高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速在聊城電廠的應用
Application of High Voltage Chop Inner Feedback Speed Regulation in Liao Cheng Power Plant
山東聊城熱電有限責任公司 王昆侖
SHANDONG LIAOCHENG THERMAL-ELECTRIC POWER CO.,lTD. WANG KUNLUN
摘要：
斬波內(nèi)饋交流調(diào)速技術(shù)是我國首創(chuàng)，并具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，越來越被社會各界所認識和接受。本文分析和介紹了斬波內(nèi)饋調(diào)速的簡單原理和在聊城電廠的實際應用及節(jié)能分析。
Abstract：The chop inner feedback AC speed regulation is a new innovation technology in our country which has own inbbbligent property right, and has been understood and accepted by more and more circles in the world.This article analyses and introduces the brief principle of chop inner feedback AC speed regulation and it’s application in LiaoCheng power station and the energy savement analysis.
關(guān)鍵詞：輔機 節(jié)能 異步機 斬波內(nèi)饋 調(diào)速 功率控制 效率
Keywords: assistant engine, energy savement, asynchronism motor, chop inner feedback, speed regulation, power controlling, efficiency

前言
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展和電力系統(tǒng)商業(yè)化運營及競價上網(wǎng)的實施，發(fā)電企業(yè)挖掘內(nèi)部潛力，節(jié)能降耗日顯重要。發(fā)電企業(yè)輔機配置容量余度較大是一個普遍問題。另外，電力供應飽和，發(fā)電機組的調(diào)峰任務逐步加大。因此，推行輔機電機調(diào)速節(jié)能勢在必行。電機調(diào)速不僅可以節(jié)能降耗，還可以避免調(diào)峰時電機的頻繁啟停，降低電機故障率及延長電機使用年限，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。
山東聊城熱電有限公司（原聊城發(fā)電廠）是第一個在全國電力行業(yè)采用斬波內(nèi)饋交流調(diào)速的企業(yè)，繼1997年在#2爐乙送風機（300KW /4P-6KV）產(chǎn)品成功運行之后，先后在其它輔機上采用斬波內(nèi)饋調(diào)速，經(jīng)過長時間的實踐運行，產(chǎn)品可靠性及性能得到檢驗，收到了顯著的節(jié)能（35-52%）效果和經(jīng)濟效益。斬波內(nèi)饋調(diào)速在我廠的輔機應用如表1所示。

表1 斬波內(nèi)饋調(diào)速應用情況一覽表 （6KV）
序號 設備名稱 容量KW 極數(shù) 調(diào)速范圍 最大節(jié)能%
1 送風機 300 4 800-1450 43%
2 引風機 630 6 507-985 42%
3 送風機 710 8 421-745 34%
4 循環(huán)水泵 1250 12 320-485 55%
5 循環(huán)水泵 1250 12 320-485 57%

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KRH-2；
（2） 起動柜、斬波柜、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原電機相同，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
根據(jù)電機學的理論，電機的轉(zhuǎn)速與機械功率及電磁轉(zhuǎn)矩成如下關(guān)系：
（1）
式中： Ω 為機械轉(zhuǎn)速
PM 為機械功率
T 為電磁轉(zhuǎn)矩
又，根據(jù)能量守恒，有
， （2）
因此 。 （3）
其中：Pem 為電磁功率， p2 為轉(zhuǎn)子損耗。
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。

