內(nèi)容摘要：重點介紹內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速裝置的原理、性能特點及運(yùn)行情況總結(jié)

關(guān)鍵詞：送引風(fēng)機(jī)  高壓變頻  內(nèi)反饋斬波  節(jié)能 

內(nèi)反饋式高頻斬波調(diào)速裝置在熱電聯(lián)產(chǎn)項目中的應(yīng)用

邢一德 

（福建永安智勝化工有限公司   366013）

前言

   我公司新上的12MW熱電聯(lián)產(chǎn)裝置工程，配置的鍋爐為DG75-5.3-Ⅱ1型循環(huán)流化床鍋爐，其引風(fēng)機(jī)（電機(jī)功率為400ＫＷ，電壓為６ＫＶ、額定轉(zhuǎn)速1000rpm）、一次風(fēng)機(jī)（電機(jī)功率為450ＫＷ，電壓為６ＫＶ，額定轉(zhuǎn)速1500rpm）均采用了內(nèi)反饋高頻斬波交流調(diào)速裝置（型號：SSC-F5060-400、SSC-F5060-450）。該裝置在運(yùn)行過程中可根據(jù)工況需要對風(fēng)壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。投運(yùn)半年多的生產(chǎn)實踐證明，該裝置具有調(diào)速精度高、設(shè)備運(yùn)行安全可靠、節(jié)電效果明顯等優(yōu)點。

1 調(diào)速方案的比較

    目前成熟的異步電機(jī)調(diào)速方式有電磁調(diào)速、液力偶合器調(diào)速、液態(tài)電阻調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速和內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速。而國內(nèi)熱電廠主要采用液力偶合調(diào)速，目前正在逐步推廣使用高壓變頻調(diào)速。以下簡單比較液力偶合和高壓變頻器調(diào)速用在熱電廠送引風(fēng)機(jī)上使用的優(yōu)缺點。

1.1液力偶合調(diào)速

    液力偶合器的優(yōu)點為技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠。但存在以下缺點：

1.1.1從效率上來講， 液力偶合屬于低效調(diào)速（最高效率只有87％）。

1.1.2液力耦合器本身存在轉(zhuǎn)差，一般在10％左右。電機(jī)就無法達(dá)到全載輸出，系統(tǒng)效率較低。以我廠引風(fēng)機(jī)為例，電機(jī)功率為400kw，若選用液力偶合調(diào)速，輸出功率損失約為40kw。

1.1.3由于液力耦合器屬于機(jī)械調(diào)速，損耗較大，密封圈及軸承損壞情況較為普遍，一旦發(fā)生故障，處理時間較長。 

1.2高壓變頻調(diào)速

    變頻調(diào)速是現(xiàn)代化電氣傳動的主要發(fā)展方向之一，它具有良好的節(jié)能效果和優(yōu)越的調(diào)速性能。高壓變頻器的原理就是定子側(cè)6KV或10KV直接變頻調(diào)速，它的輸入側(cè)經(jīng)主電源變壓器接高壓電網(wǎng)，輸出側(cè)接高壓電動機(jī)。該方案的優(yōu)點為： 

1.2.1.1調(diào)速范圍寬，能在0～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速性能好，啟動平穩(wěn)，電流可限制在額定值內(nèi)。

1.2.1.2可使用各種交流電機(jī)（同步、永磁、繞線異步機(jī)等）。

1.2.1.3網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)高（異步機(jī)的無功不會通過交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)到輸入整流側(cè)），效率高。

它的不足為：

1.2.2.1電壓高，電流小，給變頻器出了個難題，電壓高要求電力電子器件串聯(lián)數(shù)多，電流小造成器件電流能力得不到充分利用，并且電機(jī)定子全部功率流過變頻器，變頻器及變壓器的容量至少按100%功率選取，容量大，使得變頻器價格猛升至2000～3000元/KW，用戶很難接受。

