高壓變頻調速和斬波內饋調速在煤礦生產中的應用

1、高壓變頻調速和斬波內饋調速在煤礦生產中的應用| 劉 鵬 焦作煤業(yè)(集團)有限責任公司生產管理處454002摘要： 本摘要文簡要介紹了變頻調速與斬波內饋調速的節(jié)能原理，對變頻調速與斬波內饋調速在煤礦中的應用進行了分析比較。關鍵詞：變頻調速；斬波內饋調速；煤礦應用；關鍵詞煤礦是我國的主要能源生產基地，同時也是能源的消耗大戶，能耗費用在企業(yè)生產成本中占的比重很大。如何以技術進步和技術創(chuàng)新為先導，降低企業(yè)的生產成本，提高勞動生產率是煤礦生產企業(yè)需要解決的重大課題。高壓變頻調速和斬波內饋調速正是應對這個課題的新技術革命，煤礦主要電耗設備風機、泵類的調速經濟運行如果實現(xiàn)以調速傳動代替原有的恒速傳動，通過改

2、變轉速來調節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風擋板和閥門調節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30%左右，將帶來很大的節(jié)能效益。目前在高壓大功率類負載的電機調速中應用最為廣泛的兩種調速方式是：變頻調速和斬波內饋調速。高壓斬波內饋調速和高壓變頻調速實質在于功率控制，即電磁功率控制和損耗功率控制兩種原則。電磁功率控制改變的是理想空載轉速，而損耗功率控制則是增大轉速降，前者是高效率節(jié)能型調速，后者則是低效率的耗能型調速。調速性能取決于調速原理，高效率交流調速的關鍵在于如何控制電磁功率，至于選擇定子控制還是轉子控制，對煤礦企業(yè)來說要根據(jù)條件的不同進行比較選擇。變頻調速節(jié)能原理： 電動機的變頻調速運行除了能夠滿足生產工藝要

3、求進行調速之外，還有很好的節(jié)能效果。這部分節(jié)能并不是因為電動機在調速運行時能夠有節(jié)能效果，主要是因為電動機拖動的負載在調速運行時所需的功率根據(jù)運行的轉速有大的變化，變頻調速因其在大部分調速范圍內效率都很高所以節(jié)能效果明顯。例如對于風機負載，為了滿足風量的要求，采用節(jié)流調節(jié)時，風機不能在高效率點運行，自身消耗功率增加，同時節(jié)流裝置損失了一部分風機輸出的功率，所以雖然風機輸出的實用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是風機的輸入功率變化不大，導致整個系統(tǒng)的效率因此大幅度降低；采用變頻調節(jié)后，不存在節(jié)流裝置的功率損失，可以使風機能始終運行在高效率點附近，同時變頻調節(jié)自身效率比較高，所以能使整個系統(tǒng)的效

4、率維持在較高的水平，電動機消耗的功率基本上只隨著輸出實用功率的變化而線形變化。對于風機和泵類負載，由流體力學知識可知，其輸出的功率與其轉速的三次方成正比，所以當其轉速減小時，其能耗也隨著轉速以三次方的速率下降，因此節(jié)能效果非常明顯。采用高壓變頻調節(jié)除了能夠產生良好的直接經濟效益外，同時還有以下優(yōu)點：1.可以實現(xiàn)空載軟啟動，啟動峰值電流和啟動時間大為減少，避免因大啟動電流造成的絕緣老化及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量，節(jié)約檢修維護費用。2.對于容量大的電動機，可以節(jié)省啟動裝置的費用，通過變頻驅動直接起動。3.功率因數(shù)得以提高，電流減小，可以省去功率因數(shù)補償裝置

5、，充分利用變壓器系統(tǒng)的容量。4.節(jié)流調節(jié)裝置全開，減小管道系統(tǒng)內流體壓力波動，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到改善。5.變頻調節(jié)的調節(jié)控制性能遠遠好于節(jié)流調節(jié)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。6.變頻調節(jié)使電動機的轉速降低，環(huán)境噪音可以得到大大改善。 從功率控制角度來講，高壓變頻調速是典型的控制定子電磁功率的調速，是間接控制轉子電磁功率的調速。即變頻調速實質上是通過同時控制電壓和頻率來實現(xiàn)高效率的電磁功率控制的調速方案。煤礦高壓變頻器改造的可行性分析：以主扇風機為例，主扇風機在煤礦生產中有著重要的地位，隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風量基本不變，但井下所需的風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。根

