摘 要： 本文介紹了斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)及其在山西天石電力有限公司的節(jié)能運(yùn)行情況。 關(guān)鍵詞：P理論 斬波內(nèi)饋調(diào)速 高頻逆導(dǎo) 山西天石電力有限公司位于山西省靈石縣,于1998年12月經(jīng)國(guó)家工商總局和山西省人民政府批準(zhǔn)成立的中日合資企業(yè)，是由山西國(guó)際電力集團(tuán)有限公司、日本國(guó)電源開發(fā)株式會(huì)社、靈石縣電力開發(fā)有限責(zé)任公司、雙日（中國(guó)）有限公司按49：24：15：12的投資比例組建而成，是山西省第一座循環(huán)流化床環(huán)保資源綜合利用煤矸石發(fā)電示范工程。 公司現(xiàn)有裝機(jī)容量2×25MW（一期工程），1#機(jī)組于2000年12月31日投產(chǎn)，2#機(jī)組于2001年5月18日投產(chǎn)。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組經(jīng)過升壓變壓器后通過110KV輸電線路分別與靈石變電站和綿山變電站并網(wǎng)。公司十分注重環(huán)境保護(hù)，發(fā)電用燃料為當(dāng)?shù)叵疵簭S的廢棄物煤矸石，平均低位發(fā)熱量2500 kcal/kg左右,采用爐內(nèi)加石灰石粉脫硫技術(shù)，安裝了高壓靜電除塵＋布袋復(fù)合式除塵器,煙塵排放僅27.07 mg/Nm3,收集的粉煤灰制成粉煤灰加氣砌塊磚, 2006年投資585萬(wàn)元將現(xiàn)有兩臺(tái)凝汽式機(jī)組改造為抽汽式機(jī)組，建設(shè)供熱首站，對(duì)靈石縣靜升區(qū)的實(shí)施集中供熱，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)。 實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)之前，廠內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵一直靠調(diào)節(jié)風(fēng)門、閥門來適應(yīng)工況變化，如果能采用高效率、低投入的交流調(diào)速取代風(fēng)門、閥門的調(diào)節(jié)方法，可以使廠用電成本大幅降低。恰巧廠內(nèi)實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)改造，由于供熱負(fù)荷變化大，為此決定在此項(xiàng)目上先期實(shí)施，經(jīng)過多方考察論證，對(duì)各種調(diào)速設(shè)備進(jìn)行理論計(jì)算、節(jié)能效果、性價(jià)比等的比較分析后，于2006年對(duì)1#供熱循環(huán)水泵355KW/6KV交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)施了斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)改造，經(jīng)調(diào)試于當(dāng)年11月正式投入使用，至今運(yùn)行狀況良好，取得了明顯的節(jié)能效果。 一、斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)原理與特性 斬波內(nèi)饋調(diào)速是融“斬波控制”和“內(nèi)饋電機(jī)”兩項(xiàng)專利技術(shù)于一體、以低壓（通常約為200～500V）控高壓（6KV～10KV）的新型、高效率高壓電機(jī)調(diào)速技術(shù)。該技術(shù)可在6KV、10KV中、大容量的風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中應(yīng)用。 1.1 斬波內(nèi)饋調(diào)速及其功率控制原理（P理論） 1.1.1功率控制原理（P理論） 根據(jù)圖1異步電動(dòng)機(jī)功率圓模型，電機(jī)的轉(zhuǎn)速按力學(xué)定律表達(dá)為： 式中： Ω 為機(jī)械轉(zhuǎn)速， PM 為電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率， Tfz 為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 顯然，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由機(jī)械負(fù)載性質(zhì)所決定的客觀存在，不能成為調(diào)速控制量，因此惟有控制機(jī)械功率才能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 根據(jù)電機(jī)學(xué)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出功率： 式中：Pem 為電磁功率， △p2 為轉(zhuǎn)子損耗功率 公式（3）表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可通過電磁功率或損耗功率控制而獲得。 由此而提出了電機(jī)的功率控制原理（P理論）——電機(jī)交流調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于控制其機(jī)械功率。