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，防止了設備的損壞。
（3）該調(diào)速設備可以在不停機的情況下自檢。即設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
1． 原理和設計可靠性；2。產(chǎn)品器件的可靠性；3。產(chǎn)品工藝的可靠性
4．1設計原理可靠性
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，而是鎖定在最小逆變角，因此，可以采取諸如鎖相環(huán)等抗強干擾電路，使有源逆變器的觸發(fā)脈沖非?？煽?，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。全部集成電路芯片均采用進口器件。
4．4 工藝方面
完善地電力電子器件的檢測設備 ；完善的生產(chǎn)工藝和專用設施 ； 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、應用情況
以下為山東聊城熱電有限責任公司#3循環(huán)泵電機及#3爐風機改造后的測試數(shù)據(jù)。
5．1 3#乙循環(huán)泵電機
電機技術(shù)參數(shù)
原電機：銘牌：Y1250-12/1730 電壓：6KV 額定電流：153A
功率：1250KW 額定轉(zhuǎn)速：495轉(zhuǎn)/分
改后電機：銘牌：YQT1250-12/1730 電壓：6KV 額定電流：148A
功率：1250KW 額定轉(zhuǎn)速：495-320轉(zhuǎn)/分
2000年12月在機組滿負荷運行，循環(huán)泵運行實驗原始數(shù)據(jù)

工況 循環(huán)泵電壓（V）KV 循環(huán)泵電流（I）A 循環(huán)泵轉(zhuǎn)速（n）轉(zhuǎn)/分 循環(huán)泵功率因數(shù)（cosφ） 循環(huán)泵消耗功率（Pxh）Kw
Ⅰ 6 88 380 0.537 491.08
Ⅱ 6 112 460 0.716 833.335

試驗結(jié)果的分析：
循環(huán)泵運行轉(zhuǎn)速為380轉(zhuǎn)/分時，消耗的功率為491.08kw；循環(huán)泵運行轉(zhuǎn)速為460轉(zhuǎn)分時，消耗的功率為833.355KW；循環(huán)泵低轉(zhuǎn)速時，一小時少耗電342.27KW，即機組滿負荷情況下，電機轉(zhuǎn)速降低17%，但耗電量降低了41%。若電機按每年運行5000小時計算，可節(jié)約約171萬千瓦時。按每度電0.3計算，可節(jié)約資金約51萬元。該循環(huán)泵電機改造費用為112萬元，因此，投資在2年多即可回收。若考慮機組的調(diào)峰，節(jié)電效果將會更明顯，投資回收期進一步縮短。
5．2 3#爐風機
2001年5月，山東聊城熱電有限責任公司對#3機組（100MW）甲乙引送四臺風機中的乙送風機、乙引風機進行了內(nèi)饋改造，現(xiàn)就乙引送風機試驗結(jié)果如下：
電機參數(shù)：乙引風機電機：YQT2710-8 710KW 電壓6KV
乙送風機電機：YQT2630-6 630KW 電壓6KV
乙引風機狀態(tài) 機組負荷100MW 機組負荷60MW
定速狀態(tài) 低速狀態(tài) 定速狀態(tài) 低速狀態(tài)
擋板開度（%） 41 44.5 24 27
電機轉(zhuǎn)速（r/m） 748 421 748 474
功率（KW） 260 210 213 138

乙送風機狀態(tài) 機組負荷100MW 機組負荷60MW
定速狀態(tài) 低速狀態(tài) 定速狀態(tài) 低速狀態(tài)
擋板開度（%） 84 93 39 48
電機轉(zhuǎn)速（r/m） 985 807 985 507
功率（KW） 458 324 274 136

由兩臺風機的試驗數(shù)據(jù)可以看出，風機在低速時，節(jié)能效果非常明顯。特別是乙送風機在機組低負荷時，通過合理的調(diào)整檔板，可以使功率損耗降低約70%；由于我廠只改造了乙送風機和乙吸風機，甲送風機和甲吸風機為定速電機，甲送風機乙送風機共用一風道，需通過合理的調(diào)整檔板來調(diào)整壓力平衡，若甲送風機及乙送風機同時進行調(diào)速改造，在機組低負荷時風擋板開度（93%）以上，乙送風機還有很大節(jié)能潛力待挖掘。

結(jié)束語
斬波內(nèi)饋調(diào)速在我廠順利投入生產(chǎn)以來，運行一直較為穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果在35%-52%，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)速將是高壓變頻調(diào)速的強有力的競爭對手。