高压斩波内馈调速技术应用在大连东山热力有限公司

前 言
　　能源是人类生存，社会发展的必要物资基础，是国家的经济命脉。长期以来，能源问题被认为是带有战略性的问题，受到普遍和高度重视。 
　　随着热电工业的迅速发展和热力电力系统商业化运营的竞价上网的实施，能源消耗增加速度远远超过人口增长速度，是现代工业和科技高度发展的结果，而且煤、油、天然气主要能源都是"非再生能源"节约能源势在必行。节能方法的研究和应用被国家政府和学者引起高度重视，曾培炎副总理就"斩波"技术作了重要批示："内馈调速"较"变频调速"既节能又价廉，将会在很多领域得以应用，应组织行业鉴定，及时申请"。
    就目前热力公司、热电企业内部挖潜，节能降耗，提高企业效益日显重要。新建项目首先想到就是节能，斩波内馈交流调速是我国*，具有独立自主知识产权的高科技技术，产品论和实践证明，它是优于高压变频调速的，其调速效率，功率因数，谐波电流等优于变频，更主要的是经济成本仅为变频的1/3左右，通过在大连东山热电的应用，取得了较好的节能效果，从而给企业带来了巨大的经济效益。
　　大连东山热电有限公司供热工程，于2002年开始施工，在项目选型上，当时考虑为变频调速，经考察变频器在高压10KV上不能应用，经过反复调研，公司zui终选用了保定北方调速有限公司生产的"斩波内馈调速系统"。斩波内馈调速技术在我厂的辅机应用如下：
1、斩波内馈交流调速系统构成
　　1.1 调速控制装置构成； 
　　　　（1） 调速控制装置型号为ZNT-2000型；
　　　　（2） 起动整流柜、斩波逆变柜。
　　　　（3） 具有就地控制：启动、停止、调速、全速切换功能；具有远方控制；
　　　　（4） DCS自动控制接口，转速指令信号4-20mA，转速输出信号4-20mA，自动/手动，调速控制ID信号。
　　1.2 斩波内馈调速电机
　　内馈调速电机的安装尺寸与普通电机兼容，并与斩波控制装置成为并联关系，当调速控制装置意外故障时，自动保护装置可以自动将电机切换成恒速运行，不至于造成电机停运，提高了系统的可靠性。
2、斩波内馈调速系统基本原理
　　斩波内馈调速是一种以低压（通常约为200-500V）控高压（6KV-10KV）的率调速技术，突出特征在于"内馈"与"斩波"两项高新技术的有机结合。
　　2.1 内馈调速及其功率控制原理 
　　根据电机学的理论，电机的转速与机械功率及电磁转矩成如下关系：



式中：　Ω 为机械转速
　　　　PM 为机械功率
　　　　T 为电磁转矩
又，根据能量守恒，有

 

