| 高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)在大連東山的應(yīng)用 |
| 來源：互聯(lián)網(wǎng) 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(fā)展的必要物資基礎(chǔ)，是國家的經(jīng)濟命脈。長期以來，能源問題被認為是帶有戰(zhàn)略性的問題，受到普遍和高度重視。
隨著熱電工業(yè)的迅速發(fā)展和熱力電力系統(tǒng)商業(yè)化運營的競價上網(wǎng)的實施，能源消耗增加速度遠遠超過人口增長速度，是現(xiàn)代工業(yè)和科技高度發(fā)展的結(jié)果，而且煤、油、天然氣主要能源都是“非再生能源”節(jié)約能源勢在必行。節(jié)能方法的研究和應(yīng)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(shù)作了重要批示：“內(nèi)饋調(diào)速”較“變頻調(diào)速”既節(jié)能又價廉，將會在很多領(lǐng)域得以應(yīng)用，應(yīng)組織行業(yè)鑒定，及時申請專利”。
就目前熱力公司、熱電企業(yè)內(nèi)部挖潛，節(jié)能降耗，提高企業(yè)效益日顯重要。新建項目首先想到就是節(jié)能，斬波內(nèi)饋交流調(diào)速是我國首創(chuàng)，具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技技術(shù)，產(chǎn)品經(jīng)理論和實踐證明，它是優(yōu)于高壓變頻調(diào)速的，其調(diào)速效率，功率因數(shù)，諧波電流等優(yōu)于變頻，更主要的是經(jīng)濟成本僅為變頻的1/3左右，通過在大連東山熱電的應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果，從而給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)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(diào)速，經(jīng)考察變頻器在高壓10KV上不能應(yīng)用，經(jīng)過反復(fù)調(diào)研，公司最終選用了保定北方調(diào)速有限公司生產(chǎn)的“斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)”。斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)在我廠的輔機應(yīng)用如下：
1、斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成
1.1 調(diào)速控制裝置構(gòu)成；
（1） 調(diào)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(diào)速、全速切換功能；具有遠方控制；
（4） DCS自動控制接口，轉(zhuǎn)速指令信號4-20mA，轉(zhuǎn)速輸出信號4-20mA，自動/手動，調(diào)速控制ID信號。
1.2 斬波內(nèi)饋調(diào)速電機
內(nèi)饋調(diào)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(lián)關(guān)系，當調(diào)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(tǒng)的可靠性。
2、斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)基本原理
斬波內(nèi)饋調(diào)速是一種以低壓（通常約為200-500V）控高壓（6KV-10KV）的高效率調(diào)速技術(shù)，突出特征在于“內(nèi)饋”與“斬波”兩項高新技術(shù)的有機結(jié)合。
2.1 內(nèi)饋調(diào)速及其功率控制原理
公式（2）表明，電機轉(zhuǎn)速可以通過電磁功率或損耗功率兩種控制獲得調(diào)節(jié)。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，調(diào)速是高效率的；損耗功率控制增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速是低效率的。所有調(diào)速方法都歸屬于功率控制原理之中。這一原理便是內(nèi)饋調(diào)速發(fā)明人屈維謙率先提出的“電機調(diào)速的功率控制理論”（即P理論）。
由于電磁轉(zhuǎn)矩在調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，取決于負載轉(zhuǎn)矩的大小，當負載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀的工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就隨之被決定了，因此，電磁轉(zhuǎn)矩不僅與調(diào)速控制無關(guān)，而且不能隨意改變。動態(tài)轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速的作用只表現(xiàn)在調(diào)速的過渡過程中，轉(zhuǎn)矩的變化是功率控制和轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后的結(jié)果，在一定的功率控制作用下，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速響應(yīng)自動減小，直至新的負載平衡時為零。因此，電機轉(zhuǎn)速只能通過功率控制來實現(xiàn)。
內(nèi)饋調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的高效率電磁功率控制調(diào)速，通過將轉(zhuǎn)子的部分功率（即電轉(zhuǎn)差功率）移出來，使轉(zhuǎn)子的凈電磁功率發(fā)生改變，于是根據(jù)P理論，電機轉(zhuǎn)速就相應(yīng)得到控制。為了獲得高性能的調(diào)速，加強電機調(diào)速的內(nèi)因，內(nèi)饋調(diào)速在電機定子上另外設(shè)置了內(nèi)饋繞組，用來接受電轉(zhuǎn)差功率，有源逆變器使內(nèi)饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，通過電磁感應(yīng)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(nèi)饋調(diào)速因此而得名。與變頻調(diào)速相比，斬波內(nèi)饋調(diào)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(zhì)的區(qū)別。
圖1斬波內(nèi)饋功率圓圖及系統(tǒng)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(guān)斷的高速開關(guān)。控制斬波的占空比，就可以實現(xiàn)對逆變電流的控制，也就是控制了反饋到內(nèi)部內(nèi)饋繞組的電流和功率，從而實現(xiàn)內(nèi)饋調(diào)速。其意義在于：
(1) 使有源逆變器的功率因數(shù)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(nèi)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(fā)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(nèi)饋調(diào)速電機，可大大減小內(nèi)饋繞組所占的鐵心空間，簡化工藝，降低成本。
