發電廠高壓電機調速方式的選擇和應用

孟江紅

（山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001）

發電廠高壓電機調速方式的選擇和應用

孟江紅

（山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001）

論述了高壓電機的調速方式，通過對高壓變頻調速和高頻斬波調速的技術原理分析，以及兩種調速方式的節能比較，提出了調速裝置的適用范圍。

高壓電機；變頻；調速；節能

0 引言

我國人口眾多，能源資源相對匱乏，發電成本隨著煤炭等主要資源材料的大幅度上漲而節節上升，能源緊缺已成為我國經濟發展的瓶頸，節約能源已勢在必行。在火力發電廠中，風機和水泵是主要的耗能設備，通常情況下其輸入能量的15%～20%被電機和風機或水泵本身所消耗，約35%～50%的輸入能量被擋板或閥門節流所消耗，因此對發電廠的風機和水泵進行節能改造具有很大的潛力。

1 大功率高壓電機的調速方式

按照理論分析，由交流電動機驅動的風機和泵類都是平方轉矩負載，其功率與轉速的立方成正比［1-2］，當電機轉速降低1/2時，所需功率降至原來的1/8，由此可見調速對節能具有重要意義。

交流異步電動機的轉速公式為

式中：n——轉子轉速；

f——電機定子頻率；

s——轉差率；

p——級對數。

由此可知，改變轉速可采用以下措施：改變定子供電頻率f，改變轉差率s，改變級對數p。

大功率高壓電機的主要調速方式有以下幾種：串級滑差調速、液力耦合器調速、變級調速、高頻斬波調速、高壓變頻器調速等。

1.1 串級滑差調速

串級滑差調速是通過將異步電機部分轉子能量回饋到電網，從而改變轉子滑差來實現調速。其優點是：可以回收轉差功率，安全可靠性高，易于維護檢修。缺點：功率不能做得很大，調速范圍有限，功率因素和效率低，不易實現同PLC、DCS等控制系統的配合。適用于繞線式異步電機，屬落后技術。

1.2 液力耦合器調速

液力耦合器是一種利用液體介質傳遞轉速的機械設備。其缺陷：液力偶合器是一種耗能型的機械調速裝置，轉速越低損耗越大；調速精度差，存在嚴重的非線性；液力耦合器故障時必須停電檢修；高速運行時液力耦合器有丟轉現象，嚴重時會影響正常運行。

1.3 變級調速

通過改變電動機定子繞組級對數來改變電動機轉速，只能實現有級變速，調速范圍2～4級，需使用專用電動機。

1.4 高壓變頻器調速和高頻斬波調速

目前三相異步高壓電機調速領域，主要有變頻技術和高頻斬波調速技術，兩種技術都是用電力電子技術進行交、直流電力的變流，都屬于變流技術。

2 高壓變頻調速技術

2.1 高壓變頻器調速節能原理

變頻調速是用變頻電源改變電動機定子繞組的頻率，從而改變同步轉速來實現調速。其節能原理如下。

通過流體力學的基本定律可知:風機（或水泵）類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、揚程H以及軸功率P具有如下關系。

式中：Q0，H0，P0—— 額定轉速n0下的流量、揚程（壓力）和軸功率。

對于電廠而言，當用擋板調節風量，要求風量在80%左右時，風機消耗功率一般在90%左右，而當采用變頻控制時，消耗功率為80%×0.3≈50%，和常規相比節能效果明顯。

如圖1所示，當采用擋板控制流量（設轉速為n1）風機運行特性曲線由（3）變為（4），使流量Q1減少到Q2，工作點由原來的A點移至B點，節省能耗為A Q1OH2和B Q2OH1的面積差，節能有限；而當采用變頻調節時，轉速從n1轉為n2，電機運行曲線由（1）變為（2），工作點由原來的A點移至C點，節省能耗為A Q1OH2和C Q2OH3的面積差，節能效果顯著。

圖1 流量Q、壓力H特性曲線隨轉速變化曲線示意圖

2.2 高壓變頻裝置的分類及特點

根據輸出電壓方式分為：高-高型和高-低-高型兩種變頻方式。

高-低-高型變頻器使用低壓變頻器需增加變壓器、無功補償器、諧波濾波器，變頻實現控制復雜，可靠性較低，且設備占地較大。在技術上不具有先進性，造價較低廉。

高-高型變頻器：采用單元串聯方式（IGBT），利用移相疊加原理（移相變壓器） 有效抑制諧波干擾使輸出波形近乎正弦波形。其具備以下優點：無需增加任何輸出濾波或功率補償裝置；效率可高達97%，功率因數高，在無需任何補償裝置的情況下大于95%（負載＞20%）；沒有諧波引起的脈動轉矩產生，可避免負載共振，延長電機和機械設備的使用壽命；可使主電機、電纜絕緣免受dv/dt應力損傷；電機不受共模電壓的影響；電機電纜在壓降允許范圍內無任何長度限制；對電網不產生污染；主器件采用冗余設計可靠性高，可以適應極端工況；功率單元自動旁路功能，提升供電的可靠性；瞬時停電不停機功能，電源電壓發生瞬時降壓或停電（5 s以內），變頻器不停機。在電源電壓恢復后立即重新加速，并恢復原狀。電源瞬停，300 ms以內，變頻器不會停止運轉。其接線如圖2。

