（电气工程专业论文）斩波式内反馈调速系统在火力发电厂的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 环保和节能是当今社会的热点话题，在资源有限的今天，如何降低能耗提高 效率成为社会可持续发展的重中之重。风机、水泵在我国的应用范围极广，其年 耗电量约占总用量的4 3 。目前，这类设备大多不能调速，只能采用阀门或挡风 板来调节流量以满足负荷变化的要求。 在低压系统中，变频调速技术已经相当成熟，完全可以满足国内调速市场的 需要。而在高压系统中，串级调速和变频调速是目前比较常用的调速方式，但串 级调速要采用移相控制方法控制变流，致使产生大量的感性无功和高次谐波电 流；而变频调速的成本较高，设备投资回收期较长。为适应市场需求，斩波式内 反馈调速系统提高了斩波频率，改善了功率因数，同时大幅度的降低了转子电流 波动，减小了谐波，提高了可靠性和电能质量，是一种技术含量高的新型机电产 品，具有良好的性价比，尤其适合于大中型风机、水泵类负载的调速，可广泛应 用于电力、供水、炼钢、水泥、造纸、化工等行业。 本文首先从斩波式内反馈调速系统的原理入手，结合风机特性说明其节能效 果的实现，通过对斩波式内反馈系统的设备构成及特性的了解，分析了斩波式内 反馈调速系统的技术条件、安全性和可靠性，讨论了其在实际应用中的可行性。 通过分别对煤粉锅炉和循环流化床锅炉高压风机进行调速改造，分析了斩波式内 反馈调速系统产生的实际节能效果，并对经济效益进行定性、定量分析。针对运 行中出现的常见问题进行总结，并采取应对措施，提高斩波式内反馈调速系统运 行的可靠性，巩固经济效益。 本文内容是在理论研究的基础上，对斩波式内反馈调速系统在高压动力设备 上的应用及获得的实际经济效益进行了总结分析，实际数据表明，本文所得出的 结论和提出的采用斩波式内反馈调速系统降低厂用电率的措施是合理的、可行的 和有效的，对于指导电厂及其他高耗能部门节能降耗具有较高的实用性。 关键词：串级调速，斩波内反馈，厂用电率，节能 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o ni sah o tt o p i ci nt o d a y ss o c i e t y , w i t h l i m i t e dr e s o u r c e s ，h o wt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nt 0i m p r o v ee f f i c i e n c yt ob e c o m et h et o p p r i o r i t yf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y f a n , w a t e rp u m pi nc h i n aav e r yw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s ，i t sa n n u a lc o n s u m p t i o na c c o u n t i n gf o ra b o u t4 3 o f t h et o t a lv o l u m e a tp r e s e n t , m o s to ft h e s em a c h i n e sa r en o ts p e e d b u tt ou s et h ev a l v et or e g u l a t et h ef l o wo rw i n dd e f l e c t o ri n o r d e rt om e e tc h a n g i n gl o a dr e q u i r e m e n t s i nt h el o w - p r e s s u r es y s t e m ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi sa l r e a d yq u i t em a t u r e ，a n d f u l l ym e e tt h ed o m e s t i cn e e d so f t h em a r k e tt i m i n g i nt h eh i g h - p r e s s u r es y s t e m ，t h ec a s c a d es p e e d r e g u l a t i o na n df r e q u e n c yc o n t r o lo fs p e e di st h em o r ec o m m o nw a y b u tt h ec a s c a d es p e e dc o n t r o l m e t h o ds h o u l db ea d o p t e dp h a s e s h i f t e dt oc o n t r o lc u r r e n t , a n dg e n e r a t