1.2.2.2由于功率器件多，致使線路復(fù)雜，可靠性受影響。為了安全隔離及減小網(wǎng)側(cè)諧波，輸入側(cè)需要一臺多副邊移相變壓器，體積、重量大，接線復(fù)雜。

1.2.2.3我國高壓變頻器事業(yè)正在發(fā)展，但它尚處于起步階段，做的比較好的也還是小容量的變頻器，大容量變頻器國內(nèi)可靠性還得不到保證。現(xiàn)在大容量采用的大多數(shù)是進(jìn)口的如美國羅賓康（ROBICON）公司變頻器、德國西門子公司的SIMOVERT MV中壓變頻器、瑞典ABB公司的ACS1000系列變頻器，進(jìn)口變頻器如不特殊要求也無帶旁路裝置，這就造成一旦變頻器故障生產(chǎn)得不到保證，況且進(jìn)口設(shè)備維護(hù)是最大的問題。若熱電廠送引風(fēng)機(jī)這樣核心設(shè)備故障停機(jī)時，將對企業(yè)造成巨大損失。

2 內(nèi)反饋高頻斬波交流調(diào)速技術(shù)

    SSC-F5000系列高壓交流調(diào)速裝置與相應(yīng)的YRCT系列高壓內(nèi)反饋調(diào)速三相異步電動機(jī)配套組成無級調(diào)速系統(tǒng)，非常適用于拖動水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)載，可實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，屬高效節(jié)能機(jī)電一體化產(chǎn)品，對于變化的負(fù)載，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速，節(jié)電率可達(dá)20%--70%。

2.1內(nèi)反饋式高頻斬波(IGBT)調(diào)速系統(tǒng)原理

    該系統(tǒng)采用內(nèi)反饋三相異步電動機(jī)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟妷海?dāng)斬波器導(dǎo)通時轉(zhuǎn)子電流被斬波器短路，形成軸功率；當(dāng)斬波器開路時，轉(zhuǎn)子直流電流經(jīng)有源逆變器反饋到電機(jī)反饋繞組，形成轉(zhuǎn)差功率，通過改變斬波器的斬波開關(guān)的占空比即能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速（見圖1）。

該裝置的關(guān)鍵技術(shù)為電機(jī)的高壓變流控制技術(shù)。內(nèi)反饋電機(jī)旨在加強(qiáng)電機(jī)調(diào)速內(nèi)因而在電機(jī)定子上設(shè)計了多繞組，從而去掉了龐大的變壓器的體積，極大的提高了效率。高頻變流控制是實現(xiàn)內(nèi)饋調(diào)速的最重要的關(guān)鍵技術(shù)，從根本上解決了逆變器可靠性和功率因數(shù)低等諸多問題。通過高頻斬波占空比的調(diào)節(jié)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而逆變器的逆變角恒定在25°左右不變，其功率因數(shù)恒定為0.92。斬波控制容量僅為電機(jī)容量的35%，所控電壓均為1000V以下的低電壓，且無須外附任何變壓器和濾波器。調(diào)速裝置諧波量僅為移相控制的三分之一。

    該技術(shù)的使用，解決了許多高壓變頻器難以解決的問題，如器件耐壓和大容量問題，使電壓等級高達(dá)10KV（甚至更高電壓），電機(jī)的容量達(dá)到4000KW以上的電機(jī)無級調(diào)速得以實現(xiàn)，確實實現(xiàn)了高可靠性、高效率、高功率因數(shù)、低諧波量的理想調(diào)速系統(tǒng)。

2.2內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速節(jié)能原理

    異步感應(yīng)式電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n是由現(xiàn)下式?jīng)Q定的：n=60f(1-s)/p；其中：f是電源頻率，s是轉(zhuǎn)差率，p是極對數(shù)。

改變其中的任何一個參數(shù)都可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。

改變極對數(shù)p：可以實現(xiàn)有級調(diào)速，但是要改變極對數(shù)是很難的，在實際運(yùn)用中基本上不用變極調(diào)速。

改變電源頻率f:可以實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，裝置容量是電機(jī)容量的1.1倍以上，調(diào)速范圍在0－100％之間。裝置容量是電機(jī)容量的1.1倍以上，調(diào)速范圍在0－100％之間。

