高频斩波串级调速系统在秦皇岛发电厂的应用

【摘要】 高频斩波串级调速系统是应用于高压大容量异步电动机节能调速领域的一种比较先进的调速系统。本文介绍了灰渣泵应用高频斩波串级调速系统的技术经济分析。 【关键词】 高频斩波串级调速 灰渣泵 节能 调速 【Abstract】 Cascade speed control system assembly with high frequency chopper is an advanced speed control system that is applied to high voltage asynchronous motor. This text introduces the technology and economy analysis of Cascade speed control system assembly with high frequency chopper that had been applied to cinder pump. 【Key words】 Cascade speed control system assembly with high frequency chopper, Cinder pump, Speed control, Energy saving 【前言】 　　风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40％左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达（300～500）亿kW•h/年，相当于6～10个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。 　　秦皇岛发电有限责任公司位于秦皇岛市海港区，风机和水泵是我厂最主要的耗电设备，加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。发电厂辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。 　　秦皇岛发电有限责任公司是第一个在全国电力行业采用高频斩波串级调速系统的企业，继2003年在一期#1灰渣泵（560KW /8P-6KV）产品成功运行之后，2005年又在二期#5灰渣泵（800KW /6P-6KV）上成功投运。经过长时间的实践运行，产品可靠性及性能得到检验，收到了显著的节能效果和经济效益。 一、 SEC系列高频斩波串级调速系统的原理及技术特点 1）SEC系列高频斩波串级调速系统的原理 　　SEC系列高频斩波串级调速系统是保定华仿电控有限公司在传统串级调速理论基础上，应用现代电机技术、电力电子技术和计算机控制技术的先进成果研制出的高效节能型机电一体化的新一代高科技产品。 SEC系列高频斩波串级调速系统原理图 　　SEC系列高频斩波串级调速系统是通过在转子回路串入等效电势，改变其大小来改变电机转速，并将转子转差功率回馈给电机电源的节能调速方法。内反馈绕组及固定逆变角的逆变器构成固定的电势源吸收转差功率，IGBT斩波器由PWM信号控制，形成可变的转子回路等效电势。 2）SEC系列高频斩波串级调速控制装置构成 SEC系列高频斩波串级调速控制装置原理框图 SEC系列高频斩波串级调速控制装置主回路图 　　启动单元 启动单元由频敏变阻器(PF)、接触器1KM、接触器2KM构成。大型电动机，特别是绕线式电动机，在电机启动时会对电网造成较大的冲击，产生一个较大的起动电流。为减少起动电流，使电机平稳起动，在高频斩波串级调速装置中，加设了自动切换的起动装置。在电机起动时，1KM闭合，2KM打开，电机转子串入三相频敏变阻器PF。频敏变阻器的电阻与流过的电流的频率成正比关系，当电机起动时，电机转速为零，转子电流频率最高，为工频频率，此时频敏变阻器阻值也较高，从而限制了起动电流。随着电机转速的增加，转子电流频率逐渐减少，频敏变阻器阻值也逐渐减小。当电机定子电流低于设定的允许值时，装置自动将2KM闭合，切除频敏变阻器，电机进入全速工作状态，完成起动过程。 　　整流单元 整流单元为三相全波整流，将转子电流转换为直流电流。保护用SCR也安装在整流单元中。 　　斩波单元 电路工作时，逆变器的逆变角恒处于最小βmin处不变，转子回路附加电势调节由斩波开关来完成。斩波开关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，通过调节斩波开关导通时间与斩波周期的比率（即占空比或PWM调制脉宽），来改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流，来达到调节电机转速的目的。