大風機調速方式探討

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展，水泥廠高壓風機、泵機等耗電量較大的設備的調速方式也有了較大的改進。無論是高壓變頻調速方式還是斬波調速方式，都對我國的節能減排事業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速柜和中壓變頻調速柜照片。

2 大風機電動機的幾種典型調速方式

三相異步電動機的轉速公式為：

式中：

圖1 斬波調速柜與中壓變頻調速柜

n——轉速

f——電源頻率

p——電機的極對數

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

φ——磁通

電動機常見的調速方式有應用于繞線型電機的串電阻調速、高頻斬波調速，應用液力耦合器的調速，應用于變頻電機的變頻調速。直流電動機常見的調速方式有改變電樞電壓、改變電樞電阻和改變磁通三種。隨著技術的發展和節能環保要求的提高，串電阻調速、液力耦合器調速基本已經被淘汰。表1為不同調速方式的對比。

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速和高頻斬波調速這兩種方式作比較。

3 大型風機調速方式比較

3.1 不同調速方式的技術原理

表1 不同調速方式的對比

變頻調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”變頻調速方式。

斬波調速技術是當電機定子三相繞組接入三相工頻電源后，產生旋轉磁場，切割轉子三相繞組，進而產生三相感應交流電動勢和轉子交流電流，經滑環、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。斬波調速分為內反饋和外反饋兩種方式，圖3為內反饋高頻斬波調速原理圖。

3.2 不同調速方式的應用比較

對水泥工程中的大型風機進行調速時，需綜合考慮其投資情況和調速性能。比如一臺450kW的風機，廠供電中壓等級為10kV時，可以采用變頻調速或高頻斬波調速，變頻電機可以采用690V或10kV的電壓等級。450kW風機兩種不同調速方式的調速性能比較見表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，功率因數很高，調速范圍很廣，調速平滑。變頻調速利用變流技術改變電動機定子繞組側電源的頻率，實現調速目的，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，會產生大量熱量，因此，需在高壓變頻室配置空調系統。

內反饋斬波調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，對于同一規格的電機而言，斬波調速柜的尺寸小于高壓變頻柜，斬波調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中的數據對比是基于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，則內反饋斬波柜的成本約為高壓變頻裝置成本的50%），但內反饋斬波的調速范圍一般為45%～100%，功率因數相對較低，啟動電流較大，需要風門配合。另外，繞線電機中的滑環需定期維護，碳刷需及時更換。

圖2 變頻技術原理圖

圖3 內反饋高頻斬波調速原理

表2 調速性能比較

4 結語

高壓變頻調速屬于改變供電電源頻率的調速方式，內反饋斬波調速則屬于改變轉差率的調速方式，兩種調速方式均屬于無級調速，各有其優缺點和適用范圍。如要求調速性能高、調速范圍寬，電機維護量小，則優先選擇高壓變頻調速方式；對調速范圍和調速性能要求不高的風機類負載，則優先選擇內反饋高頻斬波調速方式。