内容摘要：重点介绍内反馈高频斩波调速装置的原理、性能特点及运行情况总结

关键词：送引风机  高压变频  内反馈斩波  节能 

内反馈式高频斩波调速装置在热电联产项目中的应用

邢一德 

（福建永安智胜化工有限公司   366013）

前言

   我公司新上的12MW热电联产装置工程，配置的锅炉为DG75-5.3-Ⅱ1型循环流化床锅炉，其引风机（电机功率为400ＫＷ，电压为６ＫＶ、额定转速1000rpm）、一次风机（电机功率为450ＫＷ，电压为６ＫＶ，额定转速1500rpm）均采用了内反馈高频斩波交流调速装置（型号：SSC-F5060-400、SSC-F5060-450）。该装置在运行过程中可根据工况需要对风压进行自动调节。投运半年多的生产实践证明，该装置具有调速精度高、设备运行安全可靠、节电效果明显等优点。

1 调速方案的比较

    目前成熟的异步电机调速方式有电磁调速、液力偶合器调速、液态电阻调速、变极调速、变频调速和内反馈高频斩波调速。而国内热电厂主要采用液力偶合调速，目前正在逐步推广使用高压变频调速。以下简单比较液力偶合和高压变频器调速用在热电厂送引风机上使用的优缺点。

1.1液力偶合调速

    液力偶合器的优点为技术成熟、运行可靠。但存在以下缺点：

1.1.1从效率上来讲， 液力偶合属于低效调速（最高效率只有87％）。

1.1.2液力耦合器本身存在转差，一般在10％左右。电机就无法达到全载输出，系统效率较低。以我厂引风机为例，电机功率为400kw，若选用液力偶合调速，输出功率损失约为40kw。

1.1.3由于液力耦合器属于机械调速，损耗较大，密封圈及轴承损坏情况较为普遍，一旦发生故障，处理时间较长。 

1.2高压变频调速

    变频调速是现代化电气传动的主要发展方向之一，它具有良好的节能效果和优越的调速性能。高压变频器的原理就是定子侧6KV或10KV直接变频调速，它的输入侧经主电源变压器接高压电网，输出侧接高压电动机。该方案的优点为： 

1.2.1.1调速范围宽，能在0～100%转速范围内平滑调节，调速性能好，启动平稳，电流可限制在额定值内。

1.2.1.2可使用各种交流电机（同步、永磁、绕线异步机等）。

1.2.1.3网侧输入功率因数高（异步机的无功不会通过交-直-交变频器的中间直流环节到输入整流侧），效率高。

它的不足为：

1.2.2.1电压高，电流小，给变频器出了个难题，电压高要求电力电子器件串联数多，电流小造成器件电流能力得不到充分利用，并且电机定子全部功率流过变频器，变频器及变压器的容量至少按100%功率选取，容量大，使得变频器价格猛升至2000～3000元/KW，用户很难接受。

1.2.2.2由于功率器件多，致使线路复杂，可靠性受影响。为了安全隔离及减小网侧谐波，输入侧需要一台多副边移相变压器，体积、重量大，接线复杂。

1.2.2.3我国高压变频器事业正在发展，但它尚处于起步阶段，做的比较好的也还是小容量的变频器，大容量变频器国内可靠性还得不到保证。现在大容量采用的大多数是进口的如美国罗宾康（ROBICON）公司变频器、德国西门子公司的SIMOVERT MV中压变频器、瑞典ABB公司的ACS1000系列变频器，进口变频器如不特殊要求也无带旁路装置，这就造成一旦变频器故障生产得不到保证，况且进口设备维护是最大的问题。若热电厂送引风机这样核心设备故障停机时，将对企业造成巨大损失。

2 内反馈高频斩波交流调速技术

    SSC-F5000系列高压交流调速装置与相应的YRCT系列高压内反馈调速三相异步电动机配套组成无级调速系统，非常适用于拖动水泵、风机类负载，可实现平滑无级调速，属高效节能机电一体化产品，对于变化的负载，根据不同的转速，节电率可达20%--70%。

2.1内反馈式高频斩波(IGBT)调速系统原理

    该系统采用内反馈三相异步电动机，将电机转子电压经整流变为直流电压，当斩波器导通时转子电流被斩波器短路，形成轴功率；当斩波器开路时，转子直流电流经有源逆变器反馈到电机反馈绕组，形成转差功率，通过改变斩波器的斩波开关的占空比即能改变电机转速（见图1）。

该装置的关键技术为电机的高压变流控制技术。内反馈电机旨在加强电机调速内因而在电机定子上设计了多绕组，从而去掉了庞大的变压器的体积，极大的提高了效率。高频变流控制是实现内馈调速的最重要的关键技术，从根本上解决了逆变器可靠性和功率因数低等诸多问题。通过高频斩波占空比的调节来控制电机的转速，而逆变器的逆变角恒定在25°左右不变，其功率因数恒定为0.92。斩波控制容量仅为电机容量的35%，所控电压均为1000V以下的低电压，且无须外附任何变压器和滤波器。调速装置谐波量仅为移相控制的三分之一。

