內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)范文

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一、問題的提出

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的矛盾日益突出，建設(shè)一個節(jié)約型社會成為我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項重要的戰(zhàn)略國策。火力發(fā)電廠中運(yùn)行的風(fēng)機(jī)與泵種類繁多，數(shù)量多，總裝機(jī)容量大，耗電量大，約占全國火電發(fā)電量的6%。發(fā)電廠輔機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，尤其是大功率的風(fēng)機(jī)與泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，直接關(guān)系到廠用電率的高低，而廠用電率的高低是影響供電煤耗和發(fā)電成本的主要因素之一。上海能源發(fā)電廠熱電分廠五臺CFB鍋爐風(fēng)機(jī)分別采用液力偶合器、高壓變頻器、轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速等，采用不同的調(diào)速裝置，有不同的效果。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)視具體情況具體分析，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析選用最優(yōu)的改造方法，這樣才能收到節(jié)能降耗的效果。

在風(fēng)機(jī)、水泵等選型設(shè)計過程中，功率、流量、壓力等通常都需要按最大需求量設(shè)計，且留有裕量。實(shí)際使用中往往采用風(fēng)門、閥門等增大風(fēng)阻或管路阻力，減小流量及輸出壓力，以適應(yīng)不同的工況要求。當(dāng)風(fēng)機(jī)或泵的轉(zhuǎn)速下降時，其輸出功率將以立方速度下降。如根據(jù)需要，負(fù)載轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的80%，則電動機(jī)的實(shí)際輸出功率僅為其額定功率的51.2%。可見，在定速運(yùn)行情況下，這類負(fù)載多消耗了近50%的電能。據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)電總量60％以上是通過電動機(jī)消耗的，其中一半以上用于各種風(fēng)機(jī)和泵。以調(diào)速傳動代替原有的不調(diào)速傳動，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)電可達(dá)30％左右。

二、風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載常用的調(diào)速方法及對調(diào)速裝置的要求

異步電機(jī)的調(diào)速方法：由交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

式中：——電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；——電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，與負(fù)載有關(guān)；——電動機(jī)定子電流頻率；——電動機(jī)的極對數(shù)。

可知，交流異步電動機(jī)的調(diào)速方法可以歸納為：調(diào)電源頻率、調(diào)電機(jī)極對數(shù)以及調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。其中，調(diào)電機(jī)極對數(shù)為有級調(diào)速，不適用于風(fēng)機(jī)調(diào)速。因此，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的調(diào)速主要為變頻調(diào)速和調(diào)轉(zhuǎn)差率調(diào)速。

風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載對調(diào)速設(shè)備的要求：風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的調(diào)速以節(jié)能為主要目的，通常需要的調(diào)速范圍為，且對調(diào)速性能的要求不高。由于以節(jié)能主要目的，因此需要其經(jīng)濟(jì)性好，即價格便宜、使用安全可靠、維護(hù)成本低、系統(tǒng)效率及功率因素高、對電網(wǎng)的諧波干擾小等。

三、轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的發(fā)展及特點(diǎn)

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速曾作為近代重要的交流調(diào)速技術(shù)，獲得普遍的重視和廣泛的應(yīng)用。但是，隨著近年來變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速受到了很大的沖擊。除了理論上的誤導(dǎo)作用之外，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速技術(shù)在理論深入和技術(shù)改進(jìn)方面存在的不足也是主要原因之一。