eal a r g en u m b e ro f i n d u c t i v er e a c t i v ep o w e ra n dh i g h o r d e rh a r m o n i cc u r r e n t s ；f r e q u e n c yc o n t r o lw i t hh i g l lc o s t r e c o v e ral o n g e rp e r i o do fe q u i p m e n ti n v e s t m e n t i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d i n go fm a r k e t , c h o p p e r - s t y l ef e e d b a c ks p e e d c o n t r o ls y s t e mh a si m p r o v e dw i t h i nt h ec h o p p e rf r e q u e n c y , i m p r o v e dp o w e rf a c t o r , w h i l eg r e a t l yr e d u c e dt h er o t o rc u r r e n tf l u c t u a t i o n sa n dh a r m o n i c s ， i m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t y t h i ss y s t e mi san e wk i n d so fh i g h - t e c hm a c h i n e r ya n d e l e c t r o n i cp r o d u c t s s t a r t i n gw i t hc h o p p e r - s t y l ei n t e r n a lf e e d b a c ks p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dw i t h i nt h ek n o w l e d g e o fp r i n c i p l et oc h o p p e r - s t y l ef e e d b a c ks y s t e m s ，t h et e c h n i c a l ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e c h o p p e r - s t y l ef e e d b a c ks p e e d c o n t r o ls y s t e mi s a n a l y s i s e d i nt h i s p a p e r t h r o u g ht h e t r a n s f o r m a t i o no fs p e e dc o n t r o lt o h i g h p r e s s u r ef a n o ft h ep u l v e r i z e dc o a lb o i l e r sa n d c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，t h ea c t u a le n e r g ys a v i n ge f f e c to ft h ec h o p p e r - t y p es p e e dc o n t r o l s y s t e m i sa n a l y s i s e di nt h i sp a p e r f o rt h eo p e r a t i o nh a ss h o w nas u m m a r yo ff r e q u e n t l ya s k e d q u e s t i o n s ，a n dt ot a k ec o u n t e r m e a s u r e st oi m p r o v ef e e d b a c ks p e e dc o n t r o ls y s t e m i n s i d et h e c h o p p e r - s t y l eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t y , c o n s o l i d a t i o nc o s t - e f f e c t i v e n e s s i nt h i sp a p e r , c h o p p e r - s t y l ei n t e r n a lf e e d b a c ks p e e dc o n t r o ls y s t e mi nh i g h - v o l t a g ep o w e r d e v i c ea p p l i c a t i o n sa n dt h ea c t u a