3、斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的控制及運行方式
由于系統(tǒng)調(diào)速范圍及運行特性的需要，設(shè)置了頻敏變阻器啟動和調(diào)速停止方式。
（1）啟動時，直接控制高壓開關(guān)柜，電機經(jīng)頻敏啟動，可以減小啟動電流并增大啟動轉(zhuǎn)矩。
（2）調(diào)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(chǎn)生過電壓使可控硅損壞。所以調(diào)速停車時，設(shè)置的邏輯控制會自動轉(zhuǎn)到全速后再停車。事故停電有斷電和過壓保護，防止了設(shè)備的損壞。
（3）該調(diào)速設(shè)備可以在不停機的情況下自檢。即設(shè)備可在全速運行狀態(tài)時，可以用低電壓小電流模擬調(diào)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(xiàn)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(xiàn)穩(wěn)定、平滑調(diào)速，并在出現(xiàn)斷線故障時能夠保持原來給定轉(zhuǎn)速，同時發(fā)出斷線報警信號。
4、系統(tǒng)可靠性
產(chǎn)品的可靠性一般指產(chǎn)品連續(xù)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(shè)計的可靠性；產(chǎn)品器件的可靠性；產(chǎn)品工藝的可靠性。
4.1 設(shè)計原理可靠性
這是非常重要的，特別是調(diào)速控制主電路，避免了電力電子器件的串并聯(lián)，實現(xiàn)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(chǎn)品可靠性。
采用斬波技術(shù)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(huán)等抗干擾電路，使有源逆變器的觸發(fā)脈沖非常可靠，基本解決了有源逆變器可靠性的一大技術(shù)難題。
4.2 故障兼容能力
任何控制設(shè)備都不可能有百分之百的完全可靠，提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵在于提高系統(tǒng)的故障兼容能力。
斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置與調(diào)速電機恒速運行裝置成為并聯(lián)關(guān)系，當調(diào)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(diào)速而已，可將故障影響縮小到最小限度。
精心設(shè)計的DCS接口，全數(shù)字電路，具有256位的數(shù)模轉(zhuǎn)換，突加給定緩沖，輸入短線不影響調(diào)速運行等功能。系統(tǒng)由調(diào)速轉(zhuǎn)全速，不是回到起動狀態(tài)然后再轉(zhuǎn)入全速，而是自動在當前轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上平滑加速，待到轉(zhuǎn)速接近額定值時，自動轉(zhuǎn)入全速運行。避免了轉(zhuǎn)換沖擊。
4.3 電子器件
YQT型斬波內(nèi)饋調(diào)速產(chǎn)品的主要電力電子器件晶閘管選用了進口產(chǎn)品；主要電器產(chǎn)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(shù)量，產(chǎn)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(shè)備；完善的生產(chǎn)工藝和專用設(shè)施；精確合理的結(jié)構(gòu)布局等等，都使得斬波內(nèi)饋調(diào)速產(chǎn)品的可靠性對比高壓變頻調(diào)速和串級調(diào)速都有較大的優(yōu)勢。
5、具體應(yīng)用情況如下：
5.1 循環(huán)水泵電機
電機技術(shù)參數(shù)：銘牌：YQT2-450-4；電壓：10KV；額定電流：26.3A；功率：355KW；額定轉(zhuǎn)速：1480轉(zhuǎn)/分。
5.2 斬波內(nèi)饋控制系統(tǒng)
ZNT-2000型控制系統(tǒng)
5.3 運行工況表
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工況 |
循環(huán)泵電壓(KV) |
循環(huán)泵
電流
(A) |
循環(huán)泵功率（KW） |
循環(huán)泵轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)/分) |
循環(huán)泵功率因數(shù) |
循環(huán)泵消耗功率
(KW) |
循環(huán)泵流量
(t/h) |
|
實際名牌 |
10 |
26.3 |
355 |
1480 |
0.84 |
|
1000t/h |
|
調(diào)速狀態(tài) |
10 |
15.45 |
|
1014 |
0.57 |
有功：157KW |
640t/h |
|
無功：218KW |
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工頻 |
10 |
18 |
|
1480 |
0.82 |
有功：256KW |
640t/h |
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無功：180KW |
試驗結(jié)果分析：
循環(huán)水泵運行轉(zhuǎn)速為1014轉(zhuǎn)/分，消耗功率為157KW；
循環(huán)水泵運行轉(zhuǎn)速為1480轉(zhuǎn)/分，消耗功率為256KW。
循環(huán)水泵調(diào)速運行時，一小時少耗電為99KW，即機組滿負荷情況下，電機轉(zhuǎn)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(jié)約用電33.27萬千瓦時，按每度電0.68元計算，140天可節(jié)資金22.62萬元，該設(shè)備投資共計49.2萬元，兩個采暖期即可收回投資成本。節(jié)電效果非常明顯。
斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)在大連東山熱電順利投入運營以來，運行一直非常穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果非常明顯，實踐證明，該系統(tǒng)與高壓變頻調(diào)速相比，不僅價格低廉，而且調(diào)速效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資回收期短，確實不失為一種較好的調(diào)速方法，具有很強的實用性和經(jīng)濟性。斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)將是高壓變頻調(diào)速的強有力競爭對手。確實為推動我國的節(jié)能事業(yè)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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