由于采用了可自关断的大功率器件IGBT作为斩波器件，使得斩波频率进一步提高，直流电流更为平稳，系统体积更小、更为紧凑。目前装置的斩波频率为2.7kHZ。 　　逆变单元 逆变部分为三相全桥有源逆变器，装置工作于调速状态时，将经斩波控制后的转差功率逆变至内反馈绕组或逆变变压器。逆变触发角为最小的固定值，克服了移相触发的对触发脉冲和换相要求严格、脉冲移动范围大、抗干扰能力差、易颠覆、功率因数低等缺点。同步信号取自内反馈绕组或逆变变压器的电压信号，具有抗干扰、多重数字锁相、自动配相等功能。 　　控制单元 控制部分由控制箱、电源及自检箱构成。其核心由单片机和快速可编程逻辑器件组成。主要功能包括： ●对IGBT、保护用SCR及有源逆变器的脉冲控制及PWM调制。 ●实现装置所有的自动控制和闭锁逻辑。 ●所有保护的测量、整定、逻辑、报警及出口。 ●系统运行有关的操作、显示、报警等信息的处理及指示。 ●实现装置与外部系统的通讯管理。 ●装置整定和调试等辅助功能。 ●控制箱可就地操作，为一触式键盘操作，包括运行、停止、全速、调速、自检、自动/手动、开环/闭环、远方/就地等与运行有关的操作。同时通过菜单方式，可对装置基本参数及运行模式进行设置。 ●为满足控制室集中控制的需要，可在远方进行与装置运行有关的操作。 ●装置可实现与DCS系统、上级计算机网络、PC机等进行通讯。 3）SEC高频斩波串级调速系统的主要特点 ①具有良好的调速机械特性和节能特性。调速范围宽，无级，平滑。 ②由于串级调速只控制电机的转差功率，和变频调速相比，控制容量小（对于风机泵类负载，总控制容量为电机额定容量的14.815%）。系统较为容易满足可靠性要求，特别是对大型电动机来说，造价和可靠性就更具有优势。 ③串级调速装置自身功耗小，效率高。变频调速功耗一般约占电机额定功率的5%左右，而SEC系列串级调速装置由于控制容量小，其功耗在电机容量的1%以下。 ④由于串级调速是在电机转子侧施加控制，和变频调速相比，其控制电压低、其电力电子器件承压低。 ⑤由于串级调速使用绕线式电机，能够方便有效的控制电机起动电流。 ⑥现代电力电子技术和计算机控制技术与传统串级调速理论相结合，使串级调速技术得以更进一步的发展。如采用直流回路斩波控制技术，与传统移相控制相比，其谐波和功率因数等指标具有明显的优势。特别是新型功率器件（如IGBT等）应用于斩波控制，使得系统性能指标进一步提高，系统也更为简单可靠。 ⑦采用高频斩波串级调速系统时，由于反馈绕组加装到电机内部，省去了逆变变压器及相关的电气设备，使得系统更为简单。 ⑧多种操作控制模式(开环/闭环、就地/远方、实验/工作、全速/调速、 SEC/DCS控制)可互相转换。 ⑨串级调速装置具有多种保护功能，如转子过流、电流失恒；反馈过流、电流失恒、电压失恒；直流过流、过压、低电压（逆变颠覆）、失波、IGBT过流、快熔保护、频敏保护、温度保护等。 ⑩串级调速装置具有系统自检功能，实现了系统主要器件和单元的自检试验。 　　另外系统还具有自诊断功能，可对接触器、高压开关、高压电源、快熔、频敏等设备监测；泵/风机等负载状态监测；工作电源、直流过流、过压、低电压、失波、IGBT过流、温度保护自动诊断，保证系统的可靠运行。 4）SEC高频斩波串级调速系统的主要性能指标 ☆电机额定电压：3KV、6KV、10KV ☆电机额定功率：200-5600KW ☆调速范围：用要求最低转速-99%平滑无级至全速自动切换 ☆电机极数：4-24极 ☆额定频率：50HZ±2% ☆平均调速效率： η〉98.9% ☆额定功率因数： 〉0.85 ☆额定直流电流：315-3000A ☆额定直流电压：125-2500V ☆起动电流：2.5-3倍的额定电流 ☆谐波含量：≤3% ☆过载能力：1.8倍的额定负载 ☆调速精度：≥99.8% 5）SEC高频斩波串级调速系统的可靠性保证措施 ☆调速原理本身的可靠性保证。 由于串级调速是在电机转子回路施加控制和调节，避免了定子侧调速方法（如变频调速）高电压，大功率引起的系统设计、器件选择带来的困难，使得系统更为可靠 ☆采取了诸多技术措施来保证调速系统的安全可靠： ·主斩波回路采用大型全控功率器件IGBT，系统更为简单，可靠。 ·全部电力电子功率器件散热均采用热管散热及强制风冷相结合的散热技术，散热效果更好，系统更可靠。 ·完善的保护设计，包括保护用SCR的设计，使系统能够快速全面的检测和处理异常和故障。 ·控制核心采用单片机与快速可编程逻辑器件相结合技术，既保证了友好的人机界面和灵活的可扩充性，又保证了系统快速反应性和可靠性。 ·产品设计保证充足的裕度，从而保证系统安全可靠运行 ·采用多重数字锁相环数字触发系统确保触发脉冲的安全可靠。 ·多重隔离和抗干扰设计，装置具有很强的抗干扰能力。 ·交直流双电源供电的工作电源设计。 ☆采用优质的元器件保证<