le c o n o m i cb e n e f i t so fa c c e s st oas u m m a r ya n a l y s i s ，t h ea c t u a l d a t as h o wt h a tu s i n gt h es y s t e mo fc h o p p e r - t y p ef e e d b a c ks p e e dc o n t r o ls y s t e mt or e d u c e e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nr a t ei s r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ，i tw i l lb eh i g hp r a c t i c a l i t yt og u i d e e n e r g y s a v i n ge n e r g y i n t e n s i v es e c t o r si np o w e rp l a n t k e yw o r d s ：c a s c a d es p e e dr e g u l a t i o n , c h o p p e r - s t y l ei n t e r n a lf e e d b a c k ，p l a n te l e c t r i c i t y r a t e s ，e n e r g y - s a v i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名拯导师签名：越日 期：壁翌：望：望 山东大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 能源与经济的发展密切相关。十五大指出“下世纪中叶我国经济发展要达 到中等发达国家的经济水平”，因此能源工业必须研究制定相应的战略以保证这 一发展目标的实现。 我国拥有五分之一的世界人口，目前一年的能源消费量约为1 3 亿吨标准 煤，占世界的十分之一，人均能源消费水平仅相当于世界平均水平的一半。但 我国人口基数极大，预计到2 0 3 0 年前后将达到1 6 亿，假如人均能源消费量达 到2 3 8 吨标准煤，相当于目前世界的平均水平低于中等发达国家目前的水平， 全国一年的能源总消费量将达到3 8 亿吨标准煤，是目前的3 倍。因此为了支撑 我国未来的国民经济发展，不得不将现有的能源工业再扩大2 倍，不得不再增 加数倍以上的环境污染排放，不得不将交通运输的4 0 以上用于运输能源( 当前 仅煤炭运输就占我国交通运输量的2 0 ) 。 我国的能源储量是有限的，从中国能源资料统计【i 】中可知，我国己探明的 煤炭储量占世界储量的1 1 ，原油储量占世界储量的3 ，天然气储量占世界 储量的l ，但由于人口基数大，能源资源相对匾乏，人均资源占有量相当于 世界平均水平的5 0 。我国人均能源消费量相当于世界人均能源消费水平的一 半，尤其是年人均电力消费量不足世界人均消费水平的4 0 。人均能源资源相 对不足以及人均能源消费量过低，严重限制了我国经济、社会可持续发展。 一方面，我国人均能源资源相对匾乏，另一方面，经济系统的能源利用效 率低下。先进国家的能源利用效率达4 2 以上，而我国能源利用率仅为3 2 ， 比发达国家低1 0 个百分点，如果再乘上3 2 1 的能源开采效率，我国能源系统 总效率只有1 0 3 ，甚至达不到发达国家的二分之。加之由于我国煤炭资源 在地域上分布不均，北煤南运，西煤东运，中间环节的利用效率还要更低。我 国主要用能产品的单位能耗，比发达国家高2 5 9 0 ，加权平均后高4 0 左 右。特别是产值能耗水平与国际水平的差距更大，是先进国家的几倍甚至几十 倍。换言之，我们每生产一万元的国内生成总值( g d p ) 就要比发达国家多花几 1 山东大学硕士学位论文 倍甚至几十倍的能源成本，以这样高的产值能耗水平去迎接全球一体化的国际 竞争是无法想象的。由此可见，节能在提升我国未来经济总体竞争力中的地位 是十分重要的。为此，我国政府非常重视能源的开发与利用，提出“资源开发 与节约并举，把节能放在首位，提高资源利用效率”的资源方针，并于1 9 9 7 年开始实施“节能法 。 火电行业是一个不断将一次能源转化为二次能源的行业，是消耗一次能源 的大户，我国每年开采的煤炭有3 0 用于发电。截至2 0 0 7 年底，全国发电装 机容量达到7 1 3 2 9 万千瓦，其中火电达到5 5 4 4 2 万千瓦，占到全年发电量的 7 7 7 3 ，预计到2 0 2 0 年，煤电仍将在我国的电力容量中占到6 0 【2 】。我国的煤 电转换效率远低于西方发达国家，2 0 0 4 年，全国平均供电煤耗为3 7 6 克千瓦 时，比国际先进水平高5 0 - 6 0 克千瓦时。2 0 0 5 年电力产业在节能降耗上深挖 潜力，供电煤耗比2 0 0 4 年降低2 克千瓦时，相当于节省标准煤3 0 0 多万吨。 