高频斩波串级调速系统在水泥厂的应用

高频斩波串级调速系统在水泥厂的应用
保定华仿电控有限公司 马士英
摘要：高频斩波串级调速系统是应用于高压大容量异步电动机节能调速领域的一种比较先进的调速系统。本文介绍了水泥厂风机应用高频斩波串级调速系统的技术经济分析。
关键词：高频斩波串级调速  风机  节能  调速

Abstract: 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 system assembly with high frequency chopper that had been applied to fan.
Key words:  Cascade speed control system assembly with high frequency chopper, fan, Speed control, Energy saving

前言
风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机的耗电量约占全国电力消耗总量的40％左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。
我们知道，风机、水泵设备是用来输送气、水等流体物质的，很多的情况下，这些流体的流量需要调节控制。在我国，流体流量的调节大多采用为阀门或挡板控制即所谓的全速节流方式实现。由于用阀门或挡板调节时存在节流损失，而且节流增大了管阻，泵和风机往往运行在低效区，加上泵和风机的能耗特性，造成这种调节方式的效率很低。据统计，全速节流调节方式的平均运行效率不到45%。我国有近一半的发电量被风机、水泵所消耗，年耗电量达2万多亿千瓦时，而设备的平均运行效率不到45%，比国际水平低20％，存在着严重的能量浪费。因此采用高效节能的运行方式利国利民、势在必行。
2005年9月和2006年7月，四川广安腾辉水泥有限公司分别在＃1和＃2窑尾风机上应用了高频斩波串级调速系统，下文对应用情况进行了介绍和分析。
一、 SEC高频斩波串级调速系统的原理和主要功能
1） SEC系列高频斩波串级调速系统的原理
    串级调速，即在转子回路中串入可吸收转差功率的附加电动势，通过改变附加电动势的大小，来达到改变转子电流,进而改变电磁转矩和转速的目的。转速在低于同步转速以下调整,同时将转子回路的转差功率回收，达到高效节能目的。
当在转子回路引入附加电动势 时：
其转子电流为：                           (1-1)
其中：  为转子感应电势； 为转子电阻； 为转子电抗；s为转差率。
电机的电磁转矩：   
=           (1-2)
其中： 为转矩常数； 为磁通； 为转子电流； 为转子功率因数。
 由此可见，改变附加电动势Ef的大小，就可相应改变电机的电磁转矩的大小，进而改变电机的转速。
 
图1-1 转子串入等效电势时等效电路
SEC高频斩波串级调速系统的原理如图1－2所示。该系统由启动单元、整流器单元、斩波单元和有源逆变单元组成的。逆变单元的逆变角固定在最小值，产生一恒定的最大附加直流反电势，而等效电势大小的调节由斩波器来完成。
 
