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VIP

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)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，同時也是能源的消耗大戶，能耗費用在企業(yè)生產(chǎn)成本中占的比重很大。如何以技術(shù)進步和技術(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)對這個課題的新技術(shù)革命，煤礦主要電耗設(shè)備風(fēng)機、泵類的調(diào)速經(jīng)濟運行如果實現(xiàn)

2、以調(diào)速傳動代替原有的恒速傳動，通過改變轉(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載的電機調(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)條件的不同進行比較選擇。變頻調(diào)速節(jié)能原理： 電動機

3、的變頻調(diào)速運行除了能夠滿足生產(chǎn)工藝要求進行調(diào)速之外，還有很好的節(jié)能效果。這部分節(jié)能并不是因為電動機在調(diào)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(diào)速運行時所需的功率根據(jù)運行的轉(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)機負載，為了滿足風(fēng)量的要求，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時，風(fēng)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(fēng)機輸出的功率，所以雖然風(fēng)機輸出的實用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是風(fēng)機的輸入功率變化不大，導(dǎo)致整個系統(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，

4、可以使風(fēng)機能始終運行在高效率點附近，同時變頻調(diào)節(jié)自身效率比較高，所以能使整個系統(tǒng)的效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(fēng)機和泵類負載，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，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

5、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(qū)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，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，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到改善。    5.變頻調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)控制性能遠遠好于節(jié)流調(diào)節(jié)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。    6.變頻

6、調(diào)節(jié)使電動機的轉(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)速實質(zhì)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(diào)速方案。    煤礦高壓變頻器改造的可行性分析：以主扇風(fēng)機為例，主扇風(fēng)機在煤礦生產(chǎn)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(fēng)量基本不變，但井下所需的風(fēng)壓要求卻不斷增加，風(fēng)機需用功率也隨之增加。根據(jù)反風(fēng)及開采后期運行狀況來確定的主扇風(fēng)機及拖動電

7、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(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)機設(shè)計上余量特別大，說明在相當(dāng)長的時間主扇風(fēng)機一直處在較輕負載下運行。由于煤礦主扇風(fēng)機一般采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。2、啟動困難，機械損傷嚴重主扇風(fēng)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(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，嚴重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。3、自動化程度低主扇風(fēng)機依靠人工調(diào)節(jié)檔板，

8、更不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。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，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風(fēng)機進行變頻調(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，交流電動機的調(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)速裝置的特點是：調(diào)速時基本保持額定轉(zhuǎn)差，不增加轉(zhuǎn)差損耗，或可以將轉(zhuǎn)差動率回饋至電網(wǎng)。低效調(diào)速裝置的特點是：調(diào)速時改變轉(zhuǎn)差，增加轉(zhuǎn)差損耗，下面通過機械特性、調(diào)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，高壓變頻調(diào)速以節(jié)能效果明顯，調(diào)速范圍寬，維護保養(yǎng)簡單

9、，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，但是從長遠角度考慮，投資回報率非常高。  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。     電機調(diào)速時，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)化的機械功率減小，因此電機轉(zhuǎn)速

10、下降。這樣，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速就低；反之則機反；當(dāng)反饋繞組功率為零時，機械功率幾乎和轉(zhuǎn)子功率相等，電機轉(zhuǎn)速最高。“斬波內(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)速電機有機結(jié)合，克服了傳統(tǒng)串級調(diào)速存在的缺點。斬波是電力電子控制中的一項變流技術(shù)，其實質(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

11、是通過改變電流平均值實現(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。流經(jīng)斬波器的電流，既是產(chǎn)生機械功率的電流，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。    根據(jù)電機調(diào)速的理論，內(nèi)饋調(diào)速的實質(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)化為機械功率，因此移出的功率越多，轉(zhuǎn)化的機械功率越少，電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速便得以調(diào)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(diào)速的關(guān)

12、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)的重點方向。斬波控制的目的是克服移相控制存在的缺點。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(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)指標對比：  1、價格低：目前市場價格變頻調(diào)

13、速價格高。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)備運行可靠；而高壓變頻調(diào)速不可避免的遭遇電力電子器件耐壓問題，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(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(nèi)饋調(diào)速在轉(zhuǎn)子側(cè)實施調(diào)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(jié)構(gòu)簡單

14、，體積?。欢邏鹤冾l調(diào)速是在電機定子側(cè)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(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、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40-50%。  7、電機的改造：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由于其變流技術(shù)的復(fù)雜性，會嚴重損壞普通電機的使用壽命，一般也需配套專用電機。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

15、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，而斬波內(nèi)饋則僅適用于繞線型異步機。    但轉(zhuǎn)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(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提高一倍以上。    此外，轉(zhuǎn)子控制由于電磁隔離作用