如果中国电力产业达到西方发达国家3 2 0 克千瓦时的供电煤耗，那么每年节约 的标准煤将超过1 亿吨，由此可见火电厂存在着巨大的节能潜力。 随着电厂和各行业节能改造的进行，利用电机调速节能已成为辅机节能改 造的重点工作。通常适合电机调速主要有以下几种形式：液力耦合器调速、变 极调速、串级调速、变频调速等。 斩波内反馈调速是我国首创具有国际先进水平的新型高压交流调速技术， 与高压变频调速相比，具有效率高、成本低、可靠性高等突出优点，是高压风 机、泵类节能调速的最佳选择。斩波控制与内反馈电机的完美结合在理论和实 践上都被公认为最佳调速方案。斩波式内反馈调速是目前高电压交流调速效率 最高的新技术，是高电压、大容量风机泵类节能调速的最佳选择。 内反馈调速的造价较低，通常价格只有变频调速的1 2 左右，优良的性能 价格比，使之在相当多的节能应用场合，可以取代变频调速，为电厂减少投资， 以1 0 0 0 k w 电机为例，采用变频调速的设备投资为2 0 0 万元左右，采用内反馈 的投资可节省投资1 0 0 万元。其性能价格比非常优越【3 巧】。从用户角度讲，每套 调速系统( 包括电动机和调速控制装置) 节电效率高达5 0 - - 6 0 ，按每年运 行6 0 0 0 小时，每度电0 2 5 元计算，每年可以节约电费6 7 0 4 4 0 元，两年就可以 收回成本。随着人们节能环保意识的加强，相信斩波式内反馈调速装置的需求 2 山东大学硕士学位论文 量将越来越大，获得的经济效益也将是可观的【8 】。 内反馈调速系统作为一种节约能源型产品在二十一世纪必将更加符合 人类对生产和环境的要求，随着电力电子技术的不断发展，产品不断改进， 概念的深入，市场的拓展，它将显示出更大的发展空间和展示出巨大的社 会、经济意义。国家对于节能、增效等方面的宣传以及在信贷支持、鼓励 市场等方面采取的措施，势必影响用户企业对于调速设备的实际需求。本 文正是在此背景下，对斩波式内反馈调速系统在电厂中的应用进行了研究。 1 2 国内外研究现状 国家电动机调速技术产业化途径与对策的研究统计表明，我国风机、 水泵的应用范围极广，涉及市政供水、电力、煤炭、石油、化工、造纸、建材 等多个行业，发电总量的6 6 消耗在电动机上，我国具有各类风机约7 8 0 万台、 水泵4 0 0 0 万台、空压机5 6 0 万台，这些装置又占去电机耗电的一半以上。目前， 我国3 k w 以上高压电机总容量是1 4 4 亿k w ，并且每年以5 0 0 6 0 0 万k w 的 速度增长。如果其中三分之一的电机( 3 5 ) 需要调速，今后十年，2 1 0 亿 k w x 3 5 = 0 7 4 亿k w 如果按照平均1 0 0 0 元k w 的价格计算，未来十年的市场总 额大致应在1 0 0 0 x 0 7 4 亿k w = 7 4 0 亿，考虑价格等其他因素实际总额在8 0 0 - 9 0 0 亿之间，年平均数应在8 0 9 0 亿元人民币左右，当然这是在市场稳定之后的年平 均市场容量。如果在政府有关部门和相关行业的支持下，每年有计划的改造 5 0 0 - 6 0 0 万k w 的低效风机、水泵，平均年投入7 0 - - - 8 0 亿人民币，当年可产 生直接经济效益约为5 0 - - , - 6 0 亿元人民币，占投资总额的7 0 ，而该类设备的 使用期限至少为1 5 年，长期经济效益十分明显【l l - 1 6 1 。 随着电力工业的迅速发展和电力系统商业化运营及竞价上网的实施，发电 企业挖掘内部潜力，节能降耗日显重要。发电企业辅机配置容量余度较大是一 个普遍问题。另外，电力供应饱和，发电机组的调峰任务逐步加大。因此，推 行辅机电机调速节能势在必行。电机调速不仅可以节能降耗，还可以避免调峰 时电机的频繁启停，降低电机故障率及延长电机使用年限，给企业带来巨大的 经济效益。 高电压大功率交流电机调速方式主要可以分为以下几种： 山东大学硕士学位论文 1 、斩波内馈调速系统是一种将调速电机的部分转子功率( 即电转差功率) 移出来，以电能的形式，反馈给电机内部的调节绕组的特殊调速方式。 2 、变频调速通过改变加到电机的电源频率和电压来进行的调速，是定子 侧的电磁功率控制，最大优点是适合于鼠笼型电动机。调速效率较高，但高压 控制时技术复杂、成本较高。 3 、串级调速是一种外馈式的转子电磁功率控制，与内馈式相比，基本原 理相同，但系统结构存在逆变变压器转差功率无谓循环传输问题，调速效率较 高但功率因数很低。 4 、滑差电机是在电机的输出环节加入一个电磁转差离合器，也就是说电 机本身的转速不调而通过调节电磁转差离合器的励磁电流来调节离合器的输出 转速： 1 ) 需加入专用的电磁转差离合器； 2 ) 当电机或电磁转差离合器出现故障时不能运行，只能停机维修； 3 ) 电磁转差离合器的故障率高。 4 ) 电磁转差离合器及整机的效率低，因调速造成的损耗大。 5 ) 调速范围小，一般只能在接近额定转速的固定范围内调速。 5 、液力耦合器将电机输出的机械轴断开，加入一个机械的液力耦合的调 速装置，同样是电机本身不调速，而通过液力耦合器来调节负载的转速： 1 ) 需加入专用的液力耦合器。 