產(chǎn)品展示
大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能 運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
徐甫榮
(國家電力公司熱工研究院，陜西西安710032）
摘 要：指出了發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速運(yùn)行的必要性和巨大的節(jié)能潛力；討論了各種調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并作出了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級(jí)調(diào)速；無刷雙饋電機(jī)
4.3繞線式電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速
繞線式電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速，雖然也是通過改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率來達(dá)到調(diào)速目的的，但它與能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速不同，關(guān)鍵的差別在于對(duì)轉(zhuǎn)差功率的處理上。能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速是將調(diào)速中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率變成熱能消耗掉，而串級(jí)調(diào)速卻是通過交－直－交變頻器和變壓器，將轉(zhuǎn)差功率反饋回電網(wǎng)，因此是一種高效的調(diào)速方式。
4.3.1普通串級(jí)調(diào)速
從電機(jī)學(xué)原理可知，為了實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，除了采用在轉(zhuǎn)子回路中串電阻的方式外，還可采用在轉(zhuǎn)子回路中串電勢的方法。這種在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢進(jìn)行調(diào)速的方法，稱為繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速。
串級(jí)調(diào)速的關(guān)鍵是串入到轉(zhuǎn)子回路的電勢Ef的頻率必須與轉(zhuǎn)子電勢頻率f2相等，但f2是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，即f2是由旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0（對(duì)應(yīng)f1）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n決定的，即(圖1)
式中：p——磁極對(duì)數(shù)；
s——轉(zhuǎn)差率。
但要串入一個(gè)永遠(yuǎn)跟隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的電勢Ef是相當(dāng)困難的。解決的辦法是先把轉(zhuǎn)子電勢整流成直流電勢Ed，再在此直流電路中串入一與Ef相當(dāng)?shù)目烧{(diào)節(jié)的直流電勢，就可避免隨時(shí)改變Ef頻率的困難了。具體地實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)速有下述三種方式：
1）由一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)與主繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫機(jī)械串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)或叫克萊墨系統(tǒng)。
2）由一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)與主繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫電機(jī)式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)或謝菲爾畢斯系統(tǒng)。
3）由變頻器與繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)或靜止謝菲爾畢斯系統(tǒng)。
上述第一種及第二種串級(jí)調(diào)速方式過去早有應(yīng)用。第三種晶閘管串級(jí)調(diào)速是一種新的串級(jí)調(diào)節(jié)方式，它在目前應(yīng)用最廣泛，已有取代第一、二種串級(jí)調(diào)速的趨勢。
與轉(zhuǎn)子串電阻方式相比較，轉(zhuǎn)子串電勢的優(yōu)越性是可以回收轉(zhuǎn)差功率，僅晶閘管等換流器件產(chǎn)生一些不大的損耗，所以繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。
晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)又可分為低（次）同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)和超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)兩種。當(dāng)串接到繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的附加電勢Ef與轉(zhuǎn)子電勢SE20反向時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只能朝電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下的方向調(diào)節(jié)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速恒低于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，稱為低（次）同步串級(jí)調(diào)速。當(dāng)Ef與SE20既可同向串接，又可反向串接時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速既可高于又可低于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，稱為超同步串級(jí)調(diào)速，或稱為雙饋調(diào)速。
圖19所示為低同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其工作原理為：繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差電勢E2（SE20）經(jīng)三相整流為直流電勢Ed，再經(jīng)電抗器L濾波后，加到三相逆變橋。由晶閘管組成的三相有源逆變橋的作用有兩個(gè)：一是從電網(wǎng)為轉(zhuǎn)子回路提供附加直流電勢Eβ，它與外串附加交流電勢Ef相當(dāng)，因是低同步串級(jí)調(diào)速，所以它的方向與轉(zhuǎn)子直流電勢Ed相反；二是把直流電再逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的三相交流電，從而把轉(zhuǎn)差功率Ps通過逆變變壓器T匹配成電網(wǎng)電壓，送回電網(wǎng)。
