励磁调速装置技术在企业中的节能运用

摘要
串级调速是交流异步电动机调速的一种类型,串级调速的思想就是将异步电动机的转子电压经过三相桥式整流变为直流电压，再在其直流侧由可控硅逆变电路产生与其相反的直流电势与三相桥式产生的直流电压串联，改变逆变角的大小来改变直流电势的大小，达到调速的目的，同时还能提高电动机的运行效率和调速的经济性。
本文依据排风机对电力拖动系统的要求，采用可控硅串级调速来控制其拖动电动机实现无级调速，满足排风机对电力拖动系统调速性能和节能的要求。本文主要研究三相交流绕线式异步电动机可控硅串级调速系统有关的技术问题。包括系统的组成与工作原理，主回路的设计，控制回路设计，系统的静、动态工作特性计算分析等。

关键词：可控硅, 串级调速, 整流, 逆变
随着经济的腾飞，国内企业用电量需求剧增，为了更好的节约电力能源，在企业生产中对电机部分进行了改造，可以达到经济运行，节约电能。
串级调速源于英语“cascade control”，意为“级联控制”，系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。
　十几年前，串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时，随着近代变频调速的兴起，串级调速日渐萧条，被误认为是落后的调速技术。尤其在高压大容量风机泵类节能方面，串级调速的某些优势表现的更为明显。实践是检验真理的唯一标准，在近代工业迫切呼唤交流调速发展的今天，尤其是风机水泵调速节能迫在眉睫，我们应该反思，如此轻率地放弃串级调速是否明智？
如何评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是：⑴ 效率高；⑵ 调速平滑即无级调速；⑶ 调速范围宽；⑷调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；⑸成本低廉。如果把高压型变频调速和串级调速应用作以对比，就会发现变频调速并非如我们期望的那样理想，而串级调速也不象我们评价的那样逊色。
一、异步电机调速节能
1、工业生产拖动系统中，使用异步电动机占80%以上，其中风机泵类负载约60%～ 70%，传统上是靠调节挡风板和阀门来调节流量，如果使用调速手段来调节流量，可以节约大量电能。
Q≡ n1 流量与转速一次方成正比
H≡ n2 压头与转速二次方成正比
P ≡ n3 轴功率与转速三次方成正比
2、异步电机调速方法很多，但从原理上看有3个因素影响转速，这3个因数是：频率（ f ）、转差率（S）和电机极对数（P）。有如下关系：

其中：
n为异步电机转速（转/分）
f为电源频率（Hz）
S为转差率
P为电机极对数
异步电机调速方法

二、励磁串级调速原理
1、研制推广这个系统的指导思想
●要解决的是高压、大功率（300kW ～4500kW)绕线型异步电动机带风机、泵类负载的调速运行
●高效率
●节约的电能对电网不产生污染，无高次谐波
●容易安装、调试、运行、维护、检修
2、励磁调速装置原理图

调速的基本原理是:在调速主电机转子回路中引入附加电势,转子绕组产生的感生电动势必须克服这一电势,绕组中才能流通电流,转子绕组有了电流才能产生电动力,被控主电机才有带负载能力。在励磁调速装置的应用中，附加电势由直流电机电枢电压提供，由于直流电机的转速被限制在很小的范围内，可以认为直流电机的转速基本不变。所以，电机电枢电压的大小决定于直流机励磁电流的大小，只要控制直流机励磁电流，就可以控制主电机的转速。
三、励磁串调与其他调速方法的比较
1、与变频调速方法比较