2 ) 当电机或液力耦合器出现故障时只能停机维修。 3 ) 液力耦合器的故障率高。 4 ) 液力耦合器及整机的效率低，因调速造成的损耗大。 6 、变极调速通过调整电机的极对数来调节电机的输出转速。这种方式的 外部接线复杂，电机可靠性、体积、运行环境要求较高，且调速范围小，是一 种有级的调速方式，现应用很少。 其中最为理想的调速方案应为斩波内馈和变频调速。 1 3 论文主要内容 4 本课题在研究电机节能调速理论的基础上，深入分析斩波内馈调速的原理 山东大学硕士学位论文 及节能的实现，通过对其主要设备构成和特性的了解，对斩波内馈电机的技术 指标及安全可靠性进行探讨，对已投入运行的斩波内馈电机进行统计和类比， 研究其实际经济效益，以及斩波内馈电机在实际运行中出现的问题及处理，具 体内容如下。 第一章是绪论，主要介绍了本课题的研究目的及意义，国内外的研究现状， 说明了本文的主要研究内容。 第二章是斩波内反馈调速的原理以及其节能的实现，分析了斩波内馈调速 节能的原理，斩波技术和绕线异步电机串级调速技术的结合，以及与风机设备 特性的配合。 第三章是介绍了斩波式内反馈调速系统的技术条件。 第四章是斩波内反馈调速系统的主要设备构成及特性，分析了其技术性、 安全性和可靠性，明确其在生产实际运用的可行性和节能意义。 第五章是斩波内反馈调速系统在电厂中的应用，作为高耗能部门，电厂节 能有巨大的潜力，斩波调速内反馈经济效益显著。 第六章是斩波式内反馈调速系统在实际运行中出现的问题及处理，通过总 结分析，提高设备运行中的可靠性，巩固其获得的经济效益。 第七章是斩波式内反馈调速市场前景分析。 第八章是结论和展望部分，对本文进行了总结，并对下一步的工作进行了 展望。 山东大学硕士学位论文 第2 章斩波式内反馈电机调速原理和实现 根据电动机最基本的电机能量转换原理，对交流调速的实质进行了新的分 析，并得出交流调速的实质是功率控制的结论1 2 2 1 。交流调速的所有方法都可归 结为电磁功率和损耗功率两种控制方案，电磁功率控制改变的是理想空载转速， 调速是高效率的；损耗功率控制增大的是转速降，调速是低效率的。同时提出 了一种新型交流调速斩波内馈调速，通过功率控制调速理论证明，该调 速与变频调速遵循的是同一原理电磁功率控制原理【l 】。所不同的是变频 调速基于定子控制，而斩波内馈调速则基于转子控制。理论和实践证明，斩波 内馈调速具有高效率、低成本等一系列优点，尤其在高压大容量电机调速方面， 优势更为明显。 斩波内馈调速是我国首创的一种新型交流调速技术，通过近2 0 年的实践 探索和理论研究，斩波内馈调速取得了长足的进步，产品在发电、供水、冶金 等领域获得了推广应用，技术经济性能都达到了较为理想的指标【l 们。事实表明， 斩波内馈调速具有调速效率高，制造成本低，功率因数高，谐波分量小等一系 列优点，不仅为我国的风机泵类节能提供了一种经济、高效的调速技术和产品， 也为世界的交流调速填补了一项空白。 2 1 串级调速的原理 串级调速是应用绕线型异步电动机转子串附加电势进行调速的原理，将异 步电动机转子能量经变流装置变换后，通过逆变变压器回馈给电网【1 7 - 1 羽，原理 图见图2 1 。但是串级调速系统存着限制其应用的几个问题： ( 1 ) 功率因数低。一般串级调速系统在高速运行时功率因数0 6 - 0 6 5 ， 低速时0 4 o 5 。 ( 2 ) 增加了一台向电网反馈能量的变压器，谐波污染大。 ( 3 ) 采用绕线式转子，增加了滑环的维护量。 6 山东大学硕士学位论文 一一一 d l d 2d 3 _ -u a 八一。 j ll 1r1r1 【 t b ( m 臌 l 7 1 j。厂 s 4 ，y r k ，v 、一 【 v 、刊，v 、 、一l c l 7 斟s 5 ，、，一 ，v 、j j 一 d 4d 5d 6 _ v 1 r1rr 7 1一ljl一k 7j - 扩1 旷旷 图2 一l串级调速的电气原理图 以上限制因素，阻碍了串级调速技术的应用和发展，为了解决这些问题， 人们提出了各种各样的措施和方法，其中以内反馈电机调速方案最为先进和有 效 1 9 - 2 0 。 2 2 内反馈电机调速的原理 内反馈电机调速系统组成如图2 所示，由内反馈电机、整流器、逆变器组 成，系统通过调节逆变器的逆变角来达到调速和节能的目的，逆变器的逆变角 越大，电机转速越低。其中内反馈电机是在国家标准系列( 己系列和j r 系列) 绕线式转子电机的设计基础上，在定子侧的原定子绕组同槽嵌放另一套绕组， 称为附加绕组，而原来的定子绕组称为主绕组，并进行优化设计口。因此，其 相同规格具有相同的安装尺寸，相似的结构，成本也没有大的提高( 增加) ，其 电机还可以作为普通的感应电机使用，各项指标不低于相应的国家标准【3 4 。5 】。 r 1 一龇l 仳v ，u 、 ：谭。 。i i ：一一j d l d 3 d s , i ；! l 二 d 2 d 6 d 耳； ! j f 二 ：i 一 l：， ! ：ll 3 r 1广 ，p_ 一 。：r ；。- “一k l 一 一：蕊ii + 、。弋一 漏_ 惫 t 。 i _ ， 。，! ， 。 