高频斩波串级调速系统在水泥厂的应用

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：