高壓變頻調(diào)速和斬波內(nèi)饋調(diào)速在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、高壓變頻調(diào)速和斬波內(nèi)饋調(diào)速在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用| 劉 鵬 焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)管理處454002摘要： 本摘要文簡要介紹了變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速的節(jié)能原理，對變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速在煤礦中的應(yīng)用進(jìn)行了分析比較。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；斬波內(nèi)饋調(diào)速；煤礦應(yīng)用；關(guān)鍵詞煤礦是我國的主要能源生產(chǎn)基地，同時(shí)也是能源的消耗大戶，能耗費(fèi)用在企業(yè)生產(chǎn)成本中占的比重很大。如何以技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率是煤礦生產(chǎn)企業(yè)需要解決的重大課題。高壓變頻調(diào)速和斬波內(nèi)饋調(diào)速正是應(yīng)對這個(gè)課題的新技術(shù)革命，煤礦主要電耗設(shè)備風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速經(jīng)濟(jì)運(yùn)行如果實(shí)現(xiàn)以調(diào)速傳動(dòng)代替原有的恒速傳動(dòng)，通過改

2、變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋板和閥門調(diào)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(fù)載的電機(jī)調(diào)速中應(yīng)用最為廣泛的兩種調(diào)速方式是：變頻調(diào)速和斬波內(nèi)饋調(diào)速。高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速和高壓變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)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(zhuǎn)速，而損耗功率控制則是增大轉(zhuǎn)速降，前者是高效率節(jié)能型調(diào)速，后者則是低效率的耗能型調(diào)速。調(diào)速性能取決于調(diào)速原理，高效率交流調(diào)速的關(guān)鍵在于如何控制電磁功率，至于選擇定子控制還是轉(zhuǎn)子控制，對煤礦企業(yè)來說要根據(jù)條件的不同進(jìn)行比較選擇。變頻調(diào)速節(jié)能原理： 電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行除了能夠滿足生產(chǎn)工藝要

3、求進(jìn)行調(diào)速之外，還有很好的節(jié)能效果。這部分節(jié)能并不是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在調(diào)速運(yùn)行時(shí)能夠有節(jié)能效果，主要是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載在調(diào)速運(yùn)行時(shí)所需的功率根據(jù)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速有大的變化，變頻調(diào)速因其在大部分調(diào)速范圍內(nèi)效率都很高所以節(jié)能效果明顯。例如對于風(fēng)機(jī)負(fù)載，為了滿足風(fēng)量的要求，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)不能在高效率點(diǎn)運(yùn)行，自身消耗功率增加，同時(shí)節(jié)流裝置損失了一部分風(fēng)機(jī)輸出的功率，所以雖然風(fēng)機(jī)輸出的實(shí)用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是風(fēng)機(jī)的輸入功率變化不大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率因此大幅度降低；采用變頻調(diào)節(jié)后，不存在節(jié)流裝置的功率損失，可以使風(fēng)機(jī)能始終運(yùn)行在高效率點(diǎn)附近，同時(shí)變頻調(diào)節(jié)自身效率比較高，所以能使整個(gè)系統(tǒng)的效

4、率維持在較高的水平，電動(dòng)機(jī)消耗的功率基本上只隨著輸出實(shí)用功率的變化而線形變化。對于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，由流體力學(xué)知識可知，其輸出的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以當(dāng)其轉(zhuǎn)速減小時(shí)，其能耗也隨著轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)除了能夠產(chǎn)生良好的直接經(jīng)濟(jì)效益外，同時(shí)還有以下優(yōu)點(diǎn)：1.可以實(shí)現(xiàn)空載軟啟動(dòng)，啟動(dòng)峰值電流和啟動(dòng)時(shí)間大為減少，避免因大啟動(dòng)電流造成的絕緣老化及由于大電動(dòng)力矩造成的機(jī)械沖擊對電機(jī)壽命的影響，減少電機(jī)的維護(hù)工作量，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用。2.對于容量大的電動(dòng)機(jī)，可以節(jié)省啟動(dòng)裝置的費(fèi)用，通過變頻驅(qū)動(dòng)直接起動(dòng)。3.功率因數(shù)得以提高，電流減小，可以省去功率因數(shù)補(bǔ)償裝置

