1 引言

　　風(fēng)機(jī)和水泵在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)的耗電量約占全國(guó)電力消耗總量的40％左右。目前，風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。

　　眾所周知，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備是用來(lái)輸送氣、水等流體物質(zhì)的，在很多情況下，這些流體的流量需要調(diào)節(jié)控制。在我國(guó)，流體流量的調(diào)節(jié)大多采用為閥門或擋板控制即所謂的全速節(jié)流方式實(shí)現(xiàn)。由于用閥門或擋板調(diào)節(jié)時(shí)存在節(jié)流損失，而且節(jié)流增大了管阻，泵和風(fēng)機(jī)往往運(yùn)行在低效區(qū)，加上泵和風(fēng)機(jī)的能耗特性，造成這種調(diào)節(jié)方式的效率很低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全速節(jié)流調(diào)節(jié)方式的平均運(yùn)行效率不到45%。我國(guó)有近一半的發(fā)電量被風(fēng)機(jī)、水泵所消耗，年耗電量達(dá)2萬(wàn)多億kw·h，而設(shè)備的平均運(yùn)行效率不到45%，比國(guó)際水平低20％，存在著嚴(yán)重的能量浪費(fèi)。因此采用高效節(jié)能的運(yùn)行方式利國(guó)利民、勢(shì)在必行。

　　2005年9月和2006年7月，四川廣安騰輝水泥有限公司分別在＃1和＃2窯尾風(fēng)機(jī)上應(yīng)用了高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，下文即對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹和分析。

2 sec高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理和主要功能

　　2.1 sec系列高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理

　　串級(jí)調(diào)速，即在轉(zhuǎn)子回路中串入可吸收轉(zhuǎn)差功率的附加電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)改變附加電動(dòng)勢(shì)的大小，來(lái)達(dá)到改變轉(zhuǎn)子電流，進(jìn)而改變電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速在低于同步轉(zhuǎn)速下調(diào)整，同時(shí)將轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差功率回收，達(dá)到高效節(jié)能目的。

　　當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路引入附加電動(dòng)勢(shì)ef時(shí)的等效電路如圖1所示：

　　由此可見(jiàn)，改變附加電動(dòng)勢(shì)ef的大小，就可相應(yīng)改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　sec高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)由啟動(dòng)單元、整流器單元、斬波單元和有源逆變單元組成的。逆變單元的逆變角固定在最小值，產(chǎn)生一恒定的最大附加直流反電勢(shì)，而等效電勢(shì)大小的調(diào)節(jié)由斬波器來(lái)完成。

　　2.2 設(shè)備構(gòu)成

　　2.2.1 啟動(dòng)單元

　　啟動(dòng)單元由頻敏變阻器（pf）、接觸器1km、接觸器2km構(gòu)成。大型電動(dòng)機(jī)，特別是繞線式電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流較大，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。為減少起動(dòng)電流，使電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)，在高頻斬波串級(jí)調(diào)速裝置中，加設(shè)了自動(dòng)切換的起動(dòng)裝置。在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，1km閉合，2km打開(kāi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相頻敏變阻器pf。頻敏變阻器的電阻與流過(guò)的電流的頻率成正比關(guān)系，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，轉(zhuǎn)子電流頻率最高，為工頻頻率，此時(shí)頻敏變阻器阻值也較高，從而限制了起動(dòng)電流。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸減少，頻敏變阻器阻值也逐漸減小。當(dāng)電機(jī)定子電流低于設(shè)定的允許值時(shí)，裝置自動(dòng)將2km閉合，切除頻敏變阻器，完成起動(dòng)過(guò)程。

　　2.2.2 整流單元

　　整流單元為三相全波整流，將轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換為直流電流。保護(hù)用scr也安裝在整流單元中。

　　2.2.3 斬波單元

　　系統(tǒng)的斬波控制采用igbt元件實(shí)現(xiàn)，使得斬波頻率進(jìn)一步提高，直流電流更為平穩(wěn)，系統(tǒng)體積更小、更為緊湊。通過(guò)調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通時(shí)間與斬波周期的比率（即占空比或pwm脈寬調(diào)制），來(lái)改變串入轉(zhuǎn)子回路的等效電勢(shì)的大小，從而改變轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。同時(shí)通過(guò)逆變變壓器將轉(zhuǎn)差功率吸收并回饋至電網(wǎng)，使得系統(tǒng)功耗達(dá)到最小。