改變機(jī)械功率的主要機(jī)理有兩種：電磁功率控制和損耗功率控制。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，是高效節(jié)能型調(diào)速；損耗功率控制方式是增大的轉(zhuǎn)速降，是低效耗能型調(diào)速。 1.1.2內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)原理 內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)是一種基于轉(zhuǎn)子的高效率電磁功率控制調(diào)速技術(shù)，與變頻調(diào)速的調(diào)速性能基本一致，同屬于電磁功率控制，只是控制對(duì)象不同。其原理是定子傳輸給轉(zhuǎn)子的電磁功率中的一部分移出去，定子傳輸?shù)碾姶殴β什蛔儯瞥龅碾姽β士梢匀我饪刂疲ㄟ^附加電勢(shì)直接改變轉(zhuǎn)子的電磁功率，電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以得到控制。 內(nèi)饋調(diào)速巧妙的在異步機(jī)的定子上加設(shè)一個(gè)內(nèi)饋繞組，專門用來接收轉(zhuǎn)子移出的功率，內(nèi)饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，它把接收的電功率又通過電磁感應(yīng)，反方向傳輸給定子繞組，使定子的輸入功率減小，與機(jī)械輸出功率平衡，實(shí)現(xiàn)了高效率的無級(jí)調(diào)速，回避了定子高壓，實(shí)現(xiàn)了高壓電機(jī)低壓控制，技術(shù)簡(jiǎn)單，具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、可靠的特性。 內(nèi)饋調(diào)速的功率控制原理如圖2所示。 1.1.3 斬波技術(shù)——高頻逆導(dǎo) 斬波是變流裝置中主電路直流電壓、電流的數(shù)字控制方法, 即按一定的頻率、周期性地接通和關(guān)斷斬波器（通常采用大功率半導(dǎo)體器件晶閘管或晶體管），即通過控制斬波器開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間（即占空比），實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率的控制。 斬波技術(shù)在內(nèi)饋調(diào)速中的應(yīng)用，使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)特性得到很大改善，斬波是斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的核心技術(shù)，斬波技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性成為衡量該系統(tǒng)的重要指標(biāo)。目前普遍采用的有晶閘管斬波技術(shù)和晶體管斬波技術(shù)（典型代表為IGBT，絕緣柵雙極型晶體）。由于晶閘管與晶體管在技術(shù)性能、工藝上都存在顯著不同，使得二者在不同領(lǐng)域的應(yīng)用上各具優(yōu)勢(shì)。在大功率斬波應(yīng)用中，晶閘管存在明顯優(yōu)勢(shì)。大容量晶閘管可制成單一芯片，過流承載能力強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，散熱性能好，需輔助關(guān)斷；而大容量晶體管為多芯片并聯(lián)，過流承載能力差，控制復(fù)雜，散熱效果差，可自行關(guān)斷。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，晶閘管更適用于電壓、電流及其變化梯度大的斬波系統(tǒng)。 誠(chéng)如國(guó)外權(quán)威專家總結(jié)的：“最理想的導(dǎo)通器件是晶閘管，而最理想的關(guān)斷器件是晶體管”。高頻逆導(dǎo)晶閘管是專門為斬波控制而研制的特種晶閘管，結(jié)合了晶閘管、晶體管二者的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最適合應(yīng)用于斬波的大功率半導(dǎo)體器件，該器件在斬波技術(shù)中的應(yīng)用使得斬波內(nèi)饋調(diào)速技術(shù)在可靠性及其他技術(shù)性能上有了質(zhì)的飛躍。 二、斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn) 斬波內(nèi)饋調(diào)速是專門為風(fēng)機(jī)泵類調(diào)速而設(shè)計(jì)的新型交流調(diào)速產(chǎn)品，突出技術(shù)創(chuàng)新是電機(jī)和控制。其典型特點(diǎn)有： （1）效率高，可達(dá)99.87%。 （2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小。 （3）電流波形諧波小，<5%. （4）有源逆變器的功率因數(shù)可達(dá)0.9，且恒定不變。 （5）逆變電流的諧波有效值可以降低到移相控制的15％左右。內(nèi)饋電機(jī)的定子電流畸變＜5%. （6）有源逆變器的額定容量?jī)H為電機(jī)容量的14.8%，使可靠性大為提高。 （7）內(nèi)饋繞組容量為電機(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。 斬波內(nèi)饋調(diào)速與其他調(diào)速方式的比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）價(jià)格低廉，只是變頻調(diào)速的1/2—1/3。 （2）運(yùn)行可靠，連續(xù)無故障運(yùn)行10000h以上。 （3）調(diào)速效率高，η=99.87%，比變頻及雙饋均要高出1％—2%. （4）節(jié)電效果更顯著，內(nèi)饋調(diào)速平均節(jié)能可達(dá)50%，變頻調(diào)速平均節(jié)能只有40%。 （5）諧波污染小，電流畸變率＜5%，而且由于轉(zhuǎn)子的隔離作用不會(huì)反饋至電網(wǎng)，無污染，是綠色環(huán)保產(chǎn)品。變頻調(diào)速的諧波高達(dá)30%-40%，而且直接污染電網(wǎng)，需加裝濾波裝置。 （6）控制功率小，由于是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)施調(diào)速控制，而轉(zhuǎn)子電壓較低，其控制功率只為電機(jī)功率的40％—50%。變頻調(diào)速是在電機(jī)網(wǎng)側(cè)控制，直接承受電源電壓，控制功率要大于電機(jī)功率，一般為1.2—1.3倍的電機(jī)功率。 （7）體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無外附變變壓器。變頻調(diào)速系統(tǒng)龐大，高壓變頻調(diào)速一般為“高一低”或“高一低一高”系統(tǒng)，需配置1—2臺(tái)變壓器及相應(yīng)的高壓開關(guān)柜，占地面積大，價(jià)格昂貴，效率低。 （8）有源逆變器的容量大為減小，對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，容量可由移相控制的60％Pe減小到15％Pe，逆變電流減小，從而減小換向重疊角，進(jìn)一步提高了有源逆變器可靠性。 （9）電機(jī)與普通繞線電機(jī)全面兼容（外形、安裝尺寸、滑環(huán)等）。 三、斬波內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用分析 我公司采用的即是由高頻逆導(dǎo)晶閘管作為斬波器的CTK-1A型斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)由YQT2450-4 6KV 355KW內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)和CTK-1A型高頻逆導(dǎo)斬波內(nèi)饋調(diào)速控制裝置組成。 CTK-1型斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： （1）采用斬波—有源逆變器的變流主電路，使系統(tǒng)具有最高的功率因數(shù)和最小的電流畸變率。 （2）采用高頻逆導(dǎo)斬波技術(shù)，提高了斬波可靠性，降低了系統(tǒng)電磁噪音。 （3）采用PLC邏輯操作和控制，微機(jī)使運(yùn)行更加可靠性。 （4）具有完善的各種保護(hù)功能，如過壓、失波、缺相等各種保護(hù)。 （5）起動(dòng)方式靈活，具有自動(dòng)軟加速轉(zhuǎn)至調(diào)速或全速功能，啟動(dòng)電流沖擊小。 （6）可實(shí)現(xiàn)抗干擾的遠(yuǎn)方給定和自動(dòng)閉環(huán)控制功能。 （7）具有無機(jī)械傳感的速度顯示。 （8）調(diào)速運(yùn)行時(shí)，控制裝置發(fā)生故障可發(fā)出故障信號(hào)并自動(dòng)轉(zhuǎn)入停機(jī)或全速方式運(yùn)行。 （9）設(shè)備故障率低，易于維護(hù)。 應(yīng)用斬波內(nèi)饋調(diào)速與全速閥門調(diào)節(jié)運(yùn)行情況對(duì)比見下表。 該泵設(shè)計(jì)供熱能力為30萬(wàn)平米，在第一采暖期實(shí)際供熱約10萬(wàn)平米，采用調(diào)速泵供熱對(duì)現(xiàn)實(shí)（我廠實(shí)際情況）節(jié)能效果十分明顯高達(dá)70%，滿負(fù)荷供熱時(shí)節(jié)能效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。 斬波內(nèi)饋調(diào)速在我公司投人應(yīng)用以來，運(yùn)行一直較為穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果明顯。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)與高壓變頻調(diào)速相比，價(jià)格低廉、調(diào)速效率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資回收期短，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，確實(shí)是電力、冶金、石油、化工、水泥、煤礦、供水、供熱等行業(yè)交流電機(jī)（風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載）節(jié)能的理想之選。