大功率电机调速节能运行的技术经济分析

1大功率电机调速节能运行的技术经济分析摘要：指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力；讨论了各种调速方式的优缺点，并作出了详细的技术经济分析。关键词：风机；水泵；液力耦合器；变频调速；串级调速；无刷双馈电机4.3绕线式电动机的串级调速绕线式电动机的串级调速，虽然也是通过改变异步电动机的转差率来达到调速目的的，但它与能耗转差调速不同，关键的差别在于对转差功率的处理上。能耗转差调速是将调速中产生的转差功率变成热能消耗掉，而串级调速却是通过交－直－交变频器和变压器，将转差功率反馈回电网，因此是一种高效的调速方式。4.3.1普通串级调速从电机学原理可知，为了实现绕线式异步电动机的转速调节，除了采用在转子回路中串电阻的方式外，还可采用在转子回路中串电势的方法。这种在转子回路引入附加电势进行调速的方法，称为绕线式异步电动机的串级调速。串级调速的关键是串入到转子回路的电势Ef的频率必须与转子电势频率f2相等，但f2是随着转速的变化而变化的，即f2是由旋转磁场转速n0（对应f1）和转子转速n决定的，即式中：p——磁极对数；s——转差率。但要串入一个永远跟随着转速的变化而变化的电势Ef是相当困难的。解决的办法是先把转子电势整流成直流电势Ed，再在此直流电路中串入一与Ef相当的可2调节的直流电势，就可避免随时改变Ef频率的困难了。具体地实现串级调速有下述三种方式：1）由一台直流电动机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫机械串级调速系统或叫克莱墨系统。2）由一台直流电动机、一台交流发电机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫电机式串级调速系统或谢菲尔毕斯系统。3）由变频器与绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫晶闸管串级调速系统或静止谢菲尔毕斯系统。上述第一种及第二种串级调速方式过去早有应用。第三种晶闸管串级调速是一种新的串级调节方式，它在目前应用最广泛，已有取代第一、二种串级调速的趋势。与转子串电阻方式相比较，转子串电势的优越性是可以回收转差功率，仅晶闸管等换流器件产生一些不大的损耗，所以绕线式异步电动机的串级调速是一种高效调速方式。晶闸管串级调速系统又可分为低（次）同步串级调速系统和超同步串级调速系统两种。当串接到绕线式异步电动机转子上的附加电势Ef与转子电势SE20反向时，电动机的转速只能朝电动机额定转速以下的方向调节，运行转速恒低于电动机的同步转速，称为低（次）同步串级调速。当Ef与SE20既可同向串接，又可反向串接时，电动机的转速既可高于又可低于电动机的同步转速，称为超同步串级调速，或称为双馈调速。图19所示为低同步串级调速系统的原理图。其工作原理为：绕线式异步电动机的转差电势E2（SE20）经三相整流为直流电势Ed，再经电抗器L滤波后，加到三相逆变桥。由晶闸管组成的三相有源逆变桥的作用有两个：一是从电网为转子3回路提供附加直流电势Eβ，它与外串附加交流电势Ef相当，因是低同步串级调速，所以它的方向与转子直流电势Ed相反；二是把直流电再逆变为与电网同步的三相交流电，从而把转差功率Ps通过逆变变压器T匹配成电网电压，送回电网。图20为超同步晶闸管串级调速系统的原理图。它与低同步串级调速系统的主要区别是把由二极管组成的整流桥改为由晶闸管组成的可控整流桥，这样它既可作整流桥用，又可以作为逆变桥使用。当超同步串级调速系统在低同步范围调速时，可控整流桥作用与不可控整流桥完全相同，而在超同步范围内调速时，原来的逆变桥成为整流桥，它通过变压器从电网吸收交流能量，并将其整流为直流电；而原可控整流桥则成为逆变桥，它把直流电变为频率与转子频率相同的交流电。这样，超同步串级调速系统其定子绕组由工频电源供电；而转子绕组则由变频电源供电，通过调节转子变频电源的频率就可以进行转速调节。