　　將逆變器的逆變角固定在最小，獲得最大反電勢(shì)：

　　u1=1.35u2cosβmin （3）

　　通過(guò)pwm調(diào)制斬波電子開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)等效反電勢(shì)的大小：

　　u=u1（1-k）=1.35（1-k）u2cosβmin （4）

　　式中：k—占空比。

　　2.2.4 逆變單元

　　逆變部分為三相全橋有源逆變器，裝置工作于調(diào)速狀態(tài)時(shí)，將經(jīng)斬波控制后的轉(zhuǎn)差功率逆變至內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器。逆變觸發(fā)角為最小的固定值，克服了移相觸發(fā)的對(duì)觸發(fā)脈沖和換相要求嚴(yán)格、脈沖移動(dòng)范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。同步信號(hào)取自內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號(hào)，具有抗干擾、多重?cái)?shù)字鎖相、自動(dòng)配相等功能。

　　控制單元：控制部分由控制箱、電源及自檢箱構(gòu)成。其核心由單片機(jī)和快速可編程邏輯器件組成。主要功能包括：

　?。?）對(duì)igbt、保護(hù)用scr及有源逆變器的脈沖控制及pwm調(diào)制。

　　（2）實(shí)現(xiàn)裝置所有的自動(dòng)控制和閉鎖邏輯;

　?。?）所有保護(hù)的測(cè)量、整定、邏輯、報(bào)警及出口;

　?。?）系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)的操作、顯示、報(bào)警等信息的處理及指示;

　?。?）實(shí)現(xiàn)裝置與外部系統(tǒng)的通訊管理;

　　（6）裝置參數(shù)整定和實(shí)驗(yàn)等輔助功能;

　?。?）控制箱可通過(guò)觸式鍵盤實(shí)現(xiàn)就地操作，包括運(yùn)行、停止、全速、調(diào)速、自檢、自動(dòng)/手動(dòng)、開(kāi)環(huán)/閉環(huán)、遠(yuǎn)方/就地等與運(yùn)行有關(guān)的操作。同時(shí)通過(guò)菜單方式，可對(duì)裝置基本參數(shù)及運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置;

　　（8）為滿足控制室集中控制的需要，可在遠(yuǎn)方進(jìn)行與裝置運(yùn)行有關(guān)的操作;

　?。?）系統(tǒng)保留有與上級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、pc機(jī)等進(jìn)行通訊的端口。

3 高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在水泥廠中的應(yīng)用情況

　　騰輝廣安水泥有限公司＃1窯尾風(fēng)機(jī)和＃2窯尾風(fēng)機(jī)電機(jī)的高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)改造分兩期進(jìn)行，分別于2005年9月和2006年7月投入運(yùn)行，其間相關(guān)人員對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)測(cè)試。下面就＃1窯尾風(fēng)機(jī)電機(jī)的高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)改造情況作一介紹。

　　3.1 電機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)

　?。?）電機(jī)參數(shù)

　　電機(jī)型號(hào)：jrq157-10;

　　制造廠：上海電機(jī)廠;

　　額定功率：260kw;

　　額定轉(zhuǎn)速：588r/min;

　　額定電壓：6kv;

　　額定電流：33a;

　　轉(zhuǎn)子開(kāi)口電壓：417v;

　　轉(zhuǎn)子額定電流：399a。

　　（2）調(diào)速裝置參數(shù)

　　設(shè)備型號(hào)：secy01-6/260/10;

　　制造廠：保定華仿電控有限公司;

　　電機(jī)額定容量：260kw;

　　電機(jī)額定電壓：6kv;

　　額定直流電壓：350v;

　　額定直流電流：490a;

　　調(diào)速范圍：280～588r/min;

　　逆變變壓器容量：180kva。

　　3.2 測(cè)試結(jié)果

　　該系統(tǒng)的部分測(cè)試結(jié)果如附表所示：

　　3.3 測(cè)試結(jié)果分析

　?。?）調(diào)速狀態(tài)時(shí)的節(jié)電率和年節(jié)電量

　　節(jié)電率（％）：

　　按（p0-p1）/p0*100%公式計(jì)算，實(shí)測(cè)各占空比對(duì)應(yīng)全速的節(jié)電率，其中：p0為滿負(fù)載時(shí)實(shí)測(cè)有功功率，p1為調(diào)速時(shí)實(shí)測(cè)有功功率，結(jié)果見(jiàn)附表。