圖20為超同步晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。它與低同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主要區(qū)別是把由二極管組成的整流橋改為由晶閘管組成的可控整流橋，這樣它既可作整流橋用，又可以作為逆變橋使用。當(dāng)超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在低同步范圍調(diào)速時(shí)，可控整流橋作用與不可控整流橋完全相同，而在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時(shí)，原來的逆變橋成為整流橋，它通過變壓器從電網(wǎng)吸收交流能量，并將其整流為直流電；而原可控整流橋則成為逆變橋，它把直流電變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)子頻率相同的交流電。這樣，超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)其定子繞組由工頻電源供電；而轉(zhuǎn)子繞組則由變頻電源供電，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子變頻電源的頻率就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。顯然，繞線式異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式與鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式不同，后者僅由定子側(cè)供電，而前者是由定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)雙向供電。因此，超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)又稱雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
低同步晶閘管串級(jí)調(diào)速方式用于泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速時(shí)，其主要優(yōu)點(diǎn)為：
1）晶閘管串級(jí)調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。一般而言，晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率（即電動(dòng)機(jī)和調(diào)速裝置的綜合效率ηZ）應(yīng)高于鼠籠式電動(dòng)機(jī)及變頻裝置的綜合效率ηZ。這是因?yàn)榫чl管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，只有轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變頻器；而鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，其由電網(wǎng)輸入的全部有功功率都要通過變頻器。所以從通過變頻器的功率損失（稱為換流損失）來看，顯然晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)要小得多。圖14為典型晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的ηZ及cosφ值，ηZ定義為
式中：PB指電網(wǎng)凈輸出，不包括輸入后又輸出的轉(zhuǎn)差功率。
2）晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)具有在發(fā)生故障或其它原因時(shí)自動(dòng)切換至額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的功能。故當(dāng)串級(jí)調(diào)速裝置有故障時(shí)，泵與風(fēng)機(jī)仍可以繼續(xù)工作。此外，由于晶閘管串級(jí)調(diào)速裝置的硅二極管、電抗器、晶閘管、變壓器等元器件要產(chǎn)生電壓降，故串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到原電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的95％左右，因此，若要電動(dòng)機(jī)在原額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，亦需把串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)從“調(diào)速狀態(tài)”切換到異步狀態(tài)。
3）調(diào)速裝置由靜止元器件組成，噪聲小，易于維護(hù)，壽命長；當(dāng)泵或風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍較小時(shí)，調(diào)速裝置的容量可大大減小，價(jià)格也相應(yīng)降低。
晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)存在的主要問題是：
1）晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)低。如圖21所示，在100％額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總功率因數(shù)cosφ還不到0.6；在50％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)還不到0.3。造成系統(tǒng)總功率因數(shù)低的主要原因是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管逆變器在工作時(shí)需要吸收無功功率。另外還有兩個(gè)原因是系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流器的作用，使電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)轉(zhuǎn)功率因數(shù)變差；系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)和逆變變壓器的電流波形發(fā)生畸變，其電流中的高次諧波分量引起的畸變功率，使系統(tǒng)的總功率因數(shù)變差。后兩個(gè)原因所造成的系統(tǒng)總功率因數(shù)降低約10％左右。
2）產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)有污染。在晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接的硅二極管整流器和晶閘管逆變橋，使每相正弦電流畸變而包含著一定分量的高次諧波。高次諧波電流不只對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)本身產(chǎn)生不良影響，更重要的是對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的污染，使電網(wǎng)的電流波形產(chǎn)生畸變。諧波不僅增大電網(wǎng)及串調(diào)系統(tǒng)的損耗，降低電網(wǎng)及串調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且還使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子損耗與轉(zhuǎn)子損耗增加；使電源變壓器損耗增加，噪聲增大；可能引起母線與補(bǔ)償電容器和線路上的感抗元件發(fā)生共振，而使電容器過熱;可能導(dǎo)致并聯(lián)工作的晶閘管變流裝置相互干擾而控制失調(diào)；給測試裝置和通訊設(shè)備帶來電磁干擾。