5、，充分利用變壓器系統(tǒng)的容量。4.節(jié)流調(diào)節(jié)裝置全開，減小管道系統(tǒng)內(nèi)流體壓力波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善。5.變頻調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于節(jié)流調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。6.變頻調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(diào)速是典型的控制定子電磁功率的調(diào)速，是間接控制轉(zhuǎn)子電磁功率的調(diào)速。即變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)上是通過同時(shí)控制電壓和頻率來實(shí)現(xiàn)高效率的電磁功率控制的調(diào)速方案。煤礦高壓變頻器改造的可行性分析：以主扇風(fēng)機(jī)為例，主扇風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)中有著重要的地位，隨著開采和掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長，盡管風(fēng)量基本不變，但井下所需的風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機(jī)需用功率也隨之增加。根

6、據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行狀況來確定的主扇風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率通常遠(yuǎn)大于煤礦長期開采所需的正常運(yùn)行功率。存在以下幾個(gè)問題:1、電能的嚴(yán)重浪費(fèi)大型煤礦的服務(wù)年限大多在幾十年以上，投產(chǎn)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(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上余量特別大，說明在相當(dāng)長的時(shí)間主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行。由于煤礦主扇風(fēng)機(jī)一般采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。2、啟動(dòng)困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重主扇風(fēng)機(jī)采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間長，啟動(dòng)電流大，對電動(dòng)機(jī)的絕緣有著較大的威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。而高壓電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中所產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)及其它機(jī)械的使用

7、壽命。3、自動(dòng)化程度低主扇風(fēng)機(jī)依靠人工調(diào)節(jié)檔板，更不具備風(fēng)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，自動(dòng)化程度低。在故障狀態(tài)下，如風(fēng)流短路，將對礦井正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動(dòng)化水平，對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造具有非常重要的意義。調(diào)速方案比較：從節(jié)能的角度，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置可以分為高效調(diào)速裝置和低效調(diào)速裝置兩大類。高效調(diào)速裝置的特點(diǎn)是：調(diào)速時(shí)基本保持額定轉(zhuǎn)差，不增加轉(zhuǎn)差損耗，或可以將轉(zhuǎn)差動(dòng)率回饋至電網(wǎng)。低效調(diào)速裝置的特點(diǎn)是：調(diào)速時(shí)改變轉(zhuǎn)差，增加轉(zhuǎn)差損耗，下面通過機(jī)械特性、調(diào)速范圍、節(jié)能效果、故障處理、投資成本、維護(hù)保養(yǎng)、可靠性、性能等方面做個(gè)詳細(xì)比較。通過比較，高壓

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

9、轉(zhuǎn)子被移出的功率越大，反饋繞組的功率就越大，而機(jī)械功率就越小，轉(zhuǎn)速就低；反之則機(jī)反；當(dāng)反饋繞組功率為零時(shí)，機(jī)械功率幾乎和轉(zhuǎn)子功率相等，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高?！皵夭▋?nèi)饋”是一種新型交流調(diào)速技術(shù)，其突出特性是將數(shù)字化的斬波技術(shù)與內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)有機(jī)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)串級調(diào)速存在的缺點(diǎn)。斬波是電力電子控制中的一項(xiàng)變流技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是直流控制的脈寬調(diào)制，是因其波形如同斬切般整齊、對稱，故名斬波。斬波的性質(zhì)是強(qiáng)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(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)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(shí)現(xiàn)的。斬波器通常以“恒頻調(diào)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(bǔ)。流經(jīng)斬波器的電流，既是產(chǎn)生機(jī)械功率的電流，而轉(zhuǎn)速與機(jī)械功率成正比，所以改變斬波器電流就可以正比改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 根據(jù)電機(jī)調(diào)速的理論，內(nèi)饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于將轉(zhuǎn)子的部分電磁功率移出，使余下的轉(zhuǎn)子功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，因此移出的功率越多，轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率越少，電機(jī)轉(zhuǎn)速則越低。因此，改變移出功率的多少，即可控制機(jī)械功率大小，電機(jī)轉(zhuǎn)速便得以調(diào)節(jié)。 斬波實(shí)際是變流主電路的數(shù)字控制。變流控制是交流調(diào)速的關(guān)鍵，關(guān)系到調(diào)速效率、功率因數(shù)、可靠性及其它技術(shù)性能，是近代交流調(diào)速研究開發(fā)的重點(diǎn)方向。斬波控制的目的是克服移相控制存在的

