1 引言

　　風機和水泵在國民經(jīng)濟各部門中應用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關部門的統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機的耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。

　　眾所周知，風機、水泵設備是用來輸送氣、水等流體物質的，在很多情況下，這些流體的流量需要調節(jié)控制。在我國，流體流量的調節(jié)大多采用為閥門或擋板控制即所謂的全速節(jié)流方式實現(xiàn)。由于用閥門或擋板調節(jié)時存在節(jié)流損失，而且節(jié)流增大了管阻，泵和風機往往運行在低效區(qū)，加上泵和風機的能耗特性，造成這種調節(jié)方式的效率很低。據(jù)統(tǒng)計，全速節(jié)流調節(jié)方式的平均運行效率不到45%。我國有近一半的發(fā)電量被風機、水泵所消耗，年耗電量達2萬多億kw·h，而設備的平均運行效率不到45%，比國際水平低20％，存在著嚴重的能量浪費。因此采用高效節(jié)能的運行方式利國利民、勢在必行。

　　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窯尾風機上應用了高頻斬波串級調速系統(tǒng)，下文即對應用情況進行介紹和分析。

2 sec高頻斬波串級調速系統(tǒng)的原理和主要功能

　　2.1 sec系列高頻斬波串級調速系統(tǒng)的原理

　　串級調速，即在轉子回路中串入可吸收轉差功率的附加電動勢，通過改變附加電動勢的大小，來達到改變轉子電流，進而改變電磁轉矩和轉速的目的。轉速在低于同步轉速下調整，同時將轉子回路的轉差功率回收，達到高效節(jié)能目的。

　　當在轉子回路引入附加電動勢ef時的等效電路如圖1所示：

　　由此可見，改變附加電動勢ef的大小，就可相應改變電機的電磁轉矩的大小，進而改變電機的轉速。

　　sec高頻斬波串級調速系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)由啟動單元、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，而等效電勢大小的調節(jié)由斬波器來完成。

　　2.2 設備構成

　　2.2.1 啟動單元

　　啟動單元由頻敏變阻器（pf）、接觸器1km、接觸器2km構成。大型電動機，特別是繞線式電動機，起動電流較大，啟動時對電網(wǎng)造成較大的沖擊。為減少起動電流，使電機平穩(wěn)起動，在高頻斬波串級調速裝置中，加設了自動切換的起動裝置。在電機起動時，1km閉合，2km打開，電機轉子串入三相頻敏變阻器pf。頻敏變阻器的電阻與流過的電流的頻率成正比關系，當電機起動時，電機轉速為零，轉子電流頻率最高，為工頻頻率，此時頻敏變阻器阻值也較高，從而限制了起動電流。隨著電機轉速的增加，轉子電流頻率逐漸減少，頻敏變阻器阻值也逐漸減小。當電機定子電流低于設定的允許值時，裝置自動將2km閉合，切除頻敏變阻器，完成起動過程。

　　2.2.2 整流單元

　　整流單元為三相全波整流，將轉子電流轉換為直流電流。保護用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元件實現(xiàn)，使得斬波頻率進一步提高，直流電流更為平穩(wěn)，系統(tǒng)體積更小、更為緊湊。通過調節(jié)斬波器導通時間與斬波周期的比率（即占空比或pwm脈寬調制），來改變串入轉子回路的等效電勢的大小，從而改變轉子電流和轉差率，達到調節(jié)電機轉速的目的。同時通過逆變變壓器將轉差功率吸收并回饋至電網(wǎng)，使得系統(tǒng)功耗達到最小。

　　將逆變器的逆變角固定在最小，獲得最大反電勢：

　　u1=1.35u2cosβmin （3）

　　通過pwm調制斬波電子開關，調節(jié)等效反電勢的大小：

　　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，裝置工作于調速狀態(tài)時，將經(jīng)斬波控制后的轉差功率逆變至內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)的對觸發(fā)脈沖和換相要求嚴格、脈沖移動范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點。同步信號取自內反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號，具有抗干擾、多重數(shù)字鎖相、自動配相等功能。

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

　?。?）對igbt、保護用scr及有源逆變器的脈沖控制及pwm調制。

　　（2）實現(xiàn)裝置所有的自動控制和閉鎖邏輯;

　?。?）所有保護的測量、整定、邏輯、報警及出口;

　?。?）系統(tǒng)運行有關的操作、顯示、報警等信息的處理及指示;

　?。?）實現(xiàn)裝置與外部系統(tǒng)的通訊管理;

　?。?）裝置參數(shù)整定和實驗等輔助功能;

　?。?）控制箱可通過觸式鍵盤實現(xiàn)就地操作，包括運行、停止、全速、調速、自檢、自動/手動、開環(huán)/閉環(huán)、遠方/就地等與運行有關的操作。同時通過菜單方式，可對裝置基本參數(shù)及運行模式進行設置;

　　（8）為滿足控制室集中控制的需要，可在遠方進行與裝置運行有關的操作;

