高頻斬波串級調速系統在秦皇島發電廠的應用

整流單元 整流單元為三相全波整流，將轉子電流轉換為直流電流。保護用SCR也安裝在整流單元中。
斬波單元 電路工作時，逆變器的逆變角恒處于最小βmin處不變，轉子回路附加電勢調節由斬波開關來完成。斬波開關以恒頻調寬方式工作，即工作頻率一定，而開關導通時間可調。這樣，通過調節斬波開關導通時間與斬波周期的比率（即占空比或PWM調制脈寬），來改變串入轉子回路的等效電勢的大小，從而改變轉子電流，來達到調節電機轉速的目的。由于采用了可自關斷的大功率器件IGBT作為斬波器件，使得斬波頻率進一步提高，直流電流更為平穩，系統體積更小、更為緊湊。目前裝置的斬波頻率為2.7kHZ。
逆變單元 逆變部分為三相全橋有源逆變器，裝置工作于調速狀態時，將經斬波控制后的轉差功率逆變至內反饋繞組或逆變變壓器。逆變觸發角為最小的固定值，克服了移相觸發的對觸發脈沖和換相要求嚴格、脈沖移動范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數低等缺點。同步信號取自內反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號，具有抗干擾、多重數字鎖相、自動配相等功能。
控制單元 控制部分由控制箱、電源及自檢箱構成。其核心由單片機和快速可編程邏輯器件組成。主要功能包括：
 對IGBT、保護用SCR及有源逆變器的脈沖控制及PWM調制。
 實現裝置所有的自動控制和閉鎖邏輯。
 所有保護的測量、整定、邏輯、報警及出口。
 系統運行有關的操作、顯示、報警等信息的處理及指示。
 實現裝置與外部系統的通訊管理。
 裝置整定和調試等輔助功能。
 控制箱可就地操作，為一觸式鍵盤操作，包括運行、停止、全速、調速、自檢、自動/手動、開環/閉環、遠方/就地等與運行有關的操作。同時通過菜單方式，可對裝置基本參數及運行模式進行設置。
 為滿足控制室集中控制的需要，可在遠方進行與裝置運行有關的操作。
 裝置可實現與DCS系統、上級計算機網絡、PC機等進行通訊。
3）SEC高頻斬波串級調速系統的主要特點
①具有良好的調速機械特性和節能特性。調速范圍寬，無級，平滑。
②由于串級調速只控制電機的轉差功率，和變頻調速相比，控制容量小（對于風機泵類負載，總控制容量為電機額定容量的14.815%）。系統較為容易滿足可靠性要求，特別是對大型電動機來說，造價和可靠性就更具有優勢。
③串級調速裝置自身功耗小，效率高。變頻調速功耗一般約占電機額定功率的5%左右，而SEC系列串級調速裝置由于控制容量小，其功耗在電機容量的1%以下。
④由于串級調速是在電機轉子側施加控制，和變頻調速相比，其控制電壓低、其電力電子器件承壓低。
⑤由于串級調速使用繞線式電機，能夠方便有效的控制電機起動電流。
⑥現代電力電子技術和計算機控制技術與傳統串級調速理論相結合，使串級調速技術得以更進一步的發展。如采用直流回路斬波控制技術，與傳統移相控制相比，其諧波和功率因數等指標具有明顯的優勢。特別是新型功率器件（如IGBT等）應用于斬波控制，使得系統性能指標進一步提高，系統也更為簡單可靠。
⑦采用高頻斬波串級調速系統時，由于反饋繞組加裝到電機內部，省去了逆變變壓器及相關的電氣設備，使得系統更為簡單。
⑧多種操作控制模式(開環/閉環、就地/遠方、實驗/工作、全速/調速、 SEC/DCS控制)可互相轉換。
⑨串級調速裝置具有多種保護功能，如轉子過流、電流失恒；反饋過流、電流失恒、電壓失恒；直流過流、過壓、低電壓（逆變顛覆）、失波、IGBT過流、快熔保護、頻敏保護、溫度保護等。
⑩串級調速裝置具有系統自檢功能，實現了系統主要器件和單元的自檢試驗。
另外系統還具有自診斷功能，可對接觸器、高壓開關、高壓電源、快熔、頻敏等設備監測；泵/風機等負載狀態監測；工作電源、直流過流、過壓、低電壓、失波、IGBT過流、溫度保護自動診斷，保證系統的可靠運行。
4）SEC高頻斬波串級調速系統的主要性能指標
 電機額定電壓：3KV、6KV、10KV