    该技术的使用，解决了许多高压变频器难以解决的问题，如器件耐压和大容量问题，使电压等级高达10KV（甚至更高电压），电机的容量达到4000KW以上的电机无级调速得以实现，确实实现了高可靠性、高效率、高功率因数、低谐波量的理想调速系统。

2.2内反馈高频斩波调速节能原理

    异步感应式电动机的转速n是由现下式决定的：n=60f(1-s)/p；其中：f是电源频率，s是转差率，p是极对数。

改变其中的任何一个参数都可以实现转速的改变。

改变极对数p：可以实现有级调速，但是要改变极对数是很难的，在实际运用中基本上不用变极调速。

改变电源频率f:可以实现平滑的无级调速，装置容量是电机容量的1.1倍以上，调速范围在0－100％之间。装置容量是电机容量的1.1倍以上，调速范围在0－100％之间。

    改变转差率s:可以实现平滑无级调速，调速范围在50％－100％之间。内反馈高频斩波调速就是改变转差率s来实现电机的调速。

所谓节能，只要在额定速度以下调速运行就可以实现节能的目的。但节能的多少要和用户的实际工艺要求相结合。

由流体动力学可知，流量Q∝n,压力H∝n2,电机功耗N∝n3。

当流量由额定值Q0降至Q1时，与额定功耗N0比较,采用转速调节的电机功耗为：Nt=(n1/n0)3N0。

如流量由100％降到50％，则转速相应降到50％，压力降到25％，而电机功耗降到12.5%，也就是节约电能87.5％。扣除风门调节时的功耗与额定功耗的差以及转速下降可能会引起电机和风机的效率下降等因素，但是节电效果也是非常显著的。

2.3内反馈式高频斩波(IGBT)调速系统突出的特点

    SSC-F5000系列高频斩波调速装置是与高压电动机配套的高效电力电子调速产品，适用于内反馈三相异步电动机的调速控制。该装置中的整流器、斩波器、逆变器等电力电子器件均采用国际上成熟先进的热管散热技术；控制部分安装了具有智能大功率IGBT模块，采用PWM调节技术，配合固定逆变角的晶闸管（SCR）有源逆变器，从而有效提高了系统的功率因素并加强了可靠性，使系统的速度调节性能和调速范围大为提高。本装置配备的新型大屏幕触摸屏和进口高速可编程控制器（PLC），使得操作直观方便，参数设定灵活准确，可以实现计算机远程通讯。

2.3.1 极宽的调速范围

    该装置率先采用德国原装智能IGBT，组成高频PWM斩波器，调速范围很宽为50％～100％，覆盖了所有水泵风机类设备的调速要求，而且运行平稳。克服了以往采用可控硅制作的斩波器工作频率只有600HZ、由于存在换向死区而导致调速范围小（只有70％～93％）的弊端。 

2.3.2极高的可靠性

    该装置采用的是IGBT自关断器件，仅需1只功率模块组件即可完成斩波器的所有功能，排除了换流容易失败的致命弱点，因而工作极为可靠。

    其次该产品中逆变器的逆变角恒定在25°左右不变，其功率因数恒定为0.92，消除了以往产品变化逆变角来调速可能带来的逆变颠覆的缺陷。

    由于该斩波控制容量仅为电机容量的35%，所控电压均为1000V以下的低电压，解决了许多高压变频器难以解决的问题，如器件耐压和大容量问题，使电机电压等级高达10KV（甚至更高电压），从而大大提高了产品的整体可靠性。 

2.3.3全数字化控制

    内置高品质进口西门子小型可编程序控制器（PLC），对系统实现数字化管理。克服了以往采用模拟控制的复杂性，且内部接线简单明了,可扩展能力强。

2.3.4采用最新型大屏幕液晶触摸式人机界面

    该装置具有强大的自诊断功能及历史数据记录，界面丰富友好，员工操作直观、方便，一学就会，而且大量的信息资料随时可查。克服了以往设备故障分析查证难，处理故障时间长的弊端。

2.3.5实现远程通讯计算机联网

    由于采用了数字化计算机控制的PLC和人机界面，可以通过RS232和RS485与上位机通信，还可以根据建立多个主从站以方便远程操作及监控，同时可根据工艺生产要求编制工艺程序并进行组态。

2.3.6带电可检修

    带电无扰动检修的操作功能，可在电动机不停车的情况下将高频斩波调速装置检修，使整机使用时的可靠性大大地提高。

2.3.7 功率因数Cosφ高

    目前内反馈串级调速经历了三代产品:

    第一代为贯通式移相触发式内反馈调速装置；

    第二代为可控硅斩波内反馈调速装置Cosφ较小；

    第三代为内馈式高频斩波调速（用可关断器件IGBT来提高功率因数Cosφ0.8-0.9）。

    对于第一二代的内反馈调速装置，有源逆变器输出电压中含有高次谐波成分，对电网电源产生不良影响，会造成补偿电力电容器过热。

    内馈式高频斩波调速装置的谐波分量仅为普通贯通式内反馈调速装置的30％，所以第三代内反馈调速装置为功率因数高，谐波分量小的理想产品。

2.3.8谐波含量小

    依靠反馈绕组的短矩、分布及角形连接，基本抵消了5次谐波，大大削弱了7次谐波，3次及3次倍数谐波仅在反馈绕组内部流动，有效抑制了谐波对电网的污染。

2.3.9 DSP（计算机芯片）数字电流、速度双闭环控制

    电流闭环控制的目的是控制电动机转子电流的大小，也就是控制电动机的电磁转矩，从而控制速度。转子电流的大小，是通过高频斩波环节，改变占空比的值，对转子整流电流Id的控制来实现的。电流闭环的有关计算与调节由DSP完成。控制图（见图2）：

 图中To-------由占空比生成环节与电流反馈滤波环节综合在一起的等效小惯量时间常数。

    SE20-----转子电势

    Ta-------转子电路等效电阻L和斩波电路等效电感R的商，即L/R。

    Uc-------电容器电压

    S--------转差率

    速度闭环是在电机轴上安装磁性测速砝码盘，依据脉冲输入，DSP计算出电动机实际转速和调节转速。控制图（见图3）：

 图中 T∑------由电流闭环等效时间常数与测速滤波环节综合在一起的等效小惯量时间常数。

      Tq-------电机启动时间常数。

    速度闭环和电流闭环解决了开路控制造成的电流波动和速度波动、解决了因波动造成转子过电流而导致跳全速的问题，使得高频斩波调速在实际运行中更平稳，更可靠。

2.3.10频敏变阻器平滑启动和故障转全速时平滑转全速。

    此装置启动时采用了可靠、成熟的液态电阻频敏变阻器，能把启动电流很好的控制在2.5倍额定定子电流以内。能在故障转全速时平滑投入，而使电机在转全速时冲击电流的过流冲击控制在2.5倍额定电流以内。

2.3.11 控制电源采用2备1用，能在路电源故障时自动切换

    2备电源分别从反馈绕组经过变压器和高压柜直流控制电源得到，能在正常380V控制的电源故障时自动切换而保护设备。

2.3.12 IGBT保护柜控制了它的过流

    装置拥有的IGBT保护部份使得在整流和斩波部分过来的过电流和过电压能通过控制IGBT分别在放电回路溢流过流和关断去逆变器的电压，有效的保护了电机和装置的模块不被烧毁。

3 使用效果及维护要求

    该装置从2006年7月1日投入使用以来，由于具有调速精度高、设备运行安全可靠、节电效果明显等优点，为我公司热电联产项目的安全、稳定、经济运行创造条件。

3.1节电效果

    一般电力行业锅炉送引风机均设计了30%左右的余量，用高频斩波调速能充分发挥它的节能效果，是企业节能降耗的重要手段。从我公司实际运行中证明采用内反馈斩波调速装置比不采用时可节能约20%～50%；我公司两台风机实际连续运行负荷为额定功率的70%，则一小时可节电255度，一年可节电204万度，节电效果非常显著，调速装置的投资在一年时间内就可收回，大大降低了生产运行成本。

3.2运行环境要求

    装置在整流部分有强大的滤波电路来抑制整流部分的毛毛刺（用示波器观察这些滤波电路，证明它消除毛毛刺是很成功的，附整流、斩波、逆变部分的波形），而这部分的电容和电阻散发的热量会造成整个控制柜的电力室温度过高，温度高反过来影响装置的电力电子元器件和IGBT模块和可控硅模块的寿命。为了解决这个问题，我公司拟加装1台5匹的空调来满足它的运行环境要求。 

3.3日常维护工作要求

    本装置保护比较全面，基本有什么故障都能在人机界面显示，因此日常维护工作比较简单，主要是巡检人机界面上电流、电压值是否异常，是否有什么报警；测量各断路器温度是否异常；测量各模块和器件温度是否异常；检查液态电阻液位和温度是否正常。如有故障可以转全速不停机打到检修位置进行检修。检修关键要有备件，因此现场的备件要求厂家必须给备全。

4  结束语

    内反馈高频斩波调速装置具有技术先进、性能稳定和节能效果明显等优势，采用该装置即使调速器出现故障时会自动平滑转全速而不影响生产。该装置在我公司的应用是成功的，类似送引风机等调速性能不高、调速范围不宽的风机，采用高频斩波调速装置，性价比高值得大力推广和应用。 

参考文献

      [1]陈伯时，电力拖动自动控制系统。北京：机械工业出版社第2版，1997

      [2]高频斩波调速装置技术文件。上海科祺调速电气有限公司2005. 7 

文章作者：邢一德