图1-2  SEC高频斩波串级调速系统原理图(外反馈式)
启动单元：启动单元由频敏变阻器(PF)、接触器1KM、接触器2KM构成。大型电动机，特别是绕线式电动机，起动电流较大,启动时对电网造成较大的冲击。为减少起动电流，使电机平稳起动，在高频斩波串级调速装置中，加设了自动切换的起动装置。在电机起动时，1KM闭合，2KM打开，电机转子串入三相频敏变阻器PF。频敏变阻器的电阻与流过的电流的频率成正比关系，当电机起动时，电机转速为零，转子电流频率最高，为工频频率，此时频敏变阻器阻值也较高，从而限制了起动电流。随着电机转速的增加，转子电流频率逐渐减少，频敏变阻器阻值也逐渐减小。当电机定子电流低于设定的允许值时，装置自动将2KM闭合，切除频敏变阻器，完成起动过程。
整流单元：整流单元为三相全波整流，将转子电流转换为直流电流。保护用SCR也安装在整流单元中。
斩波单元：系统的斩波控制采用IGBT元件实现，使得斩波频率进一步提高，直流电流更为平稳，系统体积更小、更为紧凑。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率（即占空比或PWM调制脉宽），来改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的。同时通过逆变变压器将转差功率吸收并回馈至电网，使得系统功耗达到最小。
将逆变器的逆变角固定在最小，获得最大反电势：
         U1 = 1.35 U2 cosβmin
通过PWM调制斩波电子开关，调节等效反电势的大小：
         U = U1(1－k)＝1.35 (1－k) U2 cosβmin
式中k —— 占空比
逆变单元：逆变部分为三相全桥有源逆变器，装置工作于调速状态时，将经斩波控制后的转差功率逆变至内反馈绕组或逆变变压器。逆变触发角为最小的固定值，克服了移相触发的对触发脉冲和换相要求严格、脉冲移动范围大、抗干扰能力差、易颠覆、功率因数低等缺点。同步信号取自内反馈绕组或逆变变压器的电压信号，具有抗干扰、多重数字锁相、自动配相等功能。
控制单元：控制部分由控制箱、电源及自检箱构成。其核心由单片机和快速可编程逻辑器件组成。主要功能包括：
u 对IGBT、保护用SCR及有源逆变器的脉冲控制及PWM调制。
u 实现装置所有的自动控制和闭锁逻辑。
u 所有保护的测量、整定、逻辑、报警及出口。
u 系统运行有关的操作、显示、报警等信息的处理及指示。
u 实现装置与外部系统的通讯管理。
u 装置参数整定和实验等辅助功能。
u 控制箱可通过触式键盘实现就地操作，包括运行、停止、全速、调速、自检、自动/手动、开环/闭环、远方/就地等与运行有关的操作。同时通过菜单方式，可对装置基本参数及运行模式进行设置。
u 为满足控制室集中控制的需要，可在远方进行与装置运行有关的操作。
u 系统保留有与上级计算机网络、PC机等进行通讯的端口。
二、高频斩波串级调速系统在水泥厂中的应用情况
腾辉广安水泥有限公司＃1窑尾风机和＃2窑尾风机电机的高频斩波串级调速系统改造分两期进行，分别于2005年9月和2006年7月投入运行，其间相关人员对该系统进行跟踪监测，并对部分数据进行了重点测试。下面就＃1窑尾风机电机的高频斩波串级调速系统改造情况作一介绍。
（一）电机和调速系统参数
1）电机参数
电机型号：JRQ157-10           制造厂：上海电机厂
额定功率：260kW              额定转速：588 r/min
额定电压：6kV                 额定电流：33A
转子开口电压：417V            转子额定电流：399A
2）调速装置参数
设备型号：SECY01-6/260/10     制造厂：保定华仿电控有限公司
电机额定容量：260kW          电机额定电压：6kV
额定直流电压：350V            额定直流电流：490A
调速范围：280～588r/min        逆变变压器容量：180VA
（二）测试结果
该系统的部分测试结果如下表所示：
表1广安腾辉水泥有限公司＃1窑尾风机高频斩波串级调速系统测试数据
占空比（%） 90 80 60 30 11
转速（r/min） 557 526 468 383 329
速度精度（％） 99.9% 99.9% 99.8% 99.8% 99.8%
定子电流（A） 19.6 19.1 16.6 14.8 13.8
线圈温度（°C） 54 51 48 46 44
有功功率（kW） 216.8 182.5 128.6 70.5 44.7
节电率（%） 16.62 29.81 50.54 72.88 82.81
年节电量（kWh） 311126.4 558043.2 946108.8 1354313.6 1550203.2
（三）测试结果分析
1）调速状态时的节电率和年节电量：
节点率（％）：
按(P0-P1)/P0*100%公式计算,实测各占空比对应全速的节电率， 其中：P0为满负载时实测有功功率，P1为调速时实测有功功率。结果见表1。
实际系统经常运行在470 r/min左右，其实际运行的节点率约为50％。可见节点效果非常明显。
年节电量(kWh)：
按年运行300天核算，则年节电量＝260×300×24×节点率％。结果见表1。
系统实际经常运行在470r/min左右，按节点率50％计算，则这一台260kW电机实际的年节电量可达：260×300×24×50％＝936000kWh。
2） 转速控制精度
实测转速的控制精度很高，基本都在99.9%或99.8%，亦即转速误差<0.2%。
3）转速与占空比
可以看出，转速随占空比减小而减小，且基本呈线性变化。
4）电机温度与转速及占空比
可以看出，电机温度随转速减小而降低。
三、该系统的技术特点
u 具有良好的调速机械特性和节能特性。
u 由于串级调速是在电机转子侧施加控制，其控制电压低，系统可靠性高。
u 采用新型功率器件IGBT应用于斩波控制，使得系统简洁可靠，调速范围宽，调速精度高，自身功耗小，效率高。
u 多种操作控制模式(开环/闭环、就地/远方、实验/工作、全速/调速、 SEC/DCS控制)可互相转换。
u 系统具有多种保护功能，如转子过流、电流失恒；反馈过流、电流失恒、电压失恒；直流过流、过压、低电压（逆变颠覆）、失波、IGBT过流、快熔保护、频敏保护、温度保护等。
u 具有系统自检功能，实现了系统主要器件和单元的自检试验。
u 系统具有自诊断功能，可对接触器、高压开关、高压电源、快熔、频敏等设备监测；泵/风机等负载状态监测；工作电源、直流过流、过压、低电压、失波、IGBT过流、温度保护自动诊断，保证系统的可靠运行。
四、结论
1、高频斩波串级调速系统装置运行可靠，节能效果明显，已达到项目实施目的。
2、节电率：节电率随转速下降而增长，转速越低节能效果越明显。
3、调速的平稳性与连续性：
该电机采用频敏变阻器启动方式，启动电流小，电机启动的冲击小。电机由全速转调速状态时，电机转速由最高转速平滑降至设定转速，电机转速变化连续性、平稳性好。同时调速系统温升不高，运行稳定可靠。
4、调速的范围和精度：
调速的范围宽，调速精度高，可每次调整一转。调速控制装置运行稳定，抗干扰能力强。
5、电机温升
电机温度在64-68℃之间，在正常范围之内。由此可见，电机运行稳定可靠。
五、结束语
     高频斩波串级调速系统在广安腾辉水泥有限公司顺利投入生产以来，运行一直稳定可靠，节能效果非常明显。实践证明，该系统调速效率高，设备结构简单，投资回收期短。确实不失为一种较好的调速方法，具有很强的实用性和经济性。
目前，水泥行业的竞争非常激烈，其关键还是制造成本的竞争。而电动机电耗就占成本近30％，拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。高频斩波串级调速系统目前已经比较成熟，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的推广价值。

参考文献：
1、魏泽国，《可控硅串级调速的原理及应用》，冶金工业出版社
2、徐甫荣，《大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析》，国家电力公司热工研究院
3、《SEC系列高频斩波串级调速系统用户手册》，保定华仿电控有限公司