    改變轉(zhuǎn)差率s:可以實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，調(diào)速范圍在50％－100％之間。內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速就是改變轉(zhuǎn)差率s來實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。

所謂節(jié)能，只要在額定速度以下調(diào)速運(yùn)行就可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。但節(jié)能的多少要和用戶的實際工藝要求相結(jié)合。

由流體動力學(xué)可知，流量Q∝n,壓力H∝n2,電機(jī)功耗N∝n3。

當(dāng)流量由額定值Q0降至Q1時，與額定功耗N0比較,采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電機(jī)功耗為：Nt=(n1/n0)3N0。

如流量由100％降到50％，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)降到50％，壓力降到25％，而電機(jī)功耗降到12.5%，也就是節(jié)約電能87.5％。扣除風(fēng)門調(diào)節(jié)時的功耗與額定功耗的差以及轉(zhuǎn)速下降可能會引起電機(jī)和風(fēng)機(jī)的效率下降等因素，但是節(jié)電效果也是非常顯著的。

2.3內(nèi)反饋式高頻斬波(IGBT)調(diào)速系統(tǒng)突出的特點

    SSC-F5000系列高頻斬波調(diào)速裝置是與高壓電動機(jī)配套的高效電力電子調(diào)速產(chǎn)品，適用于內(nèi)反饋三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制。該裝置中的整流器、斬波器、逆變器等電力電子器件均采用國際上成熟先進(jìn)的熱管散熱技術(shù)；控制部分安裝了具有智能大功率IGBT模塊，采用PWM調(diào)節(jié)技術(shù)，配合固定逆變角的晶閘管（SCR）有源逆變器，從而有效提高了系統(tǒng)的功率因素并加強(qiáng)了可靠性，使系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)性能和調(diào)速范圍大為提高。本裝置配備的新型大屏幕觸摸屏和進(jìn)口高速可編程控制器（PLC），使得操作直觀方便，參數(shù)設(shè)定靈活準(zhǔn)確，可以實現(xiàn)計算機(jī)遠(yuǎn)程通訊。

2.3.1 極寬的調(diào)速范圍

    該裝置率先采用德國原裝智能IGBT，組成高頻PWM斬波器，調(diào)速范圍很寬為50％～100％，覆蓋了所有水泵風(fēng)機(jī)類設(shè)備的調(diào)速要求，而且運(yùn)行平穩(wěn)。克服了以往采用可控硅制作的斬波器工作頻率只有600HZ、由于存在換向死區(qū)而導(dǎo)致調(diào)速范圍小（只有70％～93％）的弊端。 

2.3.2極高的可靠性

    該裝置采用的是IGBT自關(guān)斷器件，僅需1只功率模塊組件即可完成斬波器的所有功能，排除了換流容易失敗的致命弱點，因而工作極為可靠。

    其次該產(chǎn)品中逆變器的逆變角恒定在25°左右不變，其功率因數(shù)恒定為0.92，消除了以往產(chǎn)品變化逆變角來調(diào)速可能帶來的逆變顛覆的缺陷。

    由于該斬波控制容量僅為電機(jī)容量的35%，所控電壓均為1000V以下的低電壓，解決了許多高壓變頻器難以解決的問題，如器件耐壓和大容量問題，使電機(jī)電壓等級高達(dá)10KV（甚至更高電壓），從而大大提高了產(chǎn)品的整體可靠性。 

2.3.3全數(shù)字化控制

    內(nèi)置高品質(zhì)進(jìn)口西門子小型可編程序控制器（PLC），對系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化管理。克服了以往采用模擬控制的復(fù)雜性，且內(nèi)部接線簡單明了,可擴(kuò)展能力強(qiáng)。