i ； d 5d 3d l e ； 、二， i ) 4 d 6d l 2 j 一 t h o f l3 3 r 1 匕：i 一k lkr r ”。”p f “h p 。1 一0 ， ， 乏! “。 卜一 ， 图2 2 内反馈电机调速系统原理图 但是，移相控制式内反馈电机还存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 调节绕组的设计容量与转子绕组相等，这样以来给电机的设计和制造 7 山东大学硕士学位论文 增加了困难。 ( 2 ) 调速有死区，不能够实现真正的无级调速。 ( 3 ) 改变逆变器的逆变角实现转速的调节，1 3 角的增大，使得调节绕组电 流的去磁效应变大，调节绕组的功率因数降低，为了维持电机内电枢反应的磁 势平衡，定子电流的激磁分量会相应的增加。为了解决这一问题，需要在调节 绕组中增加补偿回路，系统变得复杂。 为了解决以上问题，斩波技术被应用到内反馈电机调速中来。 2 3 斩波式内反馈电机调速的原理 斩波式内反馈电机调速是一种以低压( 转子侧) 控制高压( 定子侧) 的高 效率调速技术口9 1 。效率高达9 9 。内反馈电机及其调速系统的构成如图2 - - 3 所示： 图2 3 斩波式内反馈电机调速装置的电气原理图 在电动机端电压及负载转矩不变的情况下，电势从主绕组感应到调节绕组， 然后通过调速装置串入电机的转子绕组，改变斩波器( 原理如图所示) 的占空 比就能改变串入电动势，而改变串入电势的大小即可实现调速。同时，转子的 转差功率通过调速装置输出到调节绕组，调节绕组在定子上形成的磁场与转子 旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，并使电机从电网吸收的有功功率减少。 定子绕组的有功电流随转速正比变化，从而达到调速和节能的目的。 要克服移相控制的缺点，只有改为对逆变电流进行控制，简单的方法是在 8 山东大学硕士学位论文 直流回路实行斩波控制。 斩波开关对功率的控制作用是通过对电流平均值的控制实现的，斩波开关 通常以恒频调宽方式工作，即工作频率一定，而开关导通时间可调。这样，当 斩波开关导通时，转子电流经k 而成回路，电流不流过逆变器，逆变器输出功 率p 3 = o ，转子的电磁功率转化为机械功率。当开关k 打开时，转子电流被迫 流入逆变器，电流所产生的功率转化为反馈功掣3 1 】。根据电机调速的功控原理， 电机转速决定于机械功率( 或反馈功率) 的大小，在电流连续条件下，斩波电 流和反馈电流互补，因此，只要分析其中任意一个电流对功率的控制作用，就 可以说明调速机理了。 分析可知，电机转速正比于机械功率，而机械功率正比于斩波开关电流， 因此，调速就成为单只改变斩波开关电流的问题了。为了简化分析，设负载转 矩不变，转子直流电流为定值，即i d = c 。 可见改变占空比即可实现对反馈功率p 3 的控制，从而实现转速控制。斩 波控制实际上是数字化的功率控制，它较好地克服了移相控制的缺点，目前已 成为电力电子技术的发展方向。把斩波技术与内馈调速有机结合所形成的斩波 内馈调速，具有功率因数高、谐波分量小、逆变器和内馈绕组容量小、产品可 靠性高等一系列优点，使内馈调速取得了质的提高，也是第三代内馈调速的典 型特征。 斩波技术应用于内反馈电机调速中，使内反馈电机调速技术得到了进一步 提高和完善，系统具有更多的优点： ( 1 ) 降低了调节绕组的容量，使电机的设计和制造比较容易。 ( 2 ) 不存在调速死区，可是实现全范围的无级调速。 ( 3 ) 固定了t 3 角，大大提高了调速系统的功率因数，不需要增加补偿回路。 ( 4 ) 内反馈调速按需要的调速比确定控制装置容量，小于电动机额定容量， 因此内反馈调速装置的价格大大低于同容量的高压变频调速装置。 内反馈电机的设计和制造技术，对调速系统的运行可靠性具有重要影响， 滑环作为转动部件电连接的主要结构形式已经有多年的历史，国内绕线式电机 的滑环普遍存在着结构和工艺设计缺陷，大部分的滑环是由配套厂家提供的， 多年来一直延续着传统的结构和工艺【2 4 】。其实，在大型发电机的励磁系统中， 9 山东大学硕士学位论文 滑环是有刷励磁的主要部件，其线速度和电流密度远大于绕线式电动机，经过 引进工艺改造的国产滑环，已经具有的很高的可靠性，并且维护简便快捷，维 护使用周期达到了1 年以上。因此，通过工艺和结构改进，内反馈电机的滑环 不会成为影响其工作可靠性的障碍。 2 4 系统整定计算 整定计算作为h c l a 电动机调速装置设计的组成部分，根据有关国家标准 对电气传动控制设备技术要求，对电动机调速装置的电气参数进行计算，据此 结果核对电动机调速装置技术性能是否符合q b s p l 2 j t 0 0 0 0 0 2 0 0 3 ( h c i a 电 动机调速装置技术条件。 计算方法 主回路设备参数的计算 根据异步电动机的型号和规格、调速范围以及负载性质，可以计算串级调 速装置主回路设备参数，从而选定型号和规格。 