| 高壓斬波內饋調速技術在大連東山的應用 |
| 來源：互聯網 時間：2007-11-30 16:27:02 用手機瀏覽 |
前 言
能源是人類生存，社會發展的必要物資基礎，是國家的經濟命脈。長期以來，能源問題被認為是帶有戰略性的問題，受到普遍和高度重視。
隨著熱電工業的迅速發展和熱力電力系統商業化運營的競價上網的實施，能源消耗增加速度遠遠超過人口增長速度，是現代工業和科技高度發展的結果，而且煤、油、天然氣主要能源都是“非再生能源”節約能源勢在必行。節能方法的研究和應用被國家政府和學者引起高度重視，曾培炎副總理就“斬波”技術作了重要批示：“內饋調速”較“變頻調速”既節能又價廉，將會在很多領域得以應用，應組織行業鑒定，及時申請專利”。
就目前熱力公司、熱電企業內部挖潛，節能降耗，提高企業效益日顯重要。新建項目首先想到就是節能，斬波內饋交流調速是我國首創，具有獨立自主知識產權的高科技技術，產品經理論和實踐證明，它是優于高壓變頻調速的，其調速效率，功率因數，諧波電流等優于變頻，更主要的是經濟成本僅為變頻的1/3左右，通過在大連東山熱電的應用，取得了較好的節能效果，從而給企業帶來了巨大的經濟效益。
大連東山熱電有限公司供熱工程，于2002年開始施工，在項目選型上，當時考慮為變頻調速，經考察變頻器在高壓10KV上不能應用，經過反復調研，公司最終選用了保定北方調速有限公司生產的“斬波內饋調速系統”。斬波內饋調速技術在我廠的輔機應用如下：
1、斬波內饋交流調速系統構成
1.1 調速控制裝置構成；
（1） 調速控制裝置型號為ZNT-2000型；
（2） 起動整流柜、斬波逆變柜。
（3） 具有就地控制：啟動、停止、調速、全速切換功能；具有遠方控制；
（4） DCS自動控制接口，轉速指令信號4-20mA，轉速輸出信號4-20mA，自動/手動，調速控制ID信號。
1.2 斬波內饋調速電機
內饋調速電機的安裝尺寸與普通電機兼容，并與斬波控制裝置成為并聯關系，當調速控制裝置意外故障時，自動保護裝置可以自動將電機切換成恒速運行，不至于造成電機停運，提高了系統的可靠性。
2、斬波內饋調速系統基本原理
斬波內饋調速是一種以低壓（通常約為200-500V）控高壓（6KV-10KV）的高效率調速技術，突出特征在于“內饋”與“斬波”兩項高新技術的有機結合。
2.1 內饋調速及其功率控制原理
公式（2）表明，電機轉速可以通過電磁功率或損耗功率兩種控制獲得調節。電磁功率控制改變的是理想空載轉速，調速是高效率的；損耗功率控制增大轉速降，調速是低效率的。所有調速方法都歸屬于功率控制原理之中。這一原理便是內饋調速發明人屈維謙率先提出的“電機調速的功率控制理論”（即P理論）。
由于電磁轉矩在調速穩態時，取決于負載轉矩的大小，當負載轉矩一經為客觀的工況所確定之后，電磁轉矩就隨之被決定了，因此，電磁轉矩不僅與調速控制無關，而且不能隨意改變。動態轉矩對轉速的作用只表現在調速的過渡過程中，轉矩的變化是功率控制和轉速響應滯后的結果，在一定的功率控制作用下，動態轉矩隨轉速響應自動減小，直至新的負載平衡時為零。因此，電機轉速只能通過功率控制來實現。
內饋調速是基于轉子的高效率電磁功率控制調速，通過將轉子的部分功率（即電轉差功率）移出來，使轉子的凈電磁功率發生改變，于是根據P理論，電機轉速就相應得到控制。為了獲得高性能的調速，加強電機調速的內因，內饋調速在電機定子上另外設置了內饋繞組，用來接受電轉差功率，有源逆變器使內饋繞組工作在發電狀態，通過電磁感應將功率反饋給電機定子。使定子的有功功率基本與機械輸出功率相平衡，內饋調速因此而得名。與變頻調速相比，斬波內饋調速只是控制對象不同，兩者遵循的是同一原理，因此并不存在本質的區別。
圖1斬波內饋功率圓圖及系統圖
2.2 斬波的作用與意義
斬波器的作用相當于按一定的頻率、周期性地接通和關斷的高速開關。控制斬波的占空比，就可以實現對逆變電流的控制，也就是控制了反饋到內部內饋繞組的電流和功率，從而實現內饋調速。其意義在于：
(1) 使有源逆變器的功率因數可以高達0.9，且恒定不變。
(2) 逆變電流的諧波有效值可以降低到移相控制的15%左右。 使內饋電機的定子電流畸變小于5%。
(3) 有源逆變器的額定容量僅為電機容量的14.8%， 加上觸發簡單，使可靠性大為提高。
(4) 附加電源容量亦為電機容量的14.8%，對于內饋調速電機，可大大減小內饋繞組所占的鐵心空間，簡化工藝，降低成本。
3、斬波內饋調速系統的控制及運行方式
由于系統調速范圍及運行特性的需要，設置了頻敏變阻器啟動和調速停止方式。
（1）啟動時，直接控制高壓開關柜，電機經頻敏啟動，可以減小啟動電流并增大啟動轉矩。
（2）調速運行時，直流回路存在較大的電磁能量，如果直接停電，將產生過電壓使可控硅損壞。所以調速停車時，設置的邏輯控制會自動轉到全速后再停車。事故停電有斷電和過壓保護，防止了設備的損壞。