其實(shí)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速與變頻調(diào)速統(tǒng)屬高效調(diào)速，特別對于中壓（6～10KV）、中大容量風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的調(diào)速，由于轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速回避了中壓電動機(jī)（6～10）KV定子電壓，而是從轉(zhuǎn)子低壓側(cè)控制電動機(jī)的參數(shù)；同時，由于大多數(shù)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載所需要的調(diào)速范圍較小，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速只控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，且一般情況下，風(fēng)機(jī)類負(fù)載的轉(zhuǎn)差功率小于電機(jī)額定功率25%。即可以概括地形容風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，是以低壓控制高壓，以小功率控制大功率。這顯然符合風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載對調(diào)速裝置經(jīng)濟(jì)性的要求。事實(shí)上，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速設(shè)備的價格只相當(dāng)于相同容量中壓變頻調(diào)速裝置的1/3～1/2。且由于轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)簡單，耗能元件少，其可靠性及效率要高于中壓變頻裝置，為此，#5鍋爐二次風(fēng)機(jī)在節(jié)能改造中采用內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速。

內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速：旨在克服傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)而提出的新型調(diào)速方案。下圖為內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理簡圖。

圖中，U1為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，對于低同步轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，其一般為三相橋式整流器；U2為電源側(cè)變流器，一般為三相全控橋式逆變器；L為續(xù)流電抗器；R為頻敏變阻器。

內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速控制裝置及轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速電機(jī)（亦稱串級調(diào)速電動機(jī)），其調(diào)速原理仍屬于繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串附加電勢進(jìn)行調(diào)速的理論范疇，但該附加電勢不是通過與電網(wǎng)聯(lián)接的逆變變壓器提供，而是通過與定子繞組同槽嵌入的逆變繞組提供的，通過電源側(cè)變流器及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，將該電勢串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，改變變流器的工作狀態(tài)，即改變串入轉(zhuǎn)子回路的附加電勢的大小，達(dá)到調(diào)速的目的。同時逆變繞組吸收電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，并通過與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生正向的拖動轉(zhuǎn)矩，從而使電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率減少，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。

內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的區(qū)別，一方面內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)差功率不是直接饋入電網(wǎng)，而是反饋回電機(jī)內(nèi)部，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差功率只在定子與轉(zhuǎn)子間循環(huán)，且通過電機(jī)的磁勢平衡使定子繞組有功電流下降，從而使電機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率減小，定子繞組中不再含有多余的轉(zhuǎn)差功率，克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子變頻系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率在定子－轉(zhuǎn)子－電網(wǎng)間的無謂循環(huán)傳輸現(xiàn)象（傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速控制裝置、繞線式異步電動機(jī)、逆變變壓器等，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率包括電動機(jī)輸出給負(fù)載的功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速下降后的轉(zhuǎn)差功率，電動機(jī)通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)輸出轉(zhuǎn)差功率，由轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置采用交-直-交方式由逆變變壓器逆變回電網(wǎng)）；另一方面，由于轉(zhuǎn)子變頻電動機(jī)逆變繞組具有與電動機(jī)定子繞組相同的結(jié)構(gòu)，即分布、短距的特點(diǎn)，使逆變電流中的諧波電流在逆變繞組中的繞組系數(shù)相比基波繞組系數(shù)大為減小，從而抑制了由于逆變電流中的諧波電流對電網(wǎng)造成的諧波污染。而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差功率是通過逆變變壓器逆變回電網(wǎng)的，變壓器的集中繞組使逆變電流中的諧波成分毫無阻擋地進(jìn)入電網(wǎng)，影響了電網(wǎng)的電力質(zhì)量。

內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，不僅性能得到了提高，而且由于省卻了逆變變壓器，降低了系統(tǒng)造價，同時使系統(tǒng)體積大為減小。

為了克服轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)比較低的缺點(diǎn)，可在轉(zhuǎn)子直流電路增設(shè)直流斬波器或在逆變繞組并聯(lián)內(nèi)補(bǔ)償裝置。

斬波內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速：轉(zhuǎn)子側(cè)整流器通過斬波器與逆變器相連，組成斬波式逆變器。斬波內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速是通過改變斬波器的占空比來實(shí)現(xiàn)的，其逆變器的逆變角取最小值，使逆變器的反電勢最大，通過調(diào)節(jié)斬波器的占空比，改變轉(zhuǎn)子回路的附加電勢的幅值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。由于逆變角取最小值，從而使逆變繞組中無功電流大大減小，提高了系統(tǒng)的功率因素。