2 4 1 转子侧整流器的设计 a 2 4 1 1 最大转差率m a x 调速范围 1 0 式中 m i n 为最低工作转速；玎r a t 为额定工作转速，它近似于同步转速以0 s 雠= 坠= 1 一五1 n o ( 2 2 ) u r ，、 2 4 1 2在调速范围内，转子整流器的最大输出直流电压 一= 嘞s 一易o ( 2 3 ) 式中j 为整流电压计算系数，全桥整流取1 3 5 。 2 4 1 3最大直流整流电流d m 戤 设转矩过载倍数为k u ，由于电动机转子电流近似与转矩成正比宰，因此电 旦 堕 i | d 山东大学硕士学位论文 流过载倍数也近似为，但考虑到转子电流畸变等影响，在计算最大直流电 流时，再乘以系数1 1 ，即 d m a x = 1 挚= 1 a ，矿 ( 2 4 ) 式中群矿为整流电路交流侧相电流计算系数，全桥整流取0 8 1 6 。 = 厶肼k 为额定输出直流电流。 2 4 1 4 整流二极管电压的选择 一般串级调速装置采用频敏变阻器或电阻分级切换起动至高速，再切换至 串级工作状态，故硅整流器承受的最高电压，由系统工作的最大转差率s n e x 确定。 每臂的反向工作峰值电压 肼= k a 厶 式中k w 为元件的电压计算系数，全桥整流取压。 考虑到操作过电压和事故过电压等的影响，硅整流元件的反向重复峰值 u 删应比桥臂电压u 删大2 3 倍。 牝3 ) 学 沼5 ， 式中m 为硅整流元件串联数；k u 为考虑各串联元件电压分布不均匀的系 数；系数2 3 的选择由系统的可能过电压倍数和浪涌电压吸收装置的吸收效果 决定。 硅整流元件的反向不重复峰值电压u 删定义为：在规定的测试线路中，按 反向伏安特性曲线急剧弯曲处所决定的反向峰值电压，此电压是不可连续施加 的，持续时间不大于1 0 毫秒的反向最大脉冲电压；而反向重复峰值电压u 删定 义为：在规定的测试线路中，重复率为每秒5 0 次，持续时间不大子1 0 毫秒的 最大脉冲电压。对于z p 型硅整流元件来说，u 艘a , t 2 0 8 u 删，按式( 2 5 ) 选 择元件的u 删值是合理的。对于2 c z 型硅整流元件来说，u 觚w 2 0 5 u 脚， 山东大学硕士学位论文 按式( 5 ) 选择元件的u r 肼就不合理了，而应按下式选择 ( 1 2 5 - 1 8 ) 锴 协6 ) 2 4 1 5整流二极管电流的选择 硅整流元件或可控硅元件的热惯性很小，过载时间是按周波数计算的，因 此，一般应按最大整流电流来选择其额定电流值。另外根据我国国家标准的规 定，可控硅和硅整流元件的额定正向平均电流1 f a v 是指在环境温度+ 4 0 c 的规 定冷却条件下，元件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，当结温不超过 额定结温时，元件所允许的最大正向平均电流；而元件发热所允许的电流值指 的是电流均方根值，即其有效值。单相正弦半波波形的有效值1 r m $ 等于 k = 要毛一1 5 p 对于三相桥式整流电路来说，如果负载的电感为无穷大，则流过每个硅整 流元件的电流波形为宽度2 r d 3 电角度、幅值1d 的方波，其有效值为 1 冗裕2 1 ， 2 万d 根据发热相等的原则，应与所选用的硅整流兀件的电流有效值相等，即 i 刚= 专i d i 附矿= 寺1 d = 0 3 6 7 i d = k l t i d 5 死 式中k i t 为可控硅或硅整流元件电流计算系数，全桥整流取1 3 5 。 考虑到整流回路的最大工作电流，以及一定的电流储备，元件的电流额定 值应按下式选择 ( 1 2 ) 铣 协7 ， 式中卜一元件并联数； k 卜一考虑到并联元件间电流分配不均匀的系数，它与元件并联 1 2 山东大学硕士学位论文 数及触发器性能有关。一般可取0 8 0 9 。并联数多、触发器各相对称性较 差时，取上述范围内较小值，对于元件不并联的情况取= 1 。 上式中的系数1 2 是考虑保证元件有一定电流裕量。对于额定较小的元件、 负载平稳以及设备并不十分重要的场合，电流裕量可以取得小些，反之应取得 大些。 2 4 2相控有源逆变器的设计 2 4 2 1 逆变变压器的阀侧( - - 次侧) 相电压 2 彘 协8 ， 式中：k u v 整流电压计算系数，全桥整流取1 3 5 。 u d m a x 一整流桥输出的最大电压，根据( 2 3 ) 计算 u 幸允许工作的最低电网电压的标么值，通常为o 8 5 o 9 ； 1 3m i n 最小逆变控制角，pm i n y + e ，o 为考虑到可控硅 元件关断时间、 触发器移相角误差和安全裕量的角度，一般可取1 0 - - 1 5 。y 为 换相重叠角， 它由下式决定 c o s f f l m i n - y ) = c o s m m 2 疋气等 工d r a ( 2 9 ) e x 一变压器短路电压百分值； k x 变压器换相电抗压降计算系数，全桥整流取0 5 。初步计算可 取 br a i n = 2 2 。 2 4 2 2 逆变变压器阀侧相电流的额定值i t 2 r a t 易2 删= 足 ( 2 1 0 ) 2 4 2 3 逆变变压器网侧( 一次侧) 相电流i t l k = 如等 ( 2 - 式中k 1 i ，凌压器网侧相电流计算系数，全桥整流取o 8 1 6 。 