能源是人類(lèi)生存，社會(huì)發(fā)展的必要物資基礎(chǔ)，是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。長(zhǎng)期以來(lái)，能源問(wèn)題被認(rèn)為是帶有戰(zhàn)略性的問(wèn)題，受到普遍和高度重視。
隨著熱電工業(yè)的迅速發(fā)展和熱力電力系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的實(shí)施，能源消耗增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人口增長(zhǎng)速度，是現(xiàn)代工業(yè)和科技高度發(fā)展的結(jié)果，而且煤、油、天然氣主要能源都是“非再生能源”節(jié)約能源勢(shì)在必行。節(jié)能方法的研究和應(yīng)用被國(guó)家政府和學(xué)者引起高度重視，曾培炎副總理就“斬波”技術(shù)作了重要批示：“內(nèi)饋調(diào)速”較“變頻調(diào)速”既節(jié)能又價(jià)廉，將會(huì)在很多領(lǐng)域得以應(yīng)用，應(yīng)組織行業(yè)鑒定，及時(shí)申請(qǐng)專(zhuān)利”。
就目前熱力公司、熱電企業(yè)內(nèi)部挖潛，節(jié)能降耗，提高企業(yè)效益日顯重要。新建項(xiàng)目首先想到就是節(jié)能，斬波內(nèi)饋交流調(diào)速是我國(guó)首創(chuàng)，具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技技術(shù)，產(chǎn)品經(jīng)理論和實(shí)踐證明，它是優(yōu)于高壓變頻調(diào)速的，其調(diào)速效率，功率因數(shù)，諧波電流等優(yōu)于變頻，更主要的是經(jīng)濟(jì)成本僅為變頻的1/3左右，通過(guò)在大連東山熱電的應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果，從而給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
大連東山熱電有限公司供熱工程，于2002年開(kāi)始施工，在項(xiàng)目選型上，當(dāng)時(shí)考慮為變頻調(diào)速，經(jīng)考察變頻器在高壓10KV上不能應(yīng)用，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研，公司最終選用了保定北方調(diào)速有限公司生產(chǎn)的“斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)”。斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)在我廠的輔機(jī)應(yīng)用如下：
1、斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成
1.1 調(diào)速控制裝置構(gòu)成；
（1） 調(diào)速控制裝置型號(hào)為ZNT-2000型；
（2） 起動(dòng)整流柜、斬波逆變柜。
（3） 具有就地控制：?jiǎn)?dòng)、停止、調(diào)速、全速切換功能；具有遠(yuǎn)方控制；
（4） DCS自動(dòng)控制接口，轉(zhuǎn)速指令信號(hào)4-20mA，轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)4-20mA，自動(dòng)/手動(dòng)，調(diào)速控制ID信號(hào)。
1.2 斬波內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)
內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)的安裝尺寸與普通電機(jī)兼容，并與斬波控制裝置成為并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)調(diào)速控制裝置意外故障時(shí)，自動(dòng)保護(hù)裝置可以自動(dòng)將電機(jī)切換成恒速運(yùn)行，不至于造成電機(jī)停運(yùn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2、斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)基本原理
斬波內(nèi)饋調(diào)速是一種以低壓（通常約為200-500V）控高壓（6KV-10KV）的高效率調(diào)速技術(shù)，突出特征在于“內(nèi)饋”與“斬波”兩項(xiàng)高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。
2.1 內(nèi)饋調(diào)速及其功率控制原理
根據(jù)電機(jī)學(xué)的理論，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與機(jī)械功率及電磁轉(zhuǎn)矩成如下關(guān)系
Ω= PM / T （1）
式中： Ω 為機(jī)械轉(zhuǎn)速
PM 為機(jī)械功率
T 為電磁轉(zhuǎn)矩
又，根據(jù)能量守恒，有
PM = Pem- p2 （2）
因此 Ω = ( Pem- p2 )/T （3）
其中：Pem 為電磁功率， p2 為轉(zhuǎn)子損耗。
公式（2）表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)電磁功率或損耗功率兩種控制獲得調(diào)節(jié)。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，調(diào)速是高效率的；損耗功率控制增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速是低效率的。所有調(diào)速方法都?xì)w屬于功率控制原理之中。這一原理便是內(nèi)饋調(diào)速發(fā)明人屈維謙率先提出的“電機(jī)調(diào)速的功率控制理論”（即P理論）。