具有p、q、h控制的斬波內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速：

眾所周知，SPWM的核心內(nèi)容是以正弦波為調(diào)制波的方波列，其基波即為需要輸出的正弦波，當(dāng)脈沖頻率達(dá)到一定值（一般在20KHz以下）時，輸出波形中只剩下基波和高次諧波。改變一個周期中各脈沖的起始位置、脈沖寬度及占空比，可以改變輸出波形的基波頻率、幅值和相位，也可以根據(jù)需要消除特定的諧波電流。

由現(xiàn)代瞬時無功理論，將三相瞬時電流矢量、、和三相瞬時電壓矢量、、在三維平面對稱坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C中合并為合成電流矢量和合成電壓矢量，由傳統(tǒng)有功電流和無功電流理論可知，其有功電流即為電流矢量在電壓矢量上的投影，無功電流即為電流矢量在電壓矢量法線上的投影。將三維平面坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C轉(zhuǎn)換成二維平面坐標(biāo)系，并將電流矢量與電壓矢量分解為軸及軸上的分量，從而很容易地計算出無功功率及有功功率，并通過二維到三維的逆運(yùn)算，計算出各相電流的有功電流、無功電流及諧波電流的瞬時值。在轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)中，可以通過檢測電動機(jī)高壓側(cè)的電流和電壓，控制三相橋式IGBT逆變器輸出脈沖的起始位置、脈沖寬度及占空比，一方面可以將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率即有功功率輸出給電動機(jī)逆變繞組，另一方面，可以向電動機(jī)逆變繞組輸送容性無功電流和吸收諧波電流，從而使電動機(jī)工作在理想工作狀態(tài)。帶p、q、h控制的斬波內(nèi)循環(huán)式轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)如下圖所示。

四、轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的機(jī)械特性：

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速時，異步電動機(jī)氣隙磁通的電磁功率一部分轉(zhuǎn)化為電動機(jī)輸出的機(jī)械功率，即電動機(jī)的內(nèi)功率，一部分被附加電勢吸收回饋電網(wǎng)，還有一部分為轉(zhuǎn)子銅損，表示為：

式中：——?dú)庀峨姶殴β剩弧郊与妱菸盏墓β剩弧D(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的電阻；——轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的相電流；——轉(zhuǎn)差率。其中，轉(zhuǎn)子每相銅損：

變?yōu)闄C(jī)械功率的每相內(nèi)功率為：；顯然：；

根據(jù)功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，有轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

或電動機(jī)的角頻率為：

上式中：

——異步電動機(jī)的同步角速度；

——由于附加電勢引起的角速度降；

——由于轉(zhuǎn)子銅損引起的角速度降；

——轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，在轉(zhuǎn)子串入附加電勢為時的理想空載角速度。

由于，因而可以得到，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

實(shí)際上由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，轉(zhuǎn)子電流的頻率將上升，使轉(zhuǎn)子漏抗增大，轉(zhuǎn)子回路功率因素減小，從而使電動機(jī)的機(jī)械特性相比固有特性變軟，同時，臨界轉(zhuǎn)矩下降。不過對于風(fēng)機(jī)類負(fù)載的調(diào)速，這種機(jī)械特性的差別對風(fēng)機(jī)的調(diào)速性能毫無防礙。總的來說，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的機(jī)械特性與變頻調(diào)速相似。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速時電動機(jī)的機(jī)械特性如圖六所示。

結(jié)束語

對于風(fēng)機(jī)類負(fù)載，采用斬波、內(nèi)循環(huán)、內(nèi)補(bǔ)償及p、q、h控制的轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速完全滿足要求的，具有價廉，性能穩(wěn)定、安全可靠的特點(diǎn)，中壓大容量電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的普及將為我國建設(shè)成節(jié)約型社會作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。