高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速在聊城電廠的應(yīng)用

高壓斬波內(nèi)饋調(diào)速在聊城電廠的應(yīng)用隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展和電力系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營及競價上網(wǎng)的實(shí)施，發(fā)電企業(yè)挖掘內(nèi)部潛力，節(jié)能降耗日顯重要。發(fā)電企業(yè)輔機(jī)配置容量余度較大是一個普遍問題。另外，電力供應(yīng)飽和，發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰任務(wù)逐步加大。因此，推行輔機(jī)電機(jī)調(diào)速節(jié)能勢在必行。電機(jī)調(diào)速不僅可以節(jié)能降耗，還可以避免調(diào)峰時電機(jī)的頻繁啟停，降低電機(jī)故障率及延長電機(jī)使用年限，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。山東聊城熱電有限公司(原聊城發(fā)電廠)是第一個在全國電力行業(yè)采用斬波內(nèi)饋交流調(diào)速的企業(yè)，繼1997年在#2爐乙送風(fēng)機(jī)(300kW/4P-6kV)產(chǎn)品成功運(yùn)行之后，先后在其它輔機(jī)上采用斬波內(nèi)饋調(diào)速，經(jīng)過長時間的實(shí)踐運(yùn)行，產(chǎn)品可靠性及性能得到檢驗(yàn)，收到了顯著的節(jié)能(35-52%)效果和經(jīng)濟(jì)效益。斬波內(nèi)饋調(diào)速在我廠的輔機(jī)應(yīng)用如表1所示。表1斬波內(nèi)饋調(diào)速應(yīng)用情況一覽表(6kV)2斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成2.1調(diào)速控制裝置構(gòu)成;(1)調(diào)速控制裝置型號為KRH-2;(2)起動柜、斬波柜、逆變柜(3)具有就地控制:啟動、停止、調(diào)速、全速切換功能;具有遠(yuǎn)方控制;(4)DCS自動控制接口，轉(zhuǎn)速指令信號4-20mA，轉(zhuǎn)速輸出信號4-20mA，自動/手動，調(diào)速控制ID信號。2.2斬波內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)的安裝尺寸與原電機(jī)相同，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，自動保護(hù)裝置可以自動將電機(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。3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。3.1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:

(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

(2)