圖2 高-高型變頻配置方案

變頻器效率與輸出頻率、電流的對應關系，見表1。

表1 變頻器效率與輸出頻率、電流的對應關系

3 高頻斬波調速技術

與變頻調速技術不同，高頻斬波調速技術從電機的轉子側施加控制，其本質是控制轉子的電流。高頻斬波調速是近年來隨著當代電力電子器件的進步和交流調速技術的革命，并融合微機控制技術而發展起來的新方法，是我國獨有技術。高頻斬波調速是將變流裝置接在電機的轉子回路，它將交流電轉差功率進行整流，通過IGBT器件的高頻斬波，改變了轉子繞組中的交流電勢，通過控制轉子電流，實現工況需求的電機調速；同時將節減的電流逆變成工頻（50 Hz） 再回饋到電機內部進行循環利用。由于變流裝置的逆變電路為有源逆變，所以在變流裝置中引入了直流附加電勢，因此，轉子變頻的變流裝置是一種雙向變頻裝置，一方面將轉子電轉差功率逆變成工頻回饋電機內部進行循環利用，另一方面將直流附加電勢轉變為與轉子頻率相同的交流附加電勢，達到改變轉子電流完成電機調速的目的。由于電機的機械功率（軸功率） 通過軸輸出給負載（風機，水泵），所以轉子繞組輸出的功率只含轉差功率。這樣，轉子變頻的變流裝置僅控制轉差功率（4/27），加之轉子電壓遠低于定子電壓，因此轉子變頻的控制電壓低，控制功率小，損耗小，節電率高。

4 高壓變頻調速與高頻斬波調速的對比

以下對兩種方案就幾個關鍵技術問題作逐一對比，見表2。

表2 高壓變頻調速與高頻斬波調速的對比

5 高壓變頻調速與高頻斬波調速在電廠中的應用

5.1 節能效果

從兩種調速裝置原理可以看出，高壓變頻調速與高頻斬波調速一樣，均為可供選擇的節能調速設備，從實踐來說節能效果也基本相當。

5.2 設備情況

兩種調速裝置均有多個生產廠家生產，供貨業績也不少。但高壓變頻調速裝置的生產廠家及供貨業績均遠高于高頻斬波調速裝置。目前高壓變頻調速裝置在電廠送、引風機、給水泵、凝結水泵等輔機中應用較多，調速、節能效果良好，但價格較高（進口設備1 000～1 200元/kW,國產設備700～800元//kW）。高頻斬波調速裝置必須使用繞線式電機，有電機滑環、碳刷運行維護的問題，并需購置專用的內饋電動機。專用的內饋電動機與控制裝置也存在配合問題，但價格較低（500～600元/kW）。

6 結論

變頻調速具有高效率、寬范圍和高精度的性能且規格齊全，可以滿足各種不同需求，適用范圍廣，是最具發展前途的理想調速方法。

高頻斬波調速裝置具有結構簡單、效率高、成本低的優點。在高電壓、大容量的水泵、風機用繞線電動機調速中，顯示出突出的優勢。

在新建工程中，2 000 kW以下的電動機兩種調速裝置均可。但額定功率在5 000 kW以上高頻斬波調目前沒有產品，只能選用變頻調速。

在改造工程中，原電機為鼠籠式且不更換電機的情況下，則只能選用變頻調速，但需考慮其對占地及環境的要求。

［1］ 楊興瑤.電動機調速的原理及系統［M］.北京：水利電力出版社，1995:229-363.

［2］ 白愷.火電廠大型電動機應用變頻調速技術的可行性［J］.華北電力技術，1999（11）：17-23．

［3］ 陳劍光.高壓電動機調速方式的研究［D］.導體及電氣設備選擇文集.2007：75-82.

The Choice and Application of Speed Control Mode of High Voltage Motor

MENG Jiang-hong
（Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute，Taiyuan，Shanxi030001，China）

It elaborates the speed control modes of high voltage motor.Based on the comparison between high voltage frequency conversion mode and chopper-controlled high frequency speed control mode,the applicable scope of the speed control device is proposed.

high voltage motor；frequency conversion；speed control；energy conservation

TM31

B

1671-0320（2011）04-0053-04

2011-04-12，

2011-05-23

孟江紅（1968-），女，河北高陽人，1991年畢業于太原工業大學電力分院電力系統及其自動化專業，工程師，注冊電氣工程師，從事發電廠及變電站設計工作。