2.3.4采用最新型大屏幕液晶觸摸式人機(jī)界面

    該裝置具有強(qiáng)大的自診斷功能及歷史數(shù)據(jù)記錄，界面豐富友好，員工操作直觀、方便，一學(xué)就會，而且大量的信息資料隨時可查。克服了以往設(shè)備故障分析查證難，處理故障時間長的弊端。

2.3.5實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)

    由于采用了數(shù)字化計算機(jī)控制的PLC和人機(jī)界面，可以通過RS232和RS485與上位機(jī)通信，還可以根據(jù)建立多個主從站以方便遠(yuǎn)程操作及監(jiān)控，同時可根據(jù)工藝生產(chǎn)要求編制工藝程序并進(jìn)行組態(tài)。

2.3.6帶電可檢修

    帶電無擾動檢修的操作功能，可在電動機(jī)不停車的情況下將高頻斬波調(diào)速裝置檢修，使整機(jī)使用時的可靠性大大地提高。

2.3.7 功率因數(shù)Cosφ高

    目前內(nèi)反饋串級調(diào)速經(jīng)歷了三代產(chǎn)品:

    第一代為貫通式移相觸發(fā)式內(nèi)反饋調(diào)速裝置；

    第二代為可控硅斬波內(nèi)反饋調(diào)速裝置Cosφ較小；

    第三代為內(nèi)饋式高頻斬波調(diào)速（用可關(guān)斷器件IGBT來提高功率因數(shù)Cosφ0.8-0.9）。

    對于第一二代的內(nèi)反饋調(diào)速裝置，有源逆變器輸出電壓中含有高次諧波成分，對電網(wǎng)電源產(chǎn)生不良影響，會造成補(bǔ)償電力電容器過熱。

    內(nèi)饋式高頻斬波調(diào)速裝置的諧波分量僅為普通貫通式內(nèi)反饋調(diào)速裝置的30％，所以第三代內(nèi)反饋調(diào)速裝置為功率因數(shù)高，諧波分量小的理想產(chǎn)品。

2.3.8諧波含量小

    依靠反饋繞組的短矩、分布及角形連接，基本抵消了5次諧波，大大削弱了7次諧波，3次及3次倍數(shù)諧波僅在反饋繞組內(nèi)部流動，有效抑制了諧波對電網(wǎng)的污染。

2.3.9 DSP（計算機(jī)芯片）數(shù)字電流、速度雙閉環(huán)控制

    電流閉環(huán)控制的目的是控制電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小，也就是控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而控制速度。轉(zhuǎn)子電流的大小，是通過高頻斬波環(huán)節(jié)，改變占空比的值，對轉(zhuǎn)子整流電流Id的控制來實現(xiàn)的。電流閉環(huán)的有關(guān)計算與調(diào)節(jié)由DSP完成。控制圖（見圖2）：

 圖中To-------由占空比生成環(huán)節(jié)與電流反饋濾波環(huán)節(jié)綜合在一起的等效小慣量時間常數(shù)。

    SE20-----轉(zhuǎn)子電勢

    Ta-------轉(zhuǎn)子電路等效電阻L和斬波電路等效電感R的商，即L/R。

    Uc-------電容器電壓

    S--------轉(zhuǎn)差率

    速度閉環(huán)是在電機(jī)軸上安裝磁性測速砝碼盤，依據(jù)脈沖輸入，DSP計算出電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。控制圖（見圖3）：

 圖中 T∑------由電流閉環(huán)等效時間常數(shù)與測速濾波環(huán)節(jié)綜合在一起的等效小慣量時間常數(shù)。

      Tq-------電機(jī)啟動時間常數(shù)。

    速度閉環(huán)和電流閉環(huán)解決了開路控制造成的電流波動和速度波動、解決了因波動造成轉(zhuǎn)子過電流而導(dǎo)致跳全速的問題，使得高頻斬波調(diào)速在實際運(yùn)行中更平穩(wěn)，更可靠。

