變頻調速技術簡介及其在電廠中的應用

黃 波

20世紀90年代,交流變頻調速技術及裝置有了突飛猛進的發展,由于變頻調速在頻率范圍、動態響應、低頻轉矩、轉差補償、功率因數、工作效率等方面是以往的調速方式無法比擬的,因此在節約能源、改善工藝、提高生產效率等方面發揮了巨大作用,取得了巨大經濟效益。

1 異步電動機調速方式的探討

以常用鼠籠型異步電動機為例,根據電磁學定律,轉子在旋轉磁場中,并載有感應作用所產生的電流,轉子必然受到電磁力,轉子上所有導條受到的電磁力形成一個逆時針方向的電磁轉矩,于是轉子就跟著旋轉磁場逆時針方向旋轉,從而實現了能量的交換,而旋轉磁場的轉速n0由 n0=60f/p決定。其中,f為電源頻率;p為旋轉磁場的磁極對數;產生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線,因此轉子的轉速 n必須低于定子磁場的轉速n0,兩者之差Δn稱為轉差,即Δn=n0-n。轉差與磁場轉速之比為轉差率 s=(n0-n)/n0。由此可知異步電動機的轉速 n=(1-s)60f/p。

由公式n=(1-s)×60f/p可知,交流異步電動機的調速方式有以下三種:1)改變磁極對數p,定子磁場的磁極對數取決于定子繞組的結構,所以要改變 p,必須將定子繞組繞制成可以換接成兩種以上磁極對數的特殊形式。由于定子繞組的設計須照顧到兩種磁極對數的情形,所以不管工作在哪種情況下都不可能得到最佳設計,而電動機的效率將會降低。2)調節電流頻率 f,是把頻率固定的交流電源變成頻率連續可調的交流電。當頻率 f連續可調時,電動機的同步轉速n0也連續可調,又因異步電動機的轉速n總是比同步轉速n0略低一些,所以當n0連續可調時,n也連續可調。3)改變轉差率s實現調速,其特點是:轉差功率都消耗在鼠籠型轉子或滑差耦合器的電樞電路中,調速時發熱嚴重,效率不高。

2 變頻器及其調速原理

2.1 變頻器的基本結構和主要功能

1)基本結構。常用交—直—交變頻器的主電路見圖1。

2)交—直部分。整流管VD1～VD6組成三相整流橋,將電源的交流全波整流成直流,如果電源的線電壓為 VL,則三相全波整流后平均在直流電壓UD大小是:UD=1.35VL。

3)直—交部分。V1～V6組成逆變橋,把VD1～VD6整流所得的直流電再逆變成頻率可調的交流電。V1～V6進行逆變的基本工作過程是同一橋臂的兩個逆變管處于不停地交替導通和截止的狀態,在6個逆變管中,3個和直流的“+”端相接,另3個和直流電源的“-”端相接,又分別屬于不同的相,關鍵在于驅動逆變管的控制電路,使每次中有2個逆變管處于導通狀態。三者之間的相位互差2π/3。它們的振幅值都與直流電壓 UD相等。按照一定的規律來控制6個逆變管的導通與截止,就可以把直流電逆變成三相交流電,而逆變后的電源頻率則可以在上述導通規律不變的前提下,通過改變控制信號的變化周期來進行調節,從而實現了直—交的逆變。

2.2 調速原理

調速原理圖見圖2。

變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電源(通常為工頻50 Hz三相),輸出端輸出的是頻率在一定范圍內連續可調的三相交流電(0 Hz～400 Hz),接至電機。因 n0=60f/p,故頻率可調,轉速則隨之變化,改變頻率,可使轉速改變。由于電動機繞組中反電動勢的大小與頻率成正比,只是改變了頻率而不改變電壓是不能直接用于電動機的,在額定頻率時,定子繞組的反電動勢E1是定子繞組切割旋轉磁場磁力線的結果,本質上是定子繞組的自感電動勢。E1≈4.44f×N×φ。其中,f為頻率;N為定子繞組的匝數;φ為磁通。

可見 E1的大小是 f與φ的乘積,成正比。所以當 f下降時,E1不變,則φ增加。φ的增加,將導致鐵心的飽和,進而引進勵磁電流波形的畸變,這是不希望的,所以采用的是VVVF,即變壓同時變頻,并在不同負載時有不同的要求,在恒轉矩調速時,有U/f為定值。保證U隨f成正比在變化,則可保證在轉速變化,即頻率變化過程中,電機則有同樣的過載能力,故在恒轉矩調速下的變頻器就是根據這一需要設計,同時也滿足磁通φ基本不變的要求,也可使電機的過載能力保持不變,因此在改變頻率的同時還必須改變電壓,故變頻器常簡寫成VVVF(Variable Voltage Varable Frequenct)。

3 變頻調速技術在電廠中的應用前景

1)目前,發電廠中的各種動力設備中,風機水泵類負載占絕大部分,這些設備的負荷變化范圍很大,所以必須實時調節風機水泵的流量。目前調節流量的方法多為節流閥調節,由于這種調節方法僅僅是改變了通道的通流阻抗,而驅動源的輸出功率并沒有改變,所以浪費了大量的能源。采取變頻調速技