勵磁調(diào)速裝置技術(shù)在企業(yè)中的節(jié)能運用

蘭青足

摘要
串級調(diào)速是交流異步電動機調(diào)速的一種類型,串級調(diào)速的思想就是將異步電動機的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)過三相橋式整流變?yōu)橹绷麟妷海�再在其直流�?cè)由可控硅逆變電路產(chǎn)生與其相反的直流電勢與三相橋式產(chǎn)生的直流電壓串聯(lián)，改變逆變角的大小來改變直流電勢的大小，達到調(diào)速的目的，同時還能提高電動機的運行效率和調(diào)速的經(jīng)濟性。
本文依據(jù)排風(fēng)機對電力拖動系統(tǒng)的要求，采用可控硅串級調(diào)速來控制其拖動電動機實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足排風(fēng)機對電力拖動系統(tǒng)調(diào)速性能和節(jié)能的要求。本文主要研究三相交流繞線式異步電動機可控硅串級調(diào)速系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)問題。包括系統(tǒng)的組成與工作原理，主回路的設(shè)計，控制回路設(shè)計，系統(tǒng)的靜、動態(tài)工作特性計算分析等。

關(guān)鍵詞： 可控硅, 串級調(diào)速, 整流, 逆變
隨著經(jīng)濟的騰飛，國內(nèi)企業(yè)用電量需求劇增，為了更好的節(jié)約電力能源，在企業(yè)生產(chǎn)中對電機部分進行了改造，可以達到經(jīng)濟運行，節(jié)約電能。
串級調(diào)速源于英語“cascade control”，意為“級聯(lián)控制”，系指當(dāng)時異步機轉(zhuǎn)子與外附的直流電動機兩級聯(lián)接所形成的調(diào)速，雖然后來改進，用靜止的電力電子變流裝置和變壓器取代直流電動機，但串級調(diào)速的稱謂被習(xí)慣地沿用下來。
　 十幾年前，串級調(diào)速作為一種高效率的交流無級調(diào)速曾經(jīng)盛行一時，隨著近代變頻調(diào)速的興起，串級調(diào)速日漸蕭條，被誤認為是落后的調(diào)速技術(shù)。尤其在高壓大容量風(fēng)機泵類節(jié)能方面，串級調(diào)速的某些優(yōu)勢表現(xiàn)的更為明顯。實踐是檢驗真理的唯一標準，在近代工業(yè)迫切呼喚交流調(diào)速發(fā)展的今天，尤其是風(fēng)機水泵調(diào)速節(jié)能迫在眉睫，我們應(yīng)該反思，如此輕率地放棄串級調(diào)速是否明智？
如何評價交流調(diào)速技術(shù)的優(yōu)劣，不同的需求有不同的標準。但普遍的共識是：⑴ 效率高；⑵ 調(diào)速平滑即無級調(diào)速；⑶ 調(diào)速范圍寬；⑷調(diào)速產(chǎn)生的負面影響（如諧波、功率因數(shù)等）小；⑸成本低廉。如果把高壓型變頻調(diào)速和串級調(diào)速應(yīng)用作以對比，就會發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速并非如我們期望的那樣理想，而串級調(diào)速也不象我們評價的那樣遜色。
一、異步電機調(diào)速節(jié)能
1、工業(yè)生產(chǎn)拖動系統(tǒng)中，使用異步電動機占80%以上，其中風(fēng)機泵類負載約60%～ 70%，傳統(tǒng)上是靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板和閥門來調(diào)節(jié)流量，如果使用調(diào)速手段來調(diào)節(jié)流量，可以節(jié)約大量電能。
Q≡ n1 流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比
H≡ n2 壓頭與轉(zhuǎn)速二次方成正比
P ≡ n3 軸功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比
2、異步電機調(diào)速方法很多，但從原理上看有3個因素影響轉(zhuǎn)速，這3個因數(shù)是：頻率（ f ）、轉(zhuǎn)差率（S）和電機極對數(shù)（P）。有如下關(guān)系：

 

其中：
n為異步電機轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
f為電源頻率（Hz）
S為轉(zhuǎn)差率
P為電機極對數(shù)
異步電機調(diào)速方法

 

二、勵磁串級調(diào)速原理
1、研制推廣這個系統(tǒng)的指導(dǎo)思想
●要解決的是高壓、大功率（300kW ～4500kW)繞線型異步電動機帶風(fēng)機、泵類負載的調(diào)速運行
●高效率
●節(jié)約的電能對電 網(wǎng)不產(chǎn)生污染，無高次諧波
●容易安裝、調(diào)試、運行、維護、檢修
2、勵磁調(diào)速裝置原理圖