2.3.10頻敏變阻器平滑啟動和故障轉(zhuǎn)全速時平滑轉(zhuǎn)全速。

    此裝置啟動時采用了可靠、成熟的液態(tài)電阻頻敏變阻器，能把啟動電流很好的控制在2.5倍額定定子電流以內(nèi)。能在故障轉(zhuǎn)全速時平滑投入，而使電機(jī)在轉(zhuǎn)全速時沖擊電流的過流沖擊控制在2.5倍額定電流以內(nèi)。

2.3.11 控制電源采用2備1用，能在路電源故障時自動切換

    2備電源分別從反饋繞組經(jīng)過變壓器和高壓柜直流控制電源得到，能在正常380V控制的電源故障時自動切換而保護(hù)設(shè)備。

2.3.12 IGBT保護(hù)柜控制了它的過流

    裝置擁有的IGBT保護(hù)部份使得在整流和斬波部分過來的過電流和過電壓能通過控制IGBT分別在放電回路溢流過流和關(guān)斷去逆變器的電壓，有效的保護(hù)了電機(jī)和裝置的模塊不被燒毀。

3 使用效果及維護(hù)要求

    該裝置從2006年7月1日投入使用以來，由于具有調(diào)速精度高、設(shè)備運(yùn)行安全可靠、節(jié)電效果明顯等優(yōu)點，為我公司熱電聯(lián)產(chǎn)項目的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造條件。

3.1節(jié)電效果

    一般電力行業(yè)鍋爐送引風(fēng)機(jī)均設(shè)計了30%左右的余量，用高頻斬波調(diào)速能充分發(fā)揮它的節(jié)能效果，是企業(yè)節(jié)能降耗的重要手段。從我公司實際運(yùn)行中證明采用內(nèi)反饋斬波調(diào)速裝置比不采用時可節(jié)能約20%～50%；我公司兩臺風(fēng)機(jī)實際連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷為額定功率的70%，則一小時可節(jié)電255度，一年可節(jié)電204萬度，節(jié)電效果非常顯著，調(diào)速裝置的投資在一年時間內(nèi)就可收回，大大降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。

3.2運(yùn)行環(huán)境要求

    裝置在整流部分有強(qiáng)大的濾波電路來抑制整流部分的毛毛刺（用示波器觀察這些濾波電路，證明它消除毛毛刺是很成功的，附整流、斬波、逆變部分的波形），而這部分的電容和電阻散發(fā)的熱量會造成整個控制柜的電力室溫度過高，溫度高反過來影響裝置的電力電子元器件和IGBT模塊和可控硅模塊的壽命。為了解決這個問題，我公司擬加裝1臺5匹的空調(diào)來滿足它的運(yùn)行環(huán)境要求。 

3.3日常維護(hù)工作要求

    本裝置保護(hù)比較全面，基本有什么故障都能在人機(jī)界面顯示，因此日常維護(hù)工作比較簡單，主要是巡檢人機(jī)界面上電流、電壓值是否異常，是否有什么報警；測量各斷路器溫度是否異常；測量各模塊和器件溫度是否異常；檢查液態(tài)電阻液位和溫度是否正常。如有故障可以轉(zhuǎn)全速不停機(jī)打到檢修位置進(jìn)行檢修。檢修關(guān)鍵要有備件，因此現(xiàn)場的備件要求廠家必須給備全。

4  結(jié)束語

    內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速裝置具有技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定和節(jié)能效果明顯等優(yōu)勢，采用該裝置即使調(diào)速器出現(xiàn)故障時會自動平滑轉(zhuǎn)全速而不影響生產(chǎn)。該裝置在我公司的應(yīng)用是成功的，類似送引風(fēng)機(jī)等調(diào)速性能不高、調(diào)速范圍不寬的風(fēng)機(jī)，采用高頻斬波調(diào)速裝置，性價比高值得大力推廣和應(yīng)用。 

參考文獻(xiàn)

      [1]陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社第2版，1997

      [2]高頻斬波調(diào)速裝置技術(shù)文件。上海科祺調(diào)速電氣有限公司2005. 7 

文章作者：邢一德