉速：588r/min; 額定電壓：6kV; 額定電流：33A; 轉子開口電壓：417V; 轉子額定電流：399A。 （2）調(diào)速裝置參數(shù) 設備型號：SECY01-6/260/10; 制造廠：保定華仿電控有限公司; 電機額定容量：260kW; 電機額定電壓：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 測試結果 該系統(tǒng)的部分測試結果如附表所示： 3.3 測試結果分析 （1）調(diào)速狀態(tài)時的節(jié)電率和年節(jié)電量 ● 節(jié)電率（％）： 按（P0-P1）/P0＊100%公式計算,實測各占空比對應全速的節(jié)電率，其中：P0為滿負載時實測有功功率，P1為調(diào)速時實測有功功率，結果見附表。 實際系統(tǒng)經(jīng)常運行在470r/min左右，其實際運行的節(jié)電率約為50％?？梢姽?jié)點效果非常明顯。 ● 年節(jié)電量（kW·h）: 按年運行300天核算，則年節(jié)電量： =260×300×24×節(jié)電率％，結果見附表。 系統(tǒng)實際經(jīng)常運行在470r/min左右,按節(jié)電率50％計算，則這一臺260kW電機實際的年節(jié)電量可達： 260×300×24×50％＝936000kW·h。 （2）轉速控制精度 實測轉速的控制精度很高,基本都在99.9%或99.8%,亦即轉速誤差<0.2%。 （3）轉速與占空比的關系 可以看出，轉速隨占空比減小而減小，且基本呈線性變化。 （4）電機溫度與轉速的關系 可以看出，電機溫度隨轉速減小而降低。 4 該系統(tǒng)的技術特點 （1） 具有良好的調(diào)速機械特性和節(jié)能特性； （2） 由于串級調(diào)速是在電機轉子側施加控制，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/遠方、實驗/工作、全速/調(diào)速、SEC/DCS控制）可互相轉換; （5） 系統(tǒng)具有多種保護功能,如轉子過流、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、頻敏保護、溫度保護等; （6） 具有系統(tǒng)自檢功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)主要器件和單元的自檢試驗； （7） 系統(tǒng)具有自診斷功能，可對接觸器、高壓開關、高壓電源、快熔、頻敏等設備監(jiān)測；泵/風機等負載狀態(tài)監(jiān)測；工作電源、直流過流、過壓、低電壓、失波、IGBT過流、溫度保護自動診斷，保證系統(tǒng)的可靠運行。 5 結論 （1）高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)裝置運行可靠，節(jié)能效果明顯，已達到項目實施目的。 （2）節(jié)電率 節(jié)電率隨轉速下降而增長,轉速越低節(jié)能效果越明顯。 （3）調(diào)速的平穩(wěn)性與連續(xù)性 該電機采用頻敏變阻器啟動方式，啟動電流小，電機啟動的沖擊小。電機由全速轉調(diào)速狀態(tài)時，電機轉速由最高轉速平滑降至設定轉速，電機轉速變化連續(xù)性、平穩(wěn)性好。同時調(diào)速系統(tǒng)溫升不高，運行穩(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。調(diào)速控制裝置運行穩(wěn)定，抗干擾能力強。 （5）電機溫升 電機溫度在64～68℃之間，在正常范圍之內(nèi)。由此可見，電機運行穩(wěn)定可靠。 6 結束語 高頻斬波串級調(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,運行一直穩(wěn)定可靠,節(jié)能效果非常明顯。實踐證明,該系統(tǒng)調(diào)速效率高,設備結構簡單,投資回收期短。確實不失為一種較好的調(diào)速方法,具有很強的實用性和經(jīng)濟性。 目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，其關鍵還是制造成本的競爭。而電動機電耗就占成本近30％，拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。