提高功率因數(shù)的措施：
1）具有斬波環(huán)節(jié)的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。所謂帶斬波器的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，就是在傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路的二極管整流橋與晶閘管逆變橋電路之間并聯(lián)接入一個(gè)斬波器，如圖22所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的超前角β固定在最小安全超前角βmin不變，通過調(diào)節(jié)斬波器的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因cosβmin值較大，逆變器從電網(wǎng)需要的無功功率減小，故使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)比一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)高0.2～0.3。目前上海電器成套廠生產(chǎn)的帶斬波器的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的容量已達(dá)550kW。
斬波器通常由普通晶閘管構(gòu)成。若采用可關(guān)斷晶閘管（GTO）或電力晶體管（GTR）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等全控型電力開關(guān)器件，則其控制線路可大為簡化。
2）對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的電力半導(dǎo)體開關(guān)器件用全控型開關(guān)器件（如GTR、GTO、IGBT等）取代普通的晶閘管，由于GTR、GTO、IGBT等具有自關(guān)斷能力，且開關(guān)頻率高，因此逆變器可作成PWM型，輸出的電壓或電流為近似正弦波形，不但高次諧波量少，而且有高的功率因數(shù)。
雙饋調(diào)速系統(tǒng)與（低同步）串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：
1）雙饋調(diào)速系統(tǒng)不但可以在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，還可以在同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速；而且在同步轉(zhuǎn)速上、下，既可以電動(dòng)運(yùn)行，又可以制動(dòng)運(yùn)行。而晶閘管串調(diào)系統(tǒng)只能在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，沒有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
由于雙饋調(diào)速可以在同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速，所以只要電動(dòng)機(jī)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，便可以發(fā)出比額定功率大的功率。這對(duì)于火力發(fā)電廠的鍋爐給水泵等這類大容量、高轉(zhuǎn)速泵具有很大意義，因?yàn)檫@些泵的轉(zhuǎn)速比電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速高，而使用雙饋調(diào)速系統(tǒng)不用增速齒輪就可達(dá)到。
2）雙饋調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)比串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)高，且高次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾較小。
3）雙饋調(diào)速系統(tǒng)的線路比串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜，初投資也高，維護(hù)較困難，要求工人具有較高的文化技術(shù)水平。
雙饋調(diào)速系統(tǒng)和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是不需要調(diào)節(jié)全部傳動(dòng)功率的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，因此，經(jīng)變頻裝置的功率僅僅是傳動(dòng)功率的一部分（轉(zhuǎn)差功率），這部分功率的大小和調(diào)速范圍成正比例。這種調(diào)速方式最適用于調(diào)速范圍不大的場合。另外，因只需對(duì)傳動(dòng)功率的一部分進(jìn)行變頻，所以能量變換裝置中的能量損失較小。在各種可調(diào)速的電氣傳動(dòng)方式中，雙饋調(diào)速和串級(jí)調(diào)速的效率是最高的。
其次，雙饋調(diào)速系統(tǒng)和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)都具有較高的可靠性，即使在變頻裝置發(fā)生故障時(shí)，仍可將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子短接使其工作在不調(diào)速狀態(tài)。對(duì)于火電廠的鍋爐給水泵、鍋爐送、引風(fēng)機(jī)以及核電站的循環(huán)泵等可靠性要求高的重要設(shè)備來說，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是很重要的。
4.3.2內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)
作為近代交流調(diào)速技術(shù)的重要分支，晶閘管串級(jí)調(diào)速曾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)的迅速崛起，串級(jí)調(diào)速受到了很大的沖擊。除了理論上的誤導(dǎo)作用之外，串級(jí)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。
內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)就是旨在克服傳統(tǒng)的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)而提出的新型附加電勢調(diào)速方案。圖23為內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理簡圖。
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