因此  
其中：Pem 为电磁功率， P2 为转子损耗。 
　　公式（2）表明，电机转速可以通过电磁功率或损耗功率两种控制获得调节。电磁功率控制改变的是理想空载转速，调速是率的；损耗功率控制增大转速降，调速是低效率的。所有调速方法都归属于功率控制原理之中。这一原理便是内馈调速发明人屈维谦提出的"电机调速的功率控制理论"（即P理论）。
　　由于电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小，当负载转矩一经为客观的工况所确定之后，电磁转矩就随之被决定了，因此，电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变。动态转矩对转速的作用只表现在调速的过渡过程中，转矩的变化是功率控制和转速响应滞后的结果，在一定的功率控制作用下，动态转矩随转速响应自动减小，直至新的负载平衡时为零。因此，电机转速只能通过功率控制来实现。 
　　内馈调速是基于转子的率电磁功率控制调速，通过将转子的部分功率（即电转差功率）移出来，使转子的净电磁功率发生改变，于是根据P理论，电机转速就相应得到控制。为了获得高性能的调速，加强电机调速的内因，内馈调速在电机定子上另外设置了内馈绕组，用来接受电转差功率，有源逆变器使内馈绕组工作在发电状态，通过电磁感应将功率反馈给电机定子。使定子的有功功率基本与机械输出功率相平衡，内馈调速因此而得名。与变频调速相比，斩波内馈调速只是控制对象不同，两者遵循的是同一原理，因此并不存在本质的区别。  
　　2.2 斩波的作用与意义
　　斩波器的作用相当于按一定的频率、周期性地接通和关断的高速开关。控制斩波的占空比，就可以实现对逆变电流的控制，也就是控制了反馈到内部内馈绕组的电流和功率，从而实现内馈调速。其意义在于：
　　（1） 使有源逆变器的功率因数可以高达0.9，且恒定不变。
　　（2） 逆变电流的谐波有效值可以降低到移相控制的15%左右。 使内馈电机的定子电流畸变小于5%。
　　（3） 有源逆变器的额定容量仅为电机容量的14.8%， 加上触发简单，使可靠性大为提高。
　　（4） 附加电源容量亦为电机容量的14.8%，对于内馈调速电机，可大大减小内馈绕组所占的铁心空间，简化工艺，降低成本。 
　　3、斩波内馈调速系统的控制及运行方式
　　由于系统调速范围及运行特性的需要，设置了频敏变阻器启动和调速停止方式。
　　（1）启动时，直接控制高压开关柜，电机经频敏启动，可以减小启动电流并增大启动转矩。
　　（2）调速运行时，直流回路存在较大的电磁能量，如果直接停电，将产生过电压使可控硅损坏。所以调速停车时，设置的逻辑控制会自动转到全速后再停车。事故停电有断电和过压保护，防止了设备的损坏。
　　（3）该调速设备可以在不停机的情况下自检。即设备可在全速运行状态时，可以用低电压小电流模拟调速运行，这样可在不影响运行的情况下检测斩波器和逆变器是否正常，给检修带来极大的方便。 
　　（4）在集控室实现远方操作。该方式与本机操作相同，且更加方便；
　　（5）DCS控制方式。远方操作指令在给定4-20mA控制信号下实现稳定、平滑调速，并在出现断线故障时能够保持原来给定转速，同时发出断线报警信号。
　　4、系统可靠性
　　产品的可靠性一般指产品连续无故障运行时间和抑制故障自动保护能力。主要决定于原理和设计的可靠性；产品器件的可靠性；产品工艺的可靠性。
　　4.1 设计原理可靠性
这是非常重要的，特别是调速控制主电路，避免了电力电子器件的串并联，实现低压控制高压；控制主电路力求简单，可控电力电子器件尽量少，zui大程度地保证产品可靠性。
    采用斩波技术使有源逆变器的控制脉冲不再移动，而锁定在zui小逆变角，因此，可以采取诸如锁相环等抗干扰电路，使有源逆变器的触发脉冲非常可靠，基本解决了有源逆变器可靠性的一大技术难题。
　　4.2 故障兼容能力
    任何控制设备都不可能有的完全可靠，提高系统可靠性的关键在于提高系统的故障兼容能力。
    斩波内馈调速装置与调速电机恒速运行装置成为并联关系，当调速控制装置意外故障时，自动保护装置可以自动将电动机切换成恒速运行，不至于造成电动机停运，此时，电动机只是不能调速而已，可将故障影响缩小到zui小限度。 
    精心设计的DCS接口，全数字电路，具有256位的数模转换，突加给定缓冲，输入短线不影响调速运行等功能。系统由调速转全速，不是回到起动状态然后再转入全速，而是自动在当前转速基础上平滑加速，待到转速接近额定值时，自动转入全速运行。避免了转换冲击。
　　4.3 电子器件
    YQT型斩波内馈调速产品的主要电力电子器件晶闸管选用了进口产品；主要电器产品采用真空接触器和进口继电器；电子器件采用PLC可编程逻辑控制器进行程序控制，zui大限度减小继电器数量，产品可靠性得到提高。全部集成电路均采用进口器件。
　　4.4 工艺方面
    完善的电力电子器件的检测设备；完善的生产工艺和专用设施；合理的结构布局等等，都使得斩波内馈调速产品的可靠性对比高压变频调速和串级调速都有较大的优势。
　　5、具体应用情况如下：
　　5.1 循环水泵电机
　　电机技术参数：铭牌：YQT2-450-4；电压：10KV；额定电流：26.3A；功率：355KW；额定转速：1480转/分。
　　5.2 斩波内馈控制系统
　　ZNT-2000型控制系统
　　5.3 运行工况表

试验结果分析：
　　循环水泵运行转速为1014转/分，消耗功率为157KW；
　　循环水泵运行转速为1480转/分，消耗功率为256KW。
　　循环水泵调速运行时，一小时少耗电为99KW，即机组满负荷情况下，电机转速降低31%，但耗电量降低了40%。若电机按每天运行24小时，140天运行为3360个小时计算，可节约用电33.27万千瓦时，按每度电0.68元计算，140天可节资金22.62万元，该设备投资共计49.2万元，两个采暖期即可收回投资成本。节电效果非常明显。
　　斩波内馈调速系统在大连东山热电顺利投入运营以来，运行一直非常稳定可靠，节能效果非常明显，实践证明，该系统与高压变频调速相比，不仅价格低廉，而且调速效率高，设备结构简单，投资回收期短，确实不失为一种较好的调速方法，具有很强的实用性和经济性。斩波内馈调速系统将是高压变频调速的强有力竞争对手。确实为推动我国的节能事业做出了贡献。