11、缺點(diǎn)。實(shí)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(shí)，有源逆變器的最大容量可減小到電機(jī)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(dòng)，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(guān)斷問題，可靠性高，效率高，使內(nèi)饋調(diào)速擺脫了移相控制的束縛，形成斬波+內(nèi)饋的優(yōu)化組合。 斬波內(nèi)饋調(diào)速與高壓變頻調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)對比： 1、價(jià)格低：目前市場價(jià)格變頻調(diào)速價(jià)格高。2、可靠性：電力電子器件為低壓大電流的，斬波內(nèi)饋調(diào)速以低壓(一般660V以下)控制高壓(6KV、10KV)，從而設(shè)備運(yùn)行可靠；而高壓變頻調(diào)速不可避免的遭遇電力

12、電子器件耐壓問題，現(xiàn)場運(yùn)行中的故障多為功率器件過壓擊穿所致。 3、效率：斬波內(nèi)饋調(diào)速98% ,變頻調(diào)速因必須配套變壓器94%；4、諧波：電流畸變率小，而且由于轉(zhuǎn)子的隔離作用不會(huì)反饋至電網(wǎng)，無污染，是綠色環(huán)保產(chǎn)品。變頻調(diào)速的諧波高，且直接污染電網(wǎng)，并影響其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須加裝濾波裝置。 5、控制系統(tǒng)：斬波內(nèi)饋調(diào)速在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)施調(diào)速控制，其控制功率僅為電機(jī)功率的14.8%，所以控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，體積小；而高壓變頻調(diào)速是在電機(jī)定子側(cè)實(shí)施控制，控制功率要大于電機(jī)功率,一般為（1.2-1.3）倍的電機(jī)功率，而且必須配套變壓器（內(nèi)置或外置），所其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(nèi)饋調(diào)速比變頻調(diào)速節(jié)能率平均高5-8%左右。工況允許的情況下，斬波內(nèi)饋調(diào)速的節(jié)能率可達(dá)40-50%。 7、電機(jī)的改造：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由于其變流技術(shù)的復(fù)雜性，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞普通電機(jī)的使用壽命，一般也需配套專用電機(jī)。結(jié)論：高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其開發(fā)和生產(chǎn)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(yīng)；二、高壓變頻器由于控制的功率大，其技術(shù)難度大，制造技術(shù)要求高，所以資金投入大。 高壓變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速同屬控制電磁功率的高效率無級調(diào)速，其機(jī)械特性同為平行曲線族，兩者的調(diào)速技術(shù)性能沒有明顯差異。 高壓變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速最大的不同在于高壓變頻是立足于電機(jī)定子的功率控制，而斬波內(nèi)饋調(diào)速則是立足于轉(zhuǎn)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(jī)，而斬波內(nèi)饋則僅適用于繞線型異步機(jī)。 但轉(zhuǎn)子控制回避了定子控制的高壓問題，對高壓電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低壓控制。而且控制裝置與電機(jī)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(diào)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(nèi)饋電機(jī)在材料、材質(zhì)上做了革新，采取了局部風(fēng)冷措施，這樣可使電刷壽命比普通繞線機(jī)提高一倍以上。 此外，轉(zhuǎn)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