 電機額定功率：200-5600KW
 調速范圍：用要求最低轉速-99%平滑無級至全速自動切換
 電機極數：4-24極
 額定頻率：50HZ±2%
 平均調速效率： η〉98.9%
 額定功率因數： 〉0.85
 額定直流電流：315-3000A
 額定直流電壓：125-2500V
 起動電流：2.5-3倍的額定電流
 諧波含量：≤3%
 過載能力：1.8倍的額定負載
 調速精度：≥99.8%
5）SEC高頻斬波串級調速系統的可靠性保證措施
 調速原理本身的可靠性保證。
由于串級調速是在電機轉子回路施加控制和調節，避免了定子側調速方法（如變頻調速）高電壓，大功率引起的系統設計、器件選擇帶來的困難，使得系統更為可靠
 采取了諸多技術措施來保證調速系統的安全可靠：
 主斬波回路采用大型全控功率器件IGBT，系統更為簡單，可靠。
 全部電力電子功率器件散熱均采用熱管散熱及強制風冷相結合的散熱技術，散熱效果更好，系統更可靠。
 完善的保護設計，包括保護用SCR的設計，使系統能夠快速全面的檢測和處理異常和故障。
 控制核心采用單片機與快速可編程邏輯器件相結合技術，既保證了友好的人機界面和靈活的可擴充性，又保證了系統快速反應性和可靠性。
 產品設計保證充足的裕度，從而保證系統安全可靠運行
 采用多重數字鎖相環數字觸發系統確保觸發脈沖的安全可靠。
 多重隔離和抗干擾設計，裝置具有很強的抗干擾能力。
 交直流雙電源供電的工作電源設計。
 采用優質的元器件保證調速系統安全可靠：
 所有的器件，包括所有電力電子器件、接觸器、電抗器、電容器，同時也包括接線端子等輔助器件，均采用國外、國內正規名牌廠家的產品。
 嚴格控制供貨渠道和合作廠家的產品質量和可靠性。
 所有器件均經過嚴格篩選、老化、檢測后投入使用。
 嚴格產品的工藝管理來保證調速系統的安全可靠：
 嚴謹科學的工程設計與計算。
 保守的器件裕度設計。
 全面的仿真驗算校核。
 嚴格按ISO9001質量體系要求進行制造。
 出廠前實際帶載考驗。
配備了由6KV變壓器、功率電阻及相關的控制裝置構成的模擬帶載調速試驗系統，所有SEC系列高頻斬波串級調速裝置，出廠前均經過與實際電壓電流相同的帶載試驗與考驗，從而進一步保證了調速系統的可靠性。
二、應用情況
秦皇島發電有限責任公司二期#5灰渣泵電機高頻斬波串級調速系統，于2005年3月23日投入運行，至2005年4月30日期間，秦皇島發電有限責任公司發電部和設備部工程師對該系統進行跟蹤監測，并對部分數據進行了重點測試。
（一）電機參數和運行模式
1）電機參數
改造前：JSQ1512-8/800KW/6KV/985r/min 制造廠：北京重型電機廠
改造后：YRCT560-6/800KW/6KV/500-985r/min 制造廠：蘭州電機廠
其他參數：定子電流88.8A/轉子電壓1082V/轉子電流456A/反饋電壓730V/反饋電流160A
2）運行模式：
改造前：
#5灰渣泵驅動電機的容量為800KW。經測試，電機全速運行實際負載為697KW。通過液力耦合器調節灰渣泵的轉速，控制灰渣池的水位高度。共有#4、#5、#6三套設備輪換運行，互為備用。
改造后：
高頻斬波串極調速系統投運后，根據鍋爐運行要求確定灰水的流量，通過調節灰渣泵電機轉速調節灰渣泵的流量，控制灰渣池的水位高度，達到節能調速目的。#5灰渣泵長期運行，另外兩套作為備用。
（二）測試結果
飚1 電機及水泵有關參數表

表2 電機轉速和電機與水泵的振動對應關系表

表3 電機線圈溫度表（環境溫度攝氏16度）


（三）測試結果分析
1）全速狀態：
全速時，通過檢測：電機振動為16.3um，符合國家標準，；電機溫度在44-56℃之間，在正常范圍之內。
2）調速狀態：
1、節電率(因無液力耦合器調節時各轉速下的實測功率,以下與滿負載電機功率比較):
按(P0-P1)/P0*100%公式計算,實測各占空比對應全速的節電率， 其中：
P0為滿負載時實測有功功率，P1為調速時實測有功功率
表4 節電率統計表