調(diào)速的基本原理是:在調(diào)速主電機轉(zhuǎn)子回路中引入附加電勢,轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感生電動勢必須克服這一電勢,繞組中才能流通電流,轉(zhuǎn)子繞組有了電流才能產(chǎn)生電動力,被控主電機才有帶負載能力。在勵磁調(diào)速裝置的應(yīng)用中，附加電勢由直流電機電樞電壓提供，由于直流電機的轉(zhuǎn)速被限制在很小的范圍內(nèi)，可以認為直流電機的轉(zhuǎn)速基本不變。所以，電機電樞電壓的大小決定于直流機勵磁電流的大小，只要控制直流機勵磁電流，就可以控制主電機的轉(zhuǎn)速。
三、勵磁串調(diào)與其他調(diào)速方法的比較
1、與變頻調(diào)速方法比較
 

 

取dPs/dS=0，S=1/3，轉(zhuǎn)差功率最大值出現(xiàn)在S=1/3，也就是n=(2/3) n0時。將S=1/3代入Ps=S (1-S)2 Pm ，Ps=0.148Pm≈0.15PN
這說明串級調(diào)速控制的轉(zhuǎn)差功率不超過15%電機額定功率，而不是像變頻調(diào)速控制電動機的全部功率。
關(guān)于調(diào)速裝置效率問題，變頻調(diào)速裝置是靜止電力電子器件，似乎比數(shù)控勵磁串調(diào)高，其實不然，因為變頻裝置的效率高（例如95%）然而它消耗的5%是大功率的5%，而數(shù)控勵磁串調(diào)是控制的轉(zhuǎn)差功率，假設(shè)變頻與勵磁串調(diào)功耗相等，下式成立：
(1-ηf）Pe=0.15Pe (1-η機串)
設(shè)ηf=0.95，計算出η機串=0.666
說明只要勵磁串調(diào)效率大于0.666，節(jié)能就比變頻調(diào)速多，實際上勵磁串調(diào)效率在0.8以上。

2、與晶閘管串級調(diào)速相比

 

晶閘管串級調(diào)速有3個要害問題：
1）逆變失敗
2）高次諧波對電網(wǎng)的污染
3）功率因數(shù)低
晶閘管三相全控橋，當(dāng)運行在逆變狀態(tài)時，其共陽極極性為正，共陰極極性為負，所以在一個支臂上的上下兩元件，一個導(dǎo)通，一個必須關(guān)斷。經(jīng)逆變輸出波形一個周期為6階梯波，與正弦波相差甚遠，含有很強的5、7次諧波。回收的電能是對電網(wǎng)產(chǎn)生污染的。
當(dāng)主機轉(zhuǎn)速較高時，此時轉(zhuǎn)差功率較小，回收的有功不多，而此時電流較大，起到調(diào)節(jié)直流電壓的作用，保證逆變角小從而減小無功功率，這可以把功率因數(shù)提高0.2。
最近又有內(nèi)反饋式晶閘管串級調(diào)速，把轉(zhuǎn)差功率不是反饋到電網(wǎng)，而是反饋到主電機定子槽內(nèi)，多嵌一套反饋繞組，好處是省一個逆變變壓器。已經(jīng)運行的繞線型異步電動機要更換為內(nèi)反饋式電動機，而上述晶閘管串級調(diào)速3個要害問題依然存在。
勵磁串級調(diào)速：
因為靠異步電機發(fā)電把轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)化后送到電網(wǎng)，因此沒有逆變失敗問題，其電壓、電流波形都是正弦波，回收的電能是干干凈凈的，能全部被其他用電設(shè)備利用，異步電機發(fā)出的電能其電壓波形和電流波形是正弦形的。表計量測不出來諧波。
異步電機的電壓與電網(wǎng)電壓配合相當(dāng)好，完全不需要逆變變壓器，直流電機的電樞電壓通過勵磁電流調(diào)節(jié)，相當(dāng)平滑，從0可調(diào)到額定電壓。

結(jié)束語
簽于勵磁串調(diào)優(yōu)點，現(xiàn)在已應(yīng)用在本企業(yè)水泥廠的生產(chǎn)線，窯頭風(fēng)機、窯尾風(fēng)機、煤磨風(fēng)機、高溫風(fēng)機、原料磨循環(huán)風(fēng)機上，并且反映良好。因此為了提高電動機的運行效率和調(diào)速的經(jīng)濟性，達到經(jīng)濟運行、節(jié)約電能的目的，勵磁串調(diào)將被會廣泛的應(yīng)用到企業(yè)中去。

參考文獻:肖蘭 馬愛芳 <電機與拖動> 中國水利水電出版社 2004年8月第一版 第64頁
謝明琛 張廣溢 <電機學(xué)> 重慶大學(xué)出版社 2004年5月第二版 第213/246頁
 

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