高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)在秦皇島發(fā)電廠的應(yīng)用

整流單元 整流單元為三相全波整流，將轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換為直流電流。保護(hù)用SCR也安裝在整流單元中。
斬波單元 電路工作時(shí)，逆變器的逆變角恒處于最小βmin處不變，轉(zhuǎn)子回路附加電勢調(diào)節(jié)由斬波開關(guān)來完成。斬波開關(guān)以恒頻調(diào)寬方式工作，即工作頻率一定，而開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)。這樣，通過調(diào)節(jié)斬波開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與斬波周期的比率（即占空比或PWM調(diào)制脈寬），來改變串入轉(zhuǎn)子回路的等效電勢的大小，從而改變轉(zhuǎn)子電流，來達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于采用了可自關(guān)斷的大功率器件IGBT作為斬波器件，使得斬波頻率進(jìn)一步提高，直流電流更為平穩(wěn)，系統(tǒng)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(diào)速狀態(tài)時(shí)，將經(jīng)斬波控制后的轉(zhuǎn)差功率逆變至內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器。逆變觸發(fā)角為最小的固定值，克服了移相觸發(fā)的對觸發(fā)脈沖和換相要求嚴(yán)格、脈沖移動(dòng)范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。同步信號取自內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號，具有抗干擾、多重?cái)?shù)字鎖相、自動(dòng)配相等功能。
控制單元 控制部分由控制箱、電源及自檢箱構(gòu)成。其核心由單片機(jī)和快速可編程邏輯器件組成。主要功能包括：
 對IGBT、保護(hù)用SCR及有源逆變器的脈沖控制及PWM調(diào)制。
 實(shí)現(xiàn)裝置所有的自動(dòng)控制和閉鎖邏輯。
 所有保護(hù)的測量、整定、邏輯、報(bào)警及出口。
 系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)的操作、顯示、報(bào)警等信息的處理及指示。
 實(shí)現(xiàn)裝置與外部系統(tǒng)的通訊管理。
 裝置整定和調(diào)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(yùn)行、停止、全速、調(diào)速、自檢、自動(dòng)/手動(dòng)、開環(huán)/閉環(huán)、遠(yuǎn)方/就地等與運(yùn)行有關(guān)的操作。同時(shí)通過菜單方式，可對裝置基本參數(shù)及運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置。
 為滿足控制室集中控制的需要，可在遠(yuǎn)方進(jìn)行與裝置運(yùn)行有關(guān)的操作。
 裝置可實(shí)現(xiàn)與DCS系統(tǒng)、上級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、PC機(jī)等進(jìn)行通訊。
3）SEC高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
①具有良好的調(diào)速機(jī)械特性和節(jié)能特性。調(diào)速范圍寬，無級，平滑。
②由于串級調(diào)速只控制電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，和變頻調(diào)速相比，控制容量小（對于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，總控制容量為電機(jī)額定容量的14.815%）。系統(tǒng)較為容易滿足可靠性要求，特別是對大型電動(dòng)機(jī)來說，造價(jià)和可靠性就更具有優(yōu)勢。
③串級調(diào)速裝置自身功耗小，效率高。變頻調(diào)速功耗一般約占電機(jī)額定功率的5%左右，而SEC系列串級調(diào)速裝置由于控制容量小，其功耗在電機(jī)容量的1%以下。
④由于串級調(diào)速是在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制，和變頻調(diào)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(diào)速使用繞線式電機(jī)，能夠方便有效的控制電機(jī)起動(dòng)電流。
⑥現(xiàn)代電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與傳統(tǒng)串級調(diào)速理論相結(jié)合，使串級調(diào)速技術(shù)得以更進(jìn)一步的發(fā)展。如采用直流回路斬波控制技術(shù)，與傳統(tǒng)移相控制相比，其諧波和功率因數(shù)等指標(biāo)具有明顯的優(yōu)勢。特別是新型功率器件（如IGBT等）應(yīng)用于斬波控制，使得系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，系統(tǒng)也更為簡單可靠。
⑦采用高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，由于反饋繞組加裝到電機(jī)內(nèi)部，省去了逆變變壓器及相關(guān)的電氣設(shè)備，使得系統(tǒng)更為簡單。
⑧多種操作控制模式(開環(huán)/閉環(huán)、就地/遠(yuǎn)方、實(shí)驗(yàn)/工作、全速/調(diào)速、 SEC/DCS控制)可互相轉(zhuǎn)換。
⑨串級調(diào)速裝置具有多種保護(hù)功能，如轉(zhuǎn)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(hù)、頻敏保護(hù)、溫度保護(hù)等。
⑩串級調(diào)速裝置具有系統(tǒng)自檢功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主要器件和單元的自檢試驗(yàn)。
另外系統(tǒng)還具有自診斷功能，可對接觸器、高壓開關(guān)、高壓電源、快熔、頻敏等設(shè)備監(jiān)測；泵/風(fēng)機(jī)等負(fù)載狀態(tài)監(jiān)測；工作電源、直流過流、過壓、低電壓、失波、IGBT過流、溫度保護(hù)自動(dòng)診斷，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
4）SEC高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
 電機(jī)額定電壓：3KV、6KV、10KV
 電機(jī)額定功率：200-5600KW
 調(diào)速范圍：用要求最低轉(zhuǎn)速-99%平滑無級至全速自動(dòng)切換
 電機(jī)極數(shù)：4-24極
 額定頻率：50HZ±2%