由于電磁轉(zhuǎn)矩在調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀的工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就隨之被決定了，因此，電磁轉(zhuǎn)矩不僅與調(diào)速控制無(wú)關(guān)，而且不能隨意改變。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速的作用只表現(xiàn)在調(diào)速的過(guò)渡過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩的變化是功率控制和轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后的結(jié)果，在一定的功率控制作用下，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速響應(yīng)自動(dòng)減小，直至新的負(fù)載平衡時(shí)為零。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速只能通過(guò)功率控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
內(nèi)饋調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的高效率電磁功率控制調(diào)速，通過(guò)將轉(zhuǎn)子的部分功率（即電轉(zhuǎn)差功率）移出來(lái)，使轉(zhuǎn)子的凈電磁功率發(fā)生改變，于是根據(jù)P理論，電機(jī)轉(zhuǎn)速就相應(yīng)得到控制。為了獲得高性能的調(diào)速，加強(qiáng)電機(jī)調(diào)速的內(nèi)因，內(nèi)饋調(diào)速在電機(jī)定子上另外設(shè)置了內(nèi)饋繞組，用來(lái)接受電轉(zhuǎn)差功率，有源逆變器使內(nèi)饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)電磁感應(yīng)將功率反饋給電機(jī)定子。使定子的有功功率基本與機(jī)械輸出功率相平衡，內(nèi)饋調(diào)速因此而得名。與變頻調(diào)速相比，斬波內(nèi)饋調(diào)速只是控制對(duì)象不同，兩者遵循的是同一原理，因此并不存在本質(zhì)的區(qū)別。
圖1斬波內(nèi)饋功率圓圖及系統(tǒng)圖
2.2 斬波的作用與意義
斬波器的作用相當(dāng)于按一定的頻率、周期性地接通和關(guān)斷的高速開(kāi)關(guān)�？刂茢夭ǖ恼伎毡�，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電流的控制，也就是控制了反饋到內(nèi)部?jī)?nèi)饋繞組的電流和功率，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)饋調(diào)速。其意義在于：
(1) 使有源逆變器的功率因數(shù)可以高達(dá)0.9，且恒定不變。
(2) 逆變電流的諧波有效值可以降低到移相控制的15%左右。 使內(nèi)饋電機(jī)的定子電流畸變小于5%。
(3) 有源逆變器的額定容量?jī)H為電機(jī)容量的14.8%， 加上觸發(fā)簡(jiǎn)單，使可靠性大為提高。
(4) 附加電源容量亦為電機(jī)容量的14.8%，對(duì)于內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)，可大大減小內(nèi)饋繞組所占的鐵心空間，簡(jiǎn)化工藝，降低成本。
3、斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的控制及運(yùn)行方式
由于系統(tǒng)調(diào)速范圍及運(yùn)行特性的需要，設(shè)置了頻敏變阻器啟動(dòng)和調(diào)速停止方式。
（1）啟動(dòng)時(shí)，直接控制高壓開(kāi)關(guān)柜，電機(jī)經(jīng)頻敏啟動(dòng)，可以減小啟動(dòng)電流并增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
（2）調(diào)速運(yùn)行時(shí)，直流回路存在較大的電磁能量，如果直接停電，將產(chǎn)生過(guò)電壓使可控硅損壞。所以調(diào)速停車(chē)時(shí)，設(shè)置的邏輯控制會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到全速后再停車(chē)。事故停電有斷電和過(guò)壓保護(hù)，防止了設(shè)備的損壞。
（3）該調(diào)速設(shè)備可以在不停機(jī)的情況下自檢。即設(shè)備可在全速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以用低電壓小電流模擬調(diào)速運(yùn)行，這樣可在不影響運(yùn)行的情況下檢測(cè)斬波器和逆變器是否正常，給檢修帶來(lái)極大的方便。
（4）在集控室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。該方式與本機(jī)操作相同，且更加方便；
（5）DCS控制方式。遠(yuǎn)方操作指令在給定4—20mA控制信號(hào)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平滑調(diào)速，并在出現(xiàn)斷線(xiàn)故障時(shí)能夠保持原來(lái)給定轉(zhuǎn)速，同時(shí)發(fā)出斷線(xiàn)報(bào)警信號(hào)。
4、系統(tǒng)可靠性
產(chǎn)品的可靠性一般指產(chǎn)品連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間和抑制故障自動(dòng)保護(hù)能力。主要決定于原理和設(shè)計(jì)的可靠性；產(chǎn)品器件的可靠性；產(chǎn)品工藝的可靠性。
4.1 設(shè)計(jì)原理可靠性
這是非常重要的，特別是調(diào)速控制主電路，避免了電力電子器件的串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)低壓控制高壓；控制主電路力求簡(jiǎn)單，可控電力電子器件盡量少，最大程度地保證產(chǎn)品可靠性。
采用斬波技術(shù)使有源逆變器的控制脈沖不再移動(dòng)，而鎖定在最小逆變角，因此，可以采取諸如鎖相環(huán)等抗干擾電路，使有源逆變器的觸發(fā)脈沖非常可靠，基本解決了有源逆變器可靠性的一大技術(shù)難題。
4.2 故障兼容能力
任何控制設(shè)備都不可能有百分之百的完全可靠，提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵在于提高系統(tǒng)的故障兼容能力。
斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置與調(diào)速電機(jī)恒速運(yùn)行裝置成為并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)調(diào)速控制裝置意外故障時(shí)，自動(dòng)保護(hù)裝置可以自動(dòng)將電動(dòng)機(jī)切換成恒速運(yùn)行，不至于造成電動(dòng)機(jī)停運(yùn)，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)只是不能調(diào)速而已，可將故障影響縮小到最小限度。
精心設(shè)計(jì)的DCS接口，全數(shù)字電路，具有256位的數(shù)模轉(zhuǎn)換，突加給定緩沖，輸入短線(xiàn)不影響調(diào)速運(yùn)行等功能。系統(tǒng)由調(diào)速轉(zhuǎn)全速，不是回到起動(dòng)狀態(tài)然后再轉(zhuǎn)入全速，而是自動(dòng)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上平滑加速，待到轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入全速運(yùn)行。避免了轉(zhuǎn)換沖擊。
4.3 電子器件
YQT型斬波內(nèi)饋調(diào)速產(chǎn)品的主要電力電子器件晶閘管選用了進(jìn)口產(chǎn)品；主要電器產(chǎn)品采用真空接觸器和進(jìn)口繼電器；電子器件采用PLC可編程邏輯控制器進(jìn)行程序控制，最大限度減小繼電器數(shù)量，產(chǎn)品可靠性得到提高。全部集成電路均采用進(jìn)口器件。
4.4 工藝方面
完善的電力電子器件的檢測(cè)設(shè)備；完善的生產(chǎn)工藝和專(zhuān)用設(shè)施；精確合理的結(jié)構(gòu)布局等等，都使得斬波內(nèi)饋調(diào)速產(chǎn)品的可靠性對(duì)比高壓變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速都有較大的優(yōu)勢(shì)。
5、具體應(yīng)用情況如下：
5.1 循環(huán)水泵電機(jī)
電機(jī)技術(shù)參數(shù)：銘牌：YQT2-450-4；電壓：10KV；額定電流：26.3A；功率：355KW；額定轉(zhuǎn)速：1480轉(zhuǎn)/分。
5.2 斬波內(nèi)饋控制系統(tǒng)
ZNT-2000型控制系統(tǒng)
5.3 運(yùn)行工況表
|
工況 |
循環(huán)泵電壓(KV) |
循環(huán)泵
電流
(A) |
循環(huán)泵功率（KW） |
循環(huán)泵轉(zhuǎn)速 (轉(zhuǎn)/分) |
循環(huán)泵功率因數(shù) |
循環(huán)泵消耗功率
(KW) |
循環(huán)泵流量
(t/h) |
|
實(shí)際名牌 |
10 |
26.3 |
355 |
1480 |
0.84 |
|
1000t/h |
|
調(diào)速狀態(tài) |
10 |
15.45 |
|
1014 |
0.57 |
有功：157KW |
640t/h |
|
無(wú)功：218KW |
|
工頻 |
10 |
18 |
|
1480 |
0.82 |
有功：256KW |
640t/h |
|
無(wú)功：180KW |
試驗(yàn)結(jié)果分析：
循環(huán)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1014轉(zhuǎn)/分，消耗功率為157KW；
循環(huán)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1480轉(zhuǎn)/分，消耗功率為256KW。
循環(huán)水泵調(diào)速運(yùn)行時(shí)，一小時(shí)少耗電為99KW，即機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低31%，但耗電量降低了40%。若電機(jī)按每天運(yùn)行24小時(shí)，140天運(yùn)行為3360個(gè)小時(shí)計(jì)算，可節(jié)約用電33.27萬(wàn)千瓦時(shí)，按每度電0.68元計(jì)算，140天可節(jié)資金22.62萬(wàn)元，該設(shè)備投資共計(jì)49.2萬(wàn)元，兩個(gè)采暖期即可收回投資成本。節(jié)電效果非常明顯。
斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)在大連東山熱電順利投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，運(yùn)行一直非常穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果非常明顯，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)與高壓變頻調(diào)速相比，不僅價(jià)格低廉，而且調(diào)速效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資回收期短，確實(shí)不失為一種較好的調(diào)速方法，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)將是高壓變頻調(diào)速的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。確實(shí)為推動(dòng)我國(guó)的節(jié)能事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。