（3）該調速設備可以在不停機的情況下自檢。即設備可在全速運行狀態時，可以用低電壓小電流模擬調速運行，這樣可在不影響運行的情況下檢測斬波器和逆變器是否正常，給檢修帶來極大的方便。
（4）在集控室實現遠方操作。該方式與本機操作相同，且更加方便；
（5）DCS控制方式。遠方操作指令在給定4—20mA控制信號下實現穩定、平滑調速，并在出現斷線故障時能夠保持原來給定轉速，同時發出斷線報警信號。
4、系統可靠性
產品的可靠性一般指產品連續無故障運行時間和抑制故障自動保護能力。主要決定于原理和設計的可靠性；產品器件的可靠性；產品工藝的可靠性。
4.1 設計原理可靠性
這是非常重要的，特別是調速控制主電路，避免了電力電子器件的串并聯，實現低壓控制高壓；控制主電路力求簡單，可控電力電子器件盡量少，最大程度地保證產品可靠性。
采用斬波技術使有源逆變器的控制脈沖不再移動，而鎖定在最小逆變角，因此，可以采取諸如鎖相環等抗干擾電路，使有源逆變器的觸發脈沖非常可靠，基本解決了有源逆變器可靠性的一大技術難題。
4.2 故障兼容能力
任何控制設備都不可能有百分之百的完全可靠，提高系統可靠性的關鍵在于提高系統的故障兼容能力。
斬波內饋調速裝置與調速電機恒速運行裝置成為并聯關系，當調速控制裝置意外故障時，自動保護裝置可以自動將電動機切換成恒速運行，不至于造成電動機停運，此時，電動機只是不能調速而已，可將故障影響縮小到最小限度。
精心設計的DCS接口，全數字電路，具有256位的數模轉換，突加給定緩沖，輸入短線不影響調速運行等功能。系統由調速轉全速，不是回到起動狀態然后再轉入全速，而是自動在當前轉速基礎上平滑加速，待到轉速接近額定值時，自動轉入全速運行。避免了轉換沖擊。
4.3 電子器件
YQT型斬波內饋調速產品的主要電力電子器件晶閘管選用了進口產品；主要電器產品采用真空接觸器和進口繼電器；電子器件采用PLC可編程邏輯控制器進行程序控制，最大限度減小繼電器數量，產品可靠性得到提高。全部集成電路均采用進口器件。
4.4 工藝方面
完善的電力電子器件的檢測設備；完善的生產工藝和專用設施；精確合理的結構布局等等，都使得斬波內饋調速產品的可靠性對比高壓變頻調速和串級調速都有較大的優勢。
5、具體應用情況如下：
5.1 循環水泵電機
電機技術參數：銘牌：YQT2-450-4；電壓：10KV；額定電流：26.3A；功率：355KW；額定轉速：1480轉/分。
5.2 斬波內饋控制系統
ZNT-2000型控制系統
5.3 運行工況表
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工況 |
循環泵電壓(KV) |
循環泵
電流
(A) |
循環泵功率（KW） |
循環泵轉速 (轉/分) |
循環泵功率因數 |
循環泵消耗功率
(KW) |
循環泵流量
(t/h) |
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實際名牌 |
10 |
26.3 |
355 |
1480 |
0.84 |
|
1000t/h |
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調速狀態 |
10 |
15.45 |
|
1014 |
0.57 |
有功：157KW |
640t/h |
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無功：218KW |
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工頻 |
10 |
18 |
|
1480 |
0.82 |
有功：256KW |
640t/h |
|
無功：180KW |
試驗結果分析：
循環水泵運行轉速為1014轉/分，消耗功率為157KW；
循環水泵運行轉速為1480轉/分，消耗功率為256KW。
循環水泵調速運行時，一小時少耗電為99KW，即機組滿負荷情況下，電機轉速降低31%，但耗電量降低了40%。若電機按每天運行24小時，140天運行為3360個小時計算，可節約用電33.27萬千瓦時，按每度電0.68元計算，140天可節資金22.62萬元，該設備投資共計49.2萬元，兩個采暖期即可收回投資成本。節電效果非常明顯。
斬波內饋調速系統在大連東山熱電順利投入運營以來，運行一直非常穩定可靠，節能效果非常明顯，實踐證明，該系統與高壓變頻調速相比，不僅價格低廉，而且調速效率高，設備結構簡單，投資回收期短，確實不失為一種較好的調速方法，具有很強的實用性和經濟性。斬波內饋調速系統將是高壓變頻調速的強有力競爭對手。確實為推動我國的節能事業做出了貢獻。
作者:遼寧大連東山熱力有限責任公司 陳聞 伊兆水
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