　?。?）系統(tǒng)保留有與上級計算機網(wǎng)絡、pc機等進行通訊的端口。

3 高頻斬波串級調速系統(tǒng)在水泥廠中的應用情況

　　騰輝廣安水泥有限公司＃1窯尾風機和＃2窯尾風機電機的高頻斬波串級調速系統(tǒng)改造分兩期進行，分別于2005年9月和2006年7月投入運行，其間相關人員對該系統(tǒng)進行跟蹤監(jiān)測，并對部分數(shù)據(jù)進行了重點測試。下面就＃1窯尾風機電機的高頻斬波串級調速系統(tǒng)改造情況作一介紹。

　　3.1 電機和調速系統(tǒng)參數(shù)

　?。?）電機參數(shù)

　　電機型號：jrq157-10;

　　制造廠：上海電機廠;

　　額定功率：260kw;

　　額定轉速：588r/min;

　　額定電壓：6kv;

　　額定電流：33a;

　　轉子開口電壓：417v;

　　轉子額定電流：399a。

　?。?）調速裝置參數(shù)

　　設備型號：secy01-6/260/10;

　　制造廠：保定華仿電控有限公司;

　　電機額定容量：260kw;

　　電機額定電壓：6kv;

　　額定直流電壓：350v;

　　額定直流電流：490a;

　　調速范圍：280～588r/min;

　　逆變變壓器容量：180kva。

　　3.2 測試結果

　　該系統(tǒng)的部分測試結果如附表所示：

　　3.3 測試結果分析

　?。?）調速狀態(tài)時的節(jié)電率和年節(jié)電量

　　節(jié)電率（％）：

　　按（p0-p1）/p0*100%公式計算，實測各占空比對應全速的節(jié)電率，其中：p0為滿負載時實測有功功率，p1為調速時實測有功功率，結果見附表。

　　實際系統(tǒng)經(jīng)常運行在470r/min左右，其實際運行的節(jié)電率約為50％?？梢姽?jié)點效果非常明顯。

　　年節(jié)電量（kw·h）：按年運行300天核算，則年節(jié)電量：=260×300×24×節(jié)電率％，結果見附表。

　　系統(tǒng)實際經(jīng)常運行在470r/min左右，按節(jié)電率50％計算，則這一臺260kw電機實際的年節(jié)電量可達：260×300×24×50％＝936000kw·h。

　?。?）轉速控制精度

　　實測轉速的控制精度很高，基本都在99.9%或99.8%，亦即轉速誤差《0.2%。

　?。?）轉速與占空比的關系

　　可以看出，轉速隨占空比減小而減小，且基本呈線性變化。

　?。?）電機溫度與轉速的關系

　　可以看出，電機溫度隨轉速減小而降低。

4 該系統(tǒng)的技術特點

　?。?） 具有良好的調速機械特性和節(jié)能特性；

　?。?） 由于串級調速是在電機轉子側施加控制，其控制電壓低，系統(tǒng)可靠性高；

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

　?。?） 多種操作控制模式（開環(huán)/閉環(huán)、就地/遠方、實驗/工作、全速/調速、sec/dcs控制）可互相轉換;

　?。?）系統(tǒng)具有多種保護功能，如轉子過流、電流失恒;反饋過流、電流失恒、電壓失恒；直流過流、過壓、低電壓（逆變顛覆）、失波、igbt過流、快熔保護、頻敏保護、溫度保護等;

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

　?。?）系統(tǒng)具有自診斷功能，可對接觸器、高壓開關、高壓電源、快熔、頻敏等設備監(jiān)測；泵/風機等負載狀態(tài)監(jiān)測；工作電源、直流過流、過壓、低電壓、失波、igbt過流、溫度保護自動診斷，保證系統(tǒng)的可靠運行。

5 結論

　?。?）高頻斬波串級調速系統(tǒng)裝置運行可靠，節(jié)能效果明顯，已達到項目實施目的。

　　（2）節(jié)電率

　　節(jié)電率隨轉速下降而增長，轉速越低節(jié)能效果越明顯。

　?。?）調速的平穩(wěn)性與連續(xù)性

　　該電機采用頻敏變阻器啟動方式，啟動電流小，電機啟動的沖擊小。電機由全速轉調速狀態(tài)時，電機轉速由最高轉速平滑降至設定轉速，電機轉速變化連續(xù)性、平穩(wěn)性好。同時調速系統(tǒng)溫升不高，運行穩(wěn)定可靠。

　?。?）調速的范圍和精度

　　調速的范圍寬，調速精度高，可每次調整1轉。調速控制裝置運行穩(wěn)定，抗干擾能力強。

　　（5）電機溫升

　　電機溫度在64～68℃之間，在正常范圍之內。由此可見，電機運行穩(wěn)定可靠。

6 結束語

　　高頻斬波串級調速系統(tǒng)在廣安騰輝水泥有限公司順利投入生產(chǎn)以來，運行一直穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果非常明顯。實踐證明，該系統(tǒng)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(jīng)濟性。

　　目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，其關鍵還是制造成本的競爭。而電動機電耗就占成本近30％，拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高頻斬波串級調速系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。