因此

(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，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)速控制無關(guān)，而且不能隨意改變。動態(tài)轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速的作用只表現(xiàn)在調(diào)速的過渡過程中，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，動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速響應(yīng)自動減小，直至新的負(fù)載平衡時為零。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速只能通過功率控制來實(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，通過將轉(zhuǎn)子的部分功率(即電轉(zhuǎn)差功率)移出來，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3.2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)斷的高速開關(guān)?？刂茢夭ǖ恼伎毡龋涂梢詫?shí)現(xiàn)對逆變電流的控制，也就是控制了反饋到內(nèi)部內(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僅為電機(jī)容量的14.8%，加上觸發(fā)簡單，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，簡化工藝，降低成本。4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和調(diào)速停止方式。(1)啟動時，直接控制高壓開關(guān)柜，電機(jī)經(jīng)頻敏啟動，可以減小啟動電流并增大啟動轉(zhuǎn)矩。(2)調(diào)速運(yùn)行時，直流回路存在較大的電磁能量，如果直接停電，將產(chǎn)生過電壓使可控硅損壞。所以調(diào)速停車時，設(shè)置的邏輯控制會自動轉(zhuǎn)到全速后再停車。事故停電有斷電和過壓保護(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，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)行的情況下檢測斬波器和逆變器是否正常，給檢修帶來極大的方便。(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控制信號下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平滑調(diào)速，并在出現(xiàn)斷線故障時能夠保持原來給定轉(zhuǎn)速，同時發(fā)出斷線報警信號。5系統(tǒng)可靠性產(chǎn)品的可靠性一般指產(chǎn)品連續(xù)無故障運(yùn)行時間和抑制故障自動保護(hù)能力。主要決定于(1)原理和設(shè)計可靠性;(2)產(chǎn)品器件的可靠性;(3)產(chǎn)品工藝的可靠性。5.1設(shè)計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，而是鎖定在最小逆變角，因此，可以采取諸如鎖相環(huán)等抗強(qiáng)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。5.2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，自動保護(hù)裝置可以自動將電動機(jī)切換成恒速運(yùn)行，不至于造成電動機(jī)停運(yùn)，此時，電動機(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，不是回到起動狀態(tài)然后再轉(zhuǎn)入全速，而是自動在當(dāng)前轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上平滑加速，待到轉(zhuǎn)速接近額定值時，自動轉(zhuǎn)入全速運(yùn)行。避免了轉(zhuǎn)換沖擊。5.3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。全部集成電路芯片均采用進(jìn)口器件。5.4工藝方面完善地電力電子器件的檢測設(shè)備;完善的生產(chǎn)工藝和專用設(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)品的可靠性對比高壓變頻調(diào)速和串級調(diào)速都有較大的優(yōu)勢。6應(yīng)用情況以下為山東聊城熱電有限責(zé)任公司#3循環(huán)泵電機(jī)及#3爐風(fēng)機(jī)改造后的測試數(shù)據(jù)如表2所示。6.13#乙循環(huán)泵電機(jī)(1)電機(jī)技術(shù)參數(shù)原電機(jī):銘牌:Y1250-12/1730電壓:6kV額定電流:153A功率:1250kW額定轉(zhuǎn)速:495rpm改后電機(jī):銘牌:YQT1250-12/1730電壓:6kV額定電流:148A功率:1250kW額定轉(zhuǎn)速:495-320rpm表2#3爐風(fēng)機(jī)改造后的測試數(shù)據(jù)2000年12月在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，循環(huán)泵運(yùn)行實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如表2所示。(2)試驗(yàn)結(jié)果的分析:循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為380轉(zhuǎn)/分時，消耗的功率為491.08kw;循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為460轉(zhuǎn)分時，消耗的功率為833.355KW;循環(huán)泵低轉(zhuǎn)速時，一小時少耗電342.27KW，即機(jī)組滿負(fù)荷情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低17%，但耗電量降低了41%。若電機(jī)按每年運(yùn)行5000小時計算，可節(jié)約約171萬千瓦時。按每度電0.3計算，可節(jié)約資金約51萬元。該循環(huán)泵電機(jī)改造費(fèi)用為112萬元，因此，投資在2年多即可回收。若考慮機(jī)組的調(diào)峰，節(jié)電效果將會更明顯，投資回收期進(jìn)一步縮短。6.23#爐風(fēng)機(jī)2001年5月，山東聊城熱電有限責(zé)任公司對#3機(jī)組(100MW)甲乙引送四臺風(fēng)機(jī)中的乙送風(fēng)機(jī)、乙引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了內(nèi)饋改造，現(xiàn)就乙引送風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示(1)電機(jī)參數(shù):乙引風(fēng)機(jī)電機(jī):YQT2710-8710kW電壓6kV乙送風(fēng)機(jī)電機(jī):YQT2630-6630kW電壓6kV表2乙引送風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果由兩臺風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)機(jī)在低速時，節(jié)能效果非常明顯。特別是乙送風(fēng)機(jī)在機(jī)組低負(fù)荷時，通過合理的調(diào)整檔板，可以使功率損耗降低約70%;由于我廠只改造了乙送風(fēng)機(jī)和乙吸風(fēng)機(jī)，甲送風(fēng)機(jī)和甲吸風(fēng)機(jī)為定速電機(jī)，甲送風(fēng)機(jī)乙送風(fēng)機(jī)共用一風(fēng)道，需通過合理的調(diào)整檔板來調(diào)整壓力平衡，若甲送風(fēng)機(jī)及