显然，绕线式异步电动机的变频调速方式与鼠笼式异步电动机的变频调速方式不同，后者仅由定子侧供电，而前者是由定子侧和转子侧双向供电。因此，超同步串级调速系统又称双馈电动机调速系统。4低同步晶闸管串级调速方式用于泵或风机调速时，其主要优点为：1）晶闸管串级调速是一种高效调速方式。一般而言，晶闸管串级调速系统的总效率（即电动机和调速装置的综合效率ηZ）应高于鼠笼式电动机及变频装置的综合效率ηZ。这是因为晶闸管串级调速系统中，只有转差功率经过变频器；而鼠笼式电动机变频调速时，其由电网输入的全部有功功率都要通过变频器。所以从通过变频器的功率损失（称为换流损失）来看，显然晶闸管串级调速系统要小得多。图14为典型晶闸管串级调速系统的ηZ及cosφ值，ηZ定义为式中：PB指电网净输出，不包括输入后又输出的转差功率。2）晶闸管串级调速系统具有在发生故障或其它原因时自动切换至额定转速或转子串电阻调速的功能。故当串级调速装置有故障时，泵与风机仍可以继续工作。此外，由于晶闸管串级调速装置的硅二极管、电抗器、晶闸管、变压器等元器件要产生电压降，故串级调速系统的最高转速只能达到原电动机额定转速的95％左右，因此，若要电动机在原额定转速运行，亦需把串级调速系统从“调速状态”切换到异步状态。3）调速装置由静止元器件组成，噪声小，易于维护，寿命长；当泵或风机的调速范围较小时，调速装置的容量可大大减小，价格也相应降低。5晶闸管串级调速系统存在的主要问题是：1）晶闸管串级调速系统的总功率因数低。如图21所示，在100％额定转速下运行时，系统总功率因数cosφ还不到0.6；在50％额定转速运行时还不到0.3。造成系统总功率因数低的主要原因是串级调速系统中的晶闸管逆变器在工作时需要吸收无功功率。另外还有两个原因是系统中转子整流器的作用，使电动机本身的运转功率因数变差；系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变，其电流中的高次谐波分量引起的畸变功率，使系统的总功率因数变差。后两个原因所造成的系统总功率因数降低约10％左右。2）产生的高次谐波对电网有污染。在晶闸管串级调速系统中，电动机转子回路串接的硅二极管整流器和晶闸管逆变桥，使每相正弦电流畸变而包含着一定分量的高次谐波。高次谐波电流不只对串级调速系统本身产生不良影响，更重要的是对整个供电系统的污染，使电网的电流波形产生畸变。谐波不仅增大电网及串调系统的损耗，降低电网及串调系统的功率因数，而且还使感应电动机的定子损耗与转子损耗增加；使电源变压器损耗增加，噪声增大；可能引起母线与补偿电容6器和线路上的感抗元件发生共振，而使电容器过热;可能导致并联工作的晶闸管变流装置相互干扰而控制失调；给测试装置和通讯设备带来电磁干扰。提高功率因数的措施：1）具有斩波环节的晶闸管串级调速系统。所谓带斩波器的串级调速系统，就是在传统的串级调速系统转子回路的二极管整流桥与晶闸管逆变桥电路之间并联接入一个斩波器，如图22所示。系统运行时，逆变器的超前角β固定在最小安全超前角βmin不变，通过调节斩波器的占空比实现调速。因cosβmin值较大，逆变器从电网需要的无功功率减小，故使系统的功率因数提高，在高转速运行时比一般串级调速系统高0.2～0.3。目前上海电器成套厂生产的带斩波器的晶闸管串级调速系统的容量已达550kW。斩波器通常由普通晶闸管构成。若采用可关断晶闸管（GTO）或电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型电力开关器件，则其控制线路可大为简化。2）对串级调速系统中逆变器的电力半导体开关器件用全控型开关器件（如GTR、GTO、IGBT等）取代普通的晶闸管，由于GTR、GTO、IGBT等具有自关断能力，且开关频率高，因此逆变器可作成PWM型，输出的电压或电流为近似正弦波形，不但高次谐波量少，而且有高的功率因数。双馈调速系统与（低同步）串级调速系统相比，具有如下特点：1）双馈调速系统不但可以在同步转速以下调速，还可以在同步转速以上调速；7而且在同步转速上、下，既可以电动运行，又可以制动运行。而晶闸管串调系统只能在同步转速以下调速，没有制动转矩。