6、據(jù)反風及開采后期運行狀況來確定的主扇風機及拖動電動機的功率通常遠大于煤礦長期開采所需的正常運行功率。存在以下幾個問題:1、電能的嚴重浪費大型煤礦的服務年限大多在幾十年以上，投產初期到井田穩(wěn)定開采一般在十年以上，這就以為在主扇風機設計上余量特別大，說明在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于煤礦主扇風機一般采用檔板調節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產成本。2、啟動困難，機械損傷嚴重主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現(xiàn)象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用

7、壽命。3、自動化程度低主扇風機依靠人工調節(jié)檔板，更不具備風量的自動實時調節(jié)功能，自動化程度低。在故障狀態(tài)下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。為了礦井的安全生產和降低生產成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風機進行變頻調速改造具有非常重要的意義。調速方案比較：從節(jié)能的角度，交流電動機的調速裝置可以分為高效調速裝置和低效調速裝置兩大類。高效調速裝置的特點是：調速時基本保持額定轉差，不增加轉差損耗，或可以將轉差動率回饋至電網(wǎng)。低效調速裝置的特點是：調速時改變轉差，增加轉差損耗，下面通過機械特性、調速范圍、節(jié)能效果、故障處理、投資成本、維護保養(yǎng)、可靠性、性能等方面做個詳細比較。通過比較，高壓

8、變頻調速以節(jié)能效果明顯，調速范圍寬，維護保養(yǎng)簡單，可靠性明顯高于其他調速裝置，是目前國際、國內高壓電機調速的發(fā)展趨勢，雖然前期投資比起其他的調速裝置昂貴，但是從長遠角度考慮，投資回報率非常高。 斬波內饋調速節(jié)能原理：所謂內饋調速是一種將調速電機的部分轉子功率（即電轉差功率）移出來，以電能的形式反饋給電機內部的調節(jié)繞組的特殊調速方式，是轉子電磁功率控制的調速。 電機調速時，轉子的部分功率通過電傳導饋入反饋繞組，如果忽略損耗，反饋繞組所獲得的功率與轉子被移出的功率相等，表現(xiàn)在圖中，為轉子功率圓部分面積與反饋繞組功率圓面積相等。由于轉子的部分功率被移出，故轉化的機械功率減小，因此電機轉速下降。這樣，

9、轉子被移出的功率越大，反饋繞組的功率就越大，而機械功率就越小，轉速就低；反之則機反；當反饋繞組功率為零時，機械功率幾乎和轉子功率相等，電機轉速最高?！皵夭▋瑞仭笔且环N新型交流調速技術，其突出特性是將數(shù)字化的斬波技術與內饋調速電機有機結合，克服了傳統(tǒng)串級調速存在的缺點。斬波是電力電子控制中的一項變流技術，其實質是直流控制的脈寬調制，是因其波形如同斬切般整齊、對稱，故名斬波。斬波的性質是強電的數(shù)字控制，根據(jù)控制對象的不同，分為電壓斬波和電流斬波，前者的斬波器串聯(lián)在電路中，又稱串聯(lián)斬波；后者的斬波器則并聯(lián)在電路中，所以稱為并聯(lián)斬波。在斬波內饋調速系統(tǒng)中應用的是電流斬波。斬波器對功率的控制是通過改變電