 平均調(diào)速效率： η〉98.9%
 額定功率因數(shù)： 〉0.85
 額定直流電流：315-3000A
 額定直流電壓：125-2500V
 起動(dòng)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(fù)載
 調(diào)速精度：≥99.8%
5）SEC高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的可靠性保證措施
 調(diào)速原理本身的可靠性保證。
由于串級調(diào)速是在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路施加控制和調(diào)節(jié)，避免了定子側(cè)調(diào)速方法（如變頻調(diào)速）高電壓，大功率引起的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件選擇帶來的困難，使得系統(tǒng)更為可靠
 采取了諸多技術(shù)措施來保證調(diào)速系統(tǒng)的安全可靠：
 主斬波回路采用大型全控功率器件IGBT，系統(tǒng)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(qiáng)制風(fēng)冷相結(jié)合的散熱技術(shù)，散熱效果更好，系統(tǒng)更可靠。
 完善的保護(hù)設(shè)計(jì)，包括保護(hù)用SCR的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)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(jī)與快速可編程邏輯器件相結(jié)合技術(shù)，既保證了友好的人機(jī)界面和靈活的可擴(kuò)充性，又保證了系統(tǒng)快速反應(yīng)性和可靠性。
 產(chǎn)品設(shè)計(jì)保證充足的裕度，從而保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行
 采用多重?cái)?shù)字鎖相環(huán)數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)確保觸發(fā)脈沖的安全可靠。
 多重隔離和抗干擾設(shè)計(jì)，裝置具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
 交直流雙電源供電的工作電源設(shè)計(jì)。
 采用優(yōu)質(zhì)的元器件保證調(diào)速系統(tǒng)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(shí)也包括接線端子等輔助器件，均采用國外、國內(nèi)正規(guī)名牌廠家的產(chǎn)品。
 嚴(yán)格控制供貨渠道和合作廠家的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。
 所有器件均經(jīng)過嚴(yán)格篩選、老化、檢測后投入使用。
 嚴(yán)格產(chǎn)品的工藝管理來保證調(diào)速系統(tǒng)的安全可靠：
 嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的工程設(shè)計(jì)與計(jì)算。
 保守的器件裕度設(shè)計(jì)。
 全面的仿真驗(yàn)算校核。
 嚴(yán)格按ISO9001質(zhì)量體系要求進(jìn)行制造。
 出廠前實(shí)際帶載考驗(yàn)。
配備了由6KV變壓器、功率電阻及相關(guān)的控制裝置構(gòu)成的模擬帶載調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)，所有SEC系列高頻斬波串級調(diào)速裝置，出廠前均經(jīng)過與實(shí)際電壓電流相同的帶載試驗(yàn)與考驗(yàn)，從而進(jìn)一步保證了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。
二、應(yīng)用情況
秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司二期#5灰渣泵電機(jī)高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)，于2005年3月23日投入運(yùn)行，至2005年4月30日期間，秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司發(fā)電部和設(shè)備部工程師對該系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，并對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)測試。
（一）電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行模式
1）電機(jī)參數(shù)
改造前：JSQ1512-8/800KW/6KV/985r/min 制造廠：北京重型電機(jī)廠
改造后：YRCT560-6/800KW/6KV/500-985r/min 制造廠：蘭州電機(jī)廠
其他參數(shù)：定子電流88.8A/轉(zhuǎn)子電壓1082V/轉(zhuǎn)子電流456A/反饋電壓730V/反饋電流160A
2）運(yùn)行模式：
改造前：
#5灰渣泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量為800KW。經(jīng)測試，電機(jī)全速運(yùn)行實(shí)際負(fù)載為697KW。通過液力耦合器調(diào)節(jié)灰渣泵的轉(zhuǎn)速，控制灰渣池的水位高度。共有#4、#5、#6三套設(shè)備輪換運(yùn)行，互為備用。
改造后：
高頻斬波串極調(diào)速系統(tǒng)投運(yùn)后，根據(jù)鍋爐運(yùn)行要求確定灰水的流量，通過調(diào)節(jié)灰渣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)灰渣泵的流量，控制灰渣池的水位高度，達(dá)到節(jié)能調(diào)速目的。#5灰渣泵長期運(yùn)行，另外兩套作為備用。
（二）測試結(jié)果
飚1 電機(jī)及水泵有關(guān)參數(shù)表

表2 電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)與水泵的振動(dòng)對應(yīng)關(guān)系表

表3 電機(jī)線圈溫度表（環(huán)境溫度攝氏16度）


（三）測試結(jié)果分析
1）全速狀態(tài)：
全速時(shí)，通過檢測：電機(jī)振動(dòng)為16.3um，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，；電機(jī)溫度在44-56℃之間，在正常范圍之內(nèi)。
2）調(diào)速狀態(tài)：
1、節(jié)電率(因無液力耦合器調(diào)節(jié)時(shí)各轉(zhuǎn)速下的實(shí)測功率,以下與滿負(fù)載電機(jī)功率比較):
按(P0-P1)/P0*100%公式計(jì)算,實(shí)測各占空比對應(yīng)全速的節(jié)電率， 其中：
P0為滿負(fù)載時(shí)實(shí)測有功功率，P1為調(diào)速時(shí)實(shí)測有功功率
表4 節(jié)電率統(tǒng)計(jì)表