由于双馈调速可以在同步转速以上调速，所以只要电动机有足够的机械强度，便可以发出比额定功率大的功率。这对于火力发电厂的锅炉给水泵等这类大容量、高转速泵具有很大意义，因为这些泵的转速比电动机的同步转速高，而使用双馈调速系统不用增速齿轮就可达到。2）双馈调速系统的功率因数比串级调速系统高，且高次谐波对电网的干扰较小。3）双馈调速系统的线路比串级调速系统复杂，初投资也高，维护较困难，要求工人具有较高的文化技术水平。双馈调速系统和串级调速系统是不需要调节全部传动功率的电气传动系统，因此，经变频装置的功率仅仅是传动功率的一部分（转差功率），这部分功率的大小和调速范围成正比例。这种调速方式最适用于调速范围不大的场合。另外，因只需对传动功率的一部分进行变频，所以能量变换装置中的能量损失较小。在各种可调速的电气传动方式中，双馈调速和串级调速的效率是最高的。其次，双馈调速系统和串级调速系统都具有较高的可靠性，即使在变频装置发生故障时，仍可将电动机的转子短接使其工作在不调速状态。对于火电厂的锅炉给水泵、锅炉送、引风机以及核电站的循环泵等可靠性要求高的重要设备来说，这个优点是很重要的。4.3.2内反馈串级调速电机作为近代交流调速技术的重要分支，晶闸管串级调速曾获得普遍的重视和广泛的应用。但是随着近年来变频调速技术的迅速崛起，串级调速受到了很大的冲击。除了理论上的误导作用之外，串级调速技术在理论深入和技术改进方面存在的不8足也是主要原因之一。内反馈串级调速电机就是旨在克服传统的晶闸管串级调速系统的缺点而提出的新型附加电势调速方案。图23为内反馈串级调速系统的原理简图。内反馈串级调速电机的调速原理仍属于绕线式异步电动机转子回路串附加电势进行调速的理论范畴，但该附加电势不是通过与电网联接的逆变变压器提供，而是通过安装在定子上的调节绕组从主绕组感应过来的电势所提供的，再通过变流装置将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速的目的。同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。与传统串级调速的区别在于内反馈调速的转差功率不是馈入电网，而是反馈回电机内部。转差功率的这种内馈的结果，使调速产生的转差功率仍以电能的形式存在而没有被消耗，从而提高了调速效率；另一方面，通过电机的磁势平衡使定子绕组向电网吸收的功率减小，定子功率绕组中不再含有多余的转差功率，克服了传统串调系统转差功率在定子－转子－电网间的无谓循环传输现象。为了实现上述功能，内反馈调速电动机本体，除了具有和常规电机相同的定、转子绕组外，还在定子上设有特殊的调节绕组。调节绕组的作用是为转子绕组提供调速所必须的附加电势，并接收转子在调速时产生的转差功率，调节绕组的这一9作用，类似于传统串级调速系统中的逆变变压器，但内反馈调速是在电机内部的电磁系统中完成的转差功率转移，而传统串级调速则是在两个不同的电磁系统中实现转差功率的传输。不但在结构上，前者比后者简单，而且使电机调速的功率传输性能更为合理。与传统串级调速一样，为了克服功率因数比较低的缺点，在转子直流电路增加了直流斩波器，转子整流器通过斩波器与逆变器相连，组成斩波式逆变器。斩波式内反馈串级调速系统的调速是通过改变斩波器的占空比来实现的，因此逆变器的超前角β可取为最小值βmin，且固定不变，故可使无功损耗减小到最低程度，从而提高了系统的功率因数，同时也避免了因调速深度而带来的功率因数进一步降低的现象。图24为斩波式串级调速系统的原理简图。为了进一步提高内反馈串级调速电机的功率因数，还可以采用内补偿措施。改善功率因数的关键，在于使调节绕组的无功功率呈容性，这一方面可以通过超前换流的电子变流器来实现，也可通过内补偿方法来实现。内补偿是一种简单、可靠的改善功率因数、降低无功损耗的方法，其线路图如图25所示。在调节绕组接入补偿电容器，为了抑制谐波电流，串入阻尼电抗器L2。这样，调节绕组除了反馈电流I31以外，还产生容性电流I3C，总的电流为：=＋。将补偿的感性无功分量，使呈纯电阻性质，或者