10、流平均值實現(xiàn)的。斬波器通常以“恒頻調寬”方式工作。在電力流連續(xù)條件下，斬波電流和反饋電流互補。流經斬波器的電流，既是產生機械功率的電流，而轉速與機械功率成正比，所以改變斬波器電流就可以正比改變電機轉速。 根據(jù)電機調速的理論，內饋調速的實質在于將轉子的部分電磁功率移出，使余下的轉子功率轉化為機械功率，因此移出的功率越多，轉化的機械功率越少，電機轉速則越低。因此，改變移出功率的多少，即可控制機械功率大小，電機轉速便得以調節(jié)。 斬波實際是變流主電路的數(shù)字控制。變流控制是交流調速的關鍵，關系到調速效率、功率因數(shù)、可靠性及其它技術性能，是近代交流調速研究開發(fā)的重點方向。斬波控制的目的是克服移相控制存在的

11、缺點。實踐表明，斬波控制不僅有效地解決了移相控制的功率因數(shù)低、諧波畸變大等問題，同時，有源逆變器的最大容量可減小到電機額定容量的14.8%，而且觸發(fā)脈沖被固定在最小逆變角處，不再移動，這樣，就從根本上解決了最為頭疼的有源逆變器可靠性問題。這種斬波電路巧妙地解決了晶閘管的關斷問題，可靠性高，效率高，使內饋調速擺脫了移相控制的束縛，形成斬波+內饋的優(yōu)化組合。 斬波內饋調速與高壓變頻調速的技術指標對比： 1、價格低：目前市場價格變頻調速價格高。2、可靠性：電力電子器件為低壓大電流的，斬波內饋調速以低壓(一般660V以下)控制高壓(6KV、10KV)，從而設備運行可靠；而高壓變頻調速不可避免的遭遇電力

12、電子器件耐壓問題，現(xiàn)場運行中的故障多為功率器件過壓擊穿所致。 3、效率：斬波內饋調速98% ,變頻調速因必須配套變壓器94%；4、諧波：電流畸變率小，而且由于轉子的隔離作用不會反饋至電網(wǎng)，無污染，是綠色環(huán)保產品。變頻調速的諧波高，且直接污染電網(wǎng)，并影響其它自動化控制系統(tǒng)的正常運行，必須加裝濾波裝置。 5、控制系統(tǒng)：斬波內饋調速在轉子側實施調速控制，其控制功率僅為電機功率的14.8%，所以控制系統(tǒng)的結構簡單，體積??；而高壓變頻調速是在電機定子側實施控制，控制功率要大于電機功率,一般為（1.2-1.3）倍的電機功率，而且必須配套變壓器（內置或外置），所其控制系統(tǒng)結構復雜，體積龐大，占地面積大。 6

13、、節(jié)能效果：同等工況下，斬波內饋調速比變頻調速節(jié)能率平均高5-8%左右。工況允許的情況下，斬波內饋調速的節(jié)能率可達40-50%。 7、電機的改造：高壓變頻調速系統(tǒng)由于其變流技術的復雜性，會嚴重損壞普通電機的使用壽命，一般也需配套專用電機。結論：高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應用的基礎上發(fā)展起來的，其開發(fā)和生產的難度在于：一、高壓變頻器由于供電電壓高，而目前世界上電力電子器件的耐壓水平還不能與此要求相適應；二、高壓變頻器由于控制的功率大，其技術難度大，制造技術要求高，所以資金投入大。 高壓變頻調速與斬波內饋調速同屬控制電磁功率的高效率無級調速，其機械特性同為平行曲線族，兩者的調速技術性能沒有明顯差異。 高壓變頻調速與斬波內饋調速最大的不同在于高壓變頻是立足于電機定子的功率控制，而斬波內饋調速則是立足于轉子的功率控制。因此，高壓變頻最大的優(yōu)勢是適用于鼠籠型與繞線型異步機，而斬波內饋則僅適用于繞線型異步機。 但轉子控制回避了定子控制的高壓問題，對高壓電機可以實現(xiàn)低壓控制。而且控制裝置與電機的軸輸出口是并聯(lián)聯(lián)接，這樣就可依工況需要而靈活選擇調速范圍，因而降低控制裝置的容量。 為了提高滑環(huán)、電刷的可靠性，內饋電機在材料、材質上做了革新，采取了局部風冷措施，這樣可使電刷壽命比普通繞線機提高一倍以上。 此外，轉子控制由于電磁隔離作用，控制裝置對電源的畸變影響很小，而高壓變頻的定子控