大風(fēng)機(jī)調(diào)速方式探討

張煜，李金海，孫瑞斌，叢嘉慶，高宇

1 前言

隨著我國(guó)電力技術(shù)的不斷發(fā)展，水泥廠高壓風(fēng)機(jī)、泵機(jī)等耗電量較大的設(shè)備的調(diào)速方式也有了較大的改進(jìn)。無(wú)論是高壓變頻調(diào)速方式還是斬波調(diào)速方式，都對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)和綠色工廠建設(shè)有著重要意義。圖1為某水泥工程中使用的斬波調(diào)速柜和中壓變頻調(diào)速柜照片。

2 大風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的幾種典型調(diào)速方式

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式中：

圖1 斬波調(diào)速柜與中壓變頻調(diào)速柜

n——轉(zhuǎn)速

f——電源頻率

p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)

s——轉(zhuǎn)差率

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式中：

n——轉(zhuǎn)速

U——電樞電壓

Ia——電流

Ra——電樞回路總電阻

Ce——電勢(shì)系數(shù)

φ——磁通

電動(dòng)機(jī)常見的調(diào)速方式有應(yīng)用于繞線型電機(jī)的串電阻調(diào)速、高頻斬波調(diào)速，應(yīng)用液力耦合器的調(diào)速，應(yīng)用于變頻電機(jī)的變頻調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)常見的調(diào)速方式有改變電樞電壓、改變電樞電阻和改變磁通三種。隨著技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保要求的提高，串電阻調(diào)速、液力耦合器調(diào)速基本已經(jīng)被淘汰。表1為不同調(diào)速方式的對(duì)比。

目前水泥工程中應(yīng)用較多的電動(dòng)機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)，因此本文重點(diǎn)對(duì)適用于三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速和高頻斬波調(diào)速這兩種方式作比較。

3 大型風(fēng)機(jī)調(diào)速方式比較

3.1 不同調(diào)速方式的技術(shù)原理

表1 不同調(diào)速方式的對(duì)比

變頻調(diào)速技術(shù)是通過(guò)變頻裝置改變工頻電源的頻率，再向定子三相繞組供電，從而改變同步轉(zhuǎn)速的技術(shù)。變頻技術(shù)原理見圖2，由圖2可見，變頻是利用變流技術(shù)，從電機(jī)的定子側(cè)施加控制，從而改變電機(jī)定子供電電源的頻率。常見的變頻器有“高-低”、“低-高”、“高-高”三種變頻方式。水泥工程中的大型中壓風(fēng)機(jī)一般采用“高-高”變頻調(diào)速方式。

斬波調(diào)速技術(shù)是當(dāng)電機(jī)定子三相繞組接入三相工頻電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割轉(zhuǎn)子三相繞組，進(jìn)而產(chǎn)生三相感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子交流電流，經(jīng)滑環(huán)、碳刷后，將轉(zhuǎn)子三相感應(yīng)電流引出至三相全波整流器，整流成上正下負(fù)的直流電流。在整流器和有源逆變器之間加入脈寬調(diào)制的斬波器電路，采用IGBT器件做周期導(dǎo)通和關(guān)斷動(dòng)作。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。斬波調(diào)速分為內(nèi)反饋和外反饋兩種方式，圖3為內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速原理圖。

3.2 不同調(diào)速方式的應(yīng)用比較

對(duì)水泥工程中的大型風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，需綜合考慮其投資情況和調(diào)速性能。比如一臺(tái)450kW的風(fēng)機(jī)，廠供電中壓等級(jí)為10kV時(shí)，可以采用變頻調(diào)速或高頻斬波調(diào)速，變頻電機(jī)可以采用690V或10kV的電壓等級(jí)。450kW風(fēng)機(jī)兩種不同調(diào)速方式的調(diào)速性能比較見表2。

從表2可以看到，高壓變頻器具備軟啟動(dòng)的功能，可以限制啟動(dòng)電流，功率因數(shù)很高，調(diào)速范圍很廣，調(diào)速平滑。變頻調(diào)速利用變流技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)定子繞組側(cè)電源的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，因此高壓變頻器的電壓等級(jí)要按照定子側(cè)電壓進(jìn)行選擇，若變頻器的功率大于電動(dòng)機(jī)的功率，則會(huì)產(chǎn)生諧波。另外，高壓變頻器有一定的日常維護(hù)量，在運(yùn)行中有2%～4%的電能損耗，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此，需在高壓變頻室配置空調(diào)系統(tǒng)。

內(nèi)反饋斬波調(diào)速則利用的是轉(zhuǎn)子側(cè)的控制，可以避免定子控制的高壓?jiǎn)栴}，控制功率只占電動(dòng)機(jī)功率的40%～50%，效率較高，散熱少，諧波低、變流電壓低、變流功率小。另外，對(duì)于同一規(guī)格的電機(jī)而言，斬波調(diào)速柜的尺寸小于高壓變頻柜，斬波調(diào)速柜配合繞線電機(jī)的投資小于高壓變頻柜配合鼠籠電機(jī)的投資（表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比是基于450kW風(fēng)機(jī)，若風(fēng)機(jī)功率更大，如水泥工程中的高溫風(fēng)機(jī)，其電機(jī)功率一般在幾千千瓦，則內(nèi)反饋斬波柜的成本約為高壓變頻裝置成本的50%），但內(nèi)反饋斬波的調(diào)速范圍一般為45%～100%，功率因數(shù)相對(duì)較低，啟動(dòng)電流較大，需要風(fēng)門配合。另外，繞線電機(jī)中的滑環(huán)需定期維護(hù)，碳刷需及時(shí)更換。

圖2 變頻技術(shù)原理圖

圖3 內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速原理

表2 調(diào)速性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

高壓變頻調(diào)速屬于改變供電電源頻率的調(diào)速方式，內(nèi)反饋斬波調(diào)速則屬于改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方式，兩種調(diào)速方式均屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。如要求調(diào)速性能高、調(diào)速范圍寬，電機(jī)維護(hù)量小，則優(yōu)先選擇高壓變頻調(diào)速方式；對(duì)調(diào)速范圍和調(diào)速性能要求不高的風(fēng)機(jī)類負(fù)載，則優(yōu)先選擇內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速方式。