　　實(shí)際系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在470r/min左右，其實(shí)際運(yùn)行的節(jié)電率約為50％?？梢?jiàn)節(jié)點(diǎn)效果非常明顯。

　　年節(jié)電量（kw·h）：按年運(yùn)行300天核算，則年節(jié)電量：=260×300×24×節(jié)電率％，結(jié)果見(jiàn)附表。

　　系統(tǒng)實(shí)際經(jīng)常運(yùn)行在470r/min左右，按節(jié)電率50％計(jì)算，則這一臺(tái)260kw電機(jī)實(shí)際的年節(jié)電量可達(dá)：260×300×24×50％＝936000kw·h。

　?。?）轉(zhuǎn)速控制精度

　　實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的控制精度很高，基本都在99.9%或99.8%，亦即轉(zhuǎn)速誤差《0.2%。

　?。?）轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系

　　可以看出，轉(zhuǎn)速隨占空比減小而減小，且基本呈線性變化。

　?。?）電機(jī)溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

　　可以看出，電機(jī)溫度隨轉(zhuǎn)速減小而降低。

4 該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

　?。?） 具有良好的調(diào)速機(jī)械特性和節(jié)能特性；

　?。?） 由于串級(jí)調(diào)速是在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制，其控制電壓低，系統(tǒng)可靠性高；

　?。?） 采用新型功率器件igbt應(yīng)用于斬波控制，使得系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，自身功耗小，效率高；

　　（4） 多種操作控制模式（開(kāi)環(huán)/閉環(huán)、就地/遠(yuǎn)方、實(shí)驗(yàn)/工作、全速/調(diào)速、sec/dcs控制）可互相轉(zhuǎn)換;

　?。?）系統(tǒng)具有多種保護(hù)功能，如轉(zhuǎn)子過(guò)流、電流失恒;反饋過(guò)流、電流失恒、電壓失恒；直流過(guò)流、過(guò)壓、低電壓（逆變顛覆）、失波、igbt過(guò)流、快熔保護(hù)、頻敏保護(hù)、溫度保護(hù)等;

　?。?） 具有系統(tǒng)自檢功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主要器件和單元的自檢試驗(yàn)；

　?。?）系統(tǒng)具有自診斷功能，可對(duì)接觸器、高壓開(kāi)關(guān)、高壓電源、快熔、頻敏等設(shè)備監(jiān)測(cè)；泵/風(fēng)機(jī)等負(fù)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)；工作電源、直流過(guò)流、過(guò)壓、低電壓、失波、igbt過(guò)流、溫度保護(hù)自動(dòng)診斷，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

5 結(jié)論

　?。?）高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)裝置運(yùn)行可靠，節(jié)能效果明顯，已達(dá)到項(xiàng)目實(shí)施目的。

　?。?）節(jié)電率

　　節(jié)電率隨轉(zhuǎn)速下降而增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速越低節(jié)能效果越明顯。

　?。?）調(diào)速的平穩(wěn)性與連續(xù)性

　　該電機(jī)采用頻敏變阻器啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流小，電機(jī)啟動(dòng)的沖擊小。電機(jī)由全速轉(zhuǎn)調(diào)速狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由最高轉(zhuǎn)速平滑降至設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化連續(xù)性、平穩(wěn)性好。同時(shí)調(diào)速系統(tǒng)溫升不高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

　?。?）調(diào)速的范圍和精度

　　調(diào)速的范圍寬，調(diào)速精度高，可每次調(diào)整1轉(zhuǎn)。調(diào)速控制裝置運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

　?。?）電機(jī)溫升

　　電機(jī)溫度在64～68℃之間，在正常范圍之內(nèi)。由此可見(jiàn)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在廣安騰輝水泥有限公司順利投入生產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行一直穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果非常明顯。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)調(diào)速效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資回收期短。確實(shí)不失為一種較好的調(diào)速方法，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

　　目前，水泥行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，其關(guān)鍵還是制造成本的競(jìng)爭(zhēng)。而電動(dòng)機(jī)電耗就占成本近30％，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的推廣價(jià)值。