摘 要： 本文介紹了斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的原理、特點及其在山西天石電力有限公司的節(jié)能運行情況。 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)國家工商總局和山西省人民政府批準成立的中日合資企業(yè)，是由山西國際電力集團有限公司、日本國電源開發(fā)株式會社、靈石縣電力開發(fā)有限責(zé)任公司、雙日（中國）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)有裝機容量2×25MW（一期工程），1#機組于2000年12月31日投產(chǎn)，2#機組于2001年5月18日投產(chǎn)。兩臺發(fā)電機組經(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，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585萬元將現(xiàn)有兩臺凝汽式機組改造為抽汽式機組，建設(shè)供熱首站，對靈石縣靜升區(qū)的實施集中供熱，實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)。 實施熱電聯(lián)產(chǎn)之前，廠內(nèi)風(fēng)機、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)實施熱電聯(lián)產(chǎn)改造，由于供熱負荷變化大，為此決定在此項目上先期實施，經(jīng)過多方考察論證，對各種調(diào)速設(shè)備進行理論計算、節(jié)能效果、性價比等的比較分析后，于2006年對1#供熱循環(huán)水泵355KW/6KV交流異步電動機實施了斬波內(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”兩項專利技術(shù)于一體、以低壓（通常約為200～500V）控高壓（6KV～10KV）的新型、高效率高壓電機調(diào)速技術(shù)。該技術(shù)可在6KV、10KV中、大容量的風(fēng)機、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異步電動機功率圓模型，電機的轉(zhuǎn)速按力學(xué)定律表達為： 式中： Ω 為機械轉(zhuǎn)速， PM 為電動機輸出的機械功率， Tfz 為電動機的負載轉(zhuǎn)矩 顯然，負載轉(zhuǎn)矩是由機械負載性質(zhì)所決定的客觀存在，不能成為調(diào)速控制量，因此惟有控制機械功率才能實現(xiàn)調(diào)速。 根據(jù)電機學(xué)，電動機的機械輸出功率： 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。 由此而提出了電機的功率控制原理（P理論）——電機交流調(diào)速的實質(zhì)在于控制其機械功率。改變機械功率的主要機理有兩種：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?，但移出的電功率可以任意控制，通過附加電勢直接改變轉(zhuǎn)子的電磁功率，電機轉(zhuǎn)速就可以得到控制。 內(nèi)饋調(diào)速巧妙的在異步機的定子上加設(shè)一個內(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，與機械輸出功率平衡，實現(xiàn)了高效率的無級調(diào)速，回避了定子高壓，實現(xiàn)了高壓電機低壓控制，技術(shù)簡單，具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟、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)通時間（即占空比），實現(xiàn)對直流電流的控制，進而實現(xiàn)了對功率的控制。 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)的先進性、可靠性成為衡量該系統(tǒng)的重要指標。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。在大功率斬波應(yīng)用中，晶閘管存在明顯優(yōu)勢。大容量晶閘管可制成單一芯片，過流承載能力強，控制簡單，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。綜合各項指標，晶閘管更適用于電壓、電流及其變化梯度大的斬波系統(tǒng)。 誠如國外權(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)點被認為是最適合應(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 斬波內(nèi)饋調(diào)速是專門為風(fēng)機泵類調(diào)速而設(shè)計的新型交流調(diào)速產(chǎn)品，突出技術(shù)創(chuàng)新是電機和控制。其典型特點有： （1）效率高，可達99.87%。 （2）結(jié)構(gòu)簡單，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)饋電機的定子電流畸變＜5%. （6）有源逆變器的額定容量僅為電機容量的14.8%，使可靠性大為提高。 （7）內(nèi)饋繞組容量為電機容量的14.8%，對于內(nèi)饋調(diào)速電機，可大大減小內(nèi)饋繞組所占的鐵心空間，簡化工藝，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： （1）價格低廉，只是變頻調(diào)速的1/2—1/3。 （2）運行可靠，連續(xù)無故障運行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)實施調(diào)速控制，而轉(zhuǎn)子電壓較低，其控制功率只為電機功率的40％—50%。變頻調(diào)速是在電機網(wǎng)側(cè)控制，直接承受電源電壓，控制功率要大于電機功率，一般為1.2—1.3倍的電機功率。 （7）體積小，結(jié)構(gòu)簡單，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臺變壓器及相應(yīng)的高壓開關(guān)柜，占地面積大，價格昂貴，效率低。 （8）有源逆變器的容量大為減小，對于風(fēng)機泵類負載，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，進一步提高了有源逆變器可靠性。 （9）電機與普通繞線電機全面兼容（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： （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，微機使運行更加可靠性。 （4）具有完善的各種保護功能，如過壓、失波、缺相等各種保護。 （5）起動方式靈活，具有自動軟加速轉(zhuǎn)至調(diào)速或全速功能，啟動電流沖擊小。 （6）可實現(xiàn)抗干擾的遠方給定和自動閉環(huán)控制功能。 （7）具有無機械傳感的速度顯示。 （8）調(diào)速運行時，控制裝置發(fā)生故障可發(fā)出故障信號并自動轉(zhuǎn)入停機或全速方式運行。 （9）設(shè)備故障率低，易于維護。 應(yīng)用斬波內(nèi)饋調(diào)速與全速閥門調(diào)節(jié)運行情況對比見下表。 該泵設(shè)計供熱能力為30萬平米，在第一采暖期實際供熱約10萬平米，采用調(diào)速泵供熱對現(xiàn)實（我廠實際情況）節(jié)能效果十分明顯高達70%，滿負荷供熱時節(jié)能效果還有待進一步驗證。 斬波內(nèi)饋調(diào)速在我公司投人應(yīng)用以來，運行一直較為穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果明顯。實踐證明，該系統(tǒng)與高壓變頻調(diào)速相比，價格低廉、調(diào)速效率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、投資回收期短，具有很強的實用性和經(jīng)濟性，確實是電力、冶金、石油、化工、水泥、煤礦、供水、供熱等行業(yè)交流電機（風(fēng)機水泵類負載）節(jié)能的理想之選。