1 3 山东大学硕士学位论文 k t - 变压器变压比。 2 4 2 4 逆变变压器等值容量s t 因为k i l 与k i v 可能不同，变压器的阀侧相电流与网侧相电流之比不一定 等于 其变压比n ，也既变压器阀侧与网侧容量不一定相等。因此，用阀侧与网 侧容 量的平均值来表示逆变变压器的容量，该容量称为等值容量( 标称容量 s t ) 。 s t = k s tk u vu t 2i d r a t( 伏安)( 2 1 2 ) 式中，k s t q 压器等值容量计算系数 2 4 2 5 可控硅元件电压和电流的选择与整流元件相同，可套用公式 ( 2 5 ) 和( 2 7 ) 。须说明的是，无论k p 型或3 c t 型，可控硅元件的反向重复 峰值电压u r 肼均是按反向重复峰值电压u 删的8 0 决定的。 2 4 3 平波电抗器的选择及参数计算 在串级调速系统中电动机转子逆变器直流电路中须串接平波电抗器，其作 用为：( 1 ) 把电流脉动分量在电机转子中造成的附加损耗限制在允许范围内； ( 2 ) 使电机在最小工作电流时仍能保证电流的连续，避免电流断续后引起的转 速不稳定现象( 3 ) 限制短路电流的上升率，使快速开关能及时动作，尽可能避 免损坏快速熔断器。 2 4 3 1电动机折算到转子侧的每相电感量的计算， 厶：塑：生堕l o ， 国0国0 ( 毫亨)( 2 1 3 ) 式中为折算到转子侧的定子相电抗，吃为转子相电抗，纨为电网角频 率( ( 0 02 3 1 4 弧度秒) 。 2 4 3 2 电压器折算到阀侧( 二次侧) 的每相电感量岛的计算， 岛= 磁阜1 0 3 训棚 ( 毫亨) ( 2 1 4 ) 式中巳为变压器短路电压的标么值，k s l 为变压器漏感折算系数。 山东大学硕士学位论文 2 4 3 3 限制直流脉动率的电感值l 耐， 。等诹龆( 辅 ( 2 - 1 5 ) 式中醚和鹾分别为电动机和变压器电感折算系数，分别根据电动机转子 整流器的接线形式和可控硅的接线形式所决定； 万允许的电流脉动率，因为异步电动机不象直流电动机那样存在换向 困难的问题，所以脉动率允许适当放大些，例如1 0 左右； 限制电流脉动率的电感计算系数( 单位为毫秒) ， 由于可控硅串级调速系统中可控硅逆变器和转子整流器互为负载，这与可 控硅供电的直流电动机不同。对于后者来说，只有可控硅变流器产生脉动，而 对前者来说可控硅逆变器和转子整流器都产生脉动，那么究竟应按哪个对象来 计算三耐呢? 对于转子整流器而言，( 嘞易) 总是l ，在这种情况下，当 转子整流器为三相零式、三相全控桥、双桥串联或并联接线时，电感计算系数 为最小值。对于可控硅逆变器而言，则要考虑触发控制角= 9 0 。，也即 玑( i ：) ：0 的情况，此时疋d 为最大值。因此应当按可控硅逆变器计算 的值。 2 4 3 4 保证支流回路电流连续的电感值： 直流回路电流的断续会使转速特性上翘，电流和电压发生摆动，使调速性 能恶化；为此，需要保证串级调速系统直流回路在最, h i 作电流1 d 曲时仍能保 持电流的连续，在l 劬的情况下，使电流连续所需平波电抗器的电感量厶工由 下式确定： k = 4 恐1 0 3 - k ”硌r ( 鞘 ( 2 - 1 6 ) 式中d 正比于直流电压中交流分量的电感计算系数。 当然，这里也面临是按转子整流器的需要来计算还是按可控硅逆变器的 需要来计算的问题。如果按转子整流器的需要，则计算公式( 2 1 6 ) 应修改如 1 5 山东大学硕士学位论文 = 科丝o d mx l - k ：厶一岛：科_ k 品e 2 0 x103-so)oldminc o o l a m 吒厶一岛 = 转子整流器工作在触发控制角a = 0 的情况下，即使在发生强迫延迟导通时， 其触发控制角( 既强迫延迟导通角) a 也不小于1 5 。，因此上式中的系数讲总 是比式( 1 6 ) 中的系数盈小。如果转子整流器与可控硅逆变器二者有相同接线 方式时，也既j 与珞相同时，显然应当按式( 1 6 ) 计算厶，。如果二者接线 方式不同，则需要考察他们的嘞与4 乘积的大小，并按其中较大的数值来计 算k 。 对于泵和风机等转矩与转速平方成正比的负载，设在触发控制角：9 0 。 时，逆变器输出电压为零，电动机工作在最高转速和额定电流；而在：3 0 。时，电动机工作在最低转速，此时的工作电流l d 2 既最小工作电流 i d 凼， k = 4 瓦k 饥, u r 2 。2 一吒厶一醚岛 ( 2 1 7 ) 平波电抗器的电感k 应按上述计算值叩和厶，中较大者选取。 控制回路参数的计算 对串调装置继电操作电路的要求 串级调速装置的继电操作电路的合理设计是非常重要的，它不仅关系到装 置能否按一定程序启动、切换、运行、停车，还关系到装置的安全及元件的使 用寿命，一般在设计中必须注意下列几点： 1必须有严格的启动和切换顺序。由于串级调速装置中的硅元件耐压等 级是按照最低转速时承受的电压选择的，机电操作电路必须保证电动机转速在 到达规定的最低转速以上时才允许切换至串调运行状态。 2 必须有正确的停车顺序。一般绕线电动机空载励磁电流较大，