大風機調(diào)速方式探討

張煜，李金海，孫瑞斌，叢嘉慶，高宇

1 前言

隨著我國電力技術的不斷發(fā)展，水泥廠高壓風機、泵機等耗電量較大的設備的調(diào)速方式也有了較大的改進。無論是高壓變頻調(diào)速方式還是斬波調(diào)速方式，都對我國的節(jié)能減排事業(yè)和綠色工廠建設有著重要意義。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 大風機電動機的幾種典型調(diào)速方式

三相異步電動機的轉速公式為：

式中：

圖1 斬波調(diào)速柜與中壓變頻調(diào)速柜

n——轉速

f——電源頻率

p——電機的極對數(shù)

s——轉差率

直流電動機的轉速公式為：

式中：

n——轉速

U——電樞電壓

Ia——電流

Ra——電樞回路總電阻

Ce——電勢系數(shù)

φ——磁通

電動機常見的調(diào)速方式有應用于繞線型電機的串電阻調(diào)速、高頻斬波調(diào)速，應用液力耦合器的調(diào)速，應用于變頻電機的變頻調(diào)速。直流電動機常見的調(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)速方式的對比。

目前水泥工程中應用較多的電動機是三相異步電動機，因此本文重點對適用于三相異步電動機的變頻調(diào)速和高頻斬波調(diào)速這兩種方式作比較。

3 大型風機調(diào)速方式比較

3.1 不同調(diào)速方式的技術原理

表1 不同調(diào)速方式的對比

變頻調(diào)速技術是通過變頻裝置改變工頻電源的頻率，再向定子三相繞組供電，從而改變同步轉速的技術。變頻技術原理見圖2，由圖2可見，變頻是利用變流技術，從電機的定子側施加控制，從而改變電機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機一般采用“高-高”變頻調(diào)速方式。

斬波調(diào)速技術是當電機定子三相繞組接入三相工頻電源后，產(chǎn)生旋轉磁場，切割轉子三相繞組，進而產(chǎn)生三相感應交流電動勢和轉子交流電流，經(jīng)滑環(huán)、碳刷后，將轉子三相感應電流引出至三相全波整流器，整流成上正下負的直流電流。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器件做周期導通和關斷動作。當IGBT導通時，電機轉速上升；當IGBT關斷時，電機轉速下降。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)速方式的應用比較

對水泥工程中的大型風機進行調(diào)速時，需綜合考慮其投資情況和調(diào)速性能。比如一臺450kW的風機，廠供電中壓等級為10kV時，可以采用變頻調(diào)速或高頻斬波調(diào)速，變頻電機可以采用690V或10kV的電壓等級。450kW風機兩種不同調(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的功能，可以限制啟動電流，功率因數(shù)很高，調(diào)速范圍很廣，調(diào)速平滑。變頻調(diào)速利用變流技術改變電動機定子繞組側電源的頻率，實現(xiàn)調(diào)速目的，因此高壓變頻器的電壓等級要按照定子側電壓進行選擇，若變頻器的功率大于電動機的功率，則會產(chǎn)生諧波。另外，高壓變頻器有一定的日常維護量，在運行中有2%～4%的電能損耗，會產(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)速則利用的是轉子側的控制，可以避免定子控制的高壓問題，控制功率只占電動機功率的40%～50%，效率較高，散熱少，諧波低、變流電壓低、變流功率小。另外，對于同一規(guī)格的電機而言，斬波調(diào)速柜的尺寸小于高壓變頻柜，斬波調(diào)速柜配合繞線電機的投資小于高壓變頻柜配合鼠籠電機的投資（表2中的數(shù)據(jù)對比是基于450kW風機，若風機功率更大，如水泥工程中的高溫風機，其電機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)相對較低，啟動電流較大，需要風門配合。另外，繞線電機中的滑環(huán)需定期維護，碳刷需及時更換。

圖2 變頻技術原理圖

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 結語

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)速則屬于改變轉差率的調(diào)速方式，兩種調(diào)速方式均屬于無級調(diào)速，各有其優(yōu)缺點和適用范圍。如要求調(diào)速性能高、調(diào)速范圍寬，電機維護量小，則優(yōu)先選擇高壓變頻調(diào)速方式；對調(diào)速范圍和調(diào)速性能要求不高的風機類負載，則優(yōu)先選擇內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速方式。