变频装置必须面对一下问题：
由于变频器必须安装在电源和电动机之间，电机需要的全部功率都通过变频器，这使得变频装置的容量必须大于电机容量。
当电机容量大于300kW时，变频装置就要承受6kV或10kV电网电压，由于现代电力电子制作水平限制，这必须很好解决元器件的串并联技术问题，变频装置对环境要求高（一般安装在有空调，无尘洁净的环境）
对于高压大功率变频装置，需要接入高压电网，安装、调试工期长，维护、检修不是很方便。
数控励磁调速装置：
如果用它拖动风机负载，对调速范围要求不广，调速精度要求不高，动态响应要求不快，装置的容量为电机的转差功率（Ps)，它只是电机功率的一部份。异步电机拖动恒转矩负载时功率平衡方程式为：
Pm=（1-S）Pm +S Pm
Pm：电磁功率；
（1-S）Pm：机械功率(PΩ)；
S Pm ：转差功率(PS)
异步电机拖动风机类负载时，其功率平衡方程式：
Pm (1-S)2 = (1-S)3 Pm +S (1-S)2 Pm
Pm (1-S)2:电磁功率；
(1-S)3 Pm ：机械功率(PΩ )；
S (1-S)2 Pm ：转差功率(PS
当S=0时 Ps=0；当S=1时Ps=0
转差功率与转差率的关系曲线像鲸鱼状

取dPs/dS=0，S=1/3，转差功率最大值出现在S=1/3，也就是n=(2/3) n0时。将S=1/3代入Ps=S (1-S)2 Pm ，Ps=0.148Pm≈0.15PN
这说明串级调速控制的转差功率不超过15%电机额定功率，而不是像变频调速控制电动机的全部功率。
关于调速装置效率问题，变频调速装置是静止电力电子器件，似乎比数控励磁串调高，其实不然，因为变频装置的效率高（例如95%）然而它消耗的5%是大功率的5%，而数控励磁串调是控制的转差功率，假设变频与励磁串调功耗相等，下式成立：
(1-ηf）Pe=0.15Pe (1-η机串)
设ηf=0.95，计算出η机串=0.666
说明只要励磁串调效率大于0.666，节能就比变频调速多，实际上励磁串调效率在0.8以上。

2、与晶闸管串级调速相比

晶闸管串级调速有3个要害问题：
1）逆变失败
2）高次谐波对电网的污染
3）功率因数低
晶闸管三相全控桥，当运行在逆变状态时，其共阳极极性为正，共阴极极性为负，所以在一个支臂上的上下两元件，一个导通，一个必须关断。经逆变输出波形一个周期为6阶梯波，与正弦波相差甚远，含有很强的5、7次谐波。回收的电能是对电网产生污染的。
当主机转速较高时，此时转差功率较小，回收的有功不多，而此时电流较大，起到调节直流电压的作用，保证逆变角小从而减小无功功率，这可以把功率因数提高0.2。
最近又有内反馈式晶闸管串级调速，把转差功率不是反馈到电网，而是反馈到主电机定子槽内，多嵌一套反馈绕组，好处是省一个逆变变压器。已经运行的绕线型异步电动机要更换为内反馈式电动机，而上述晶闸管串级调速3个要害问题依然存在。
励磁串级调速：
因为靠异步电机发电把转差功率转化后送到电网，因此没有逆变失败问题，其电压、电流波形都是正弦波，回收的电能是干干净净的，能全部被其他用电设备利用，异步电机发出的电能其电压波形和电流波形是正弦形的。表计量测不出来谐波。
异步电机的电压与电网电压配合相当好，完全不需要逆变变压器，直流电机的电枢电压通过励磁电流调节，相当平滑，从0可调到额定电压。

结束语
签于励磁串调优点，现在已应用在本企业水泥厂的生产线，窑头风机、窑尾风机、煤磨风机、高温风机、原料磨循环风机上，并且反映良好。因此为了提高电动机的运行效率和调速的经济性，达到经济运行、节约电能的目的，励磁串调将被会广泛的应用到企业中去。

参考文献:肖兰马爱芳 <电机与拖动> 中国水利水电出版社 2004年8月第一版第64页
谢明琛张广溢 <电机学> 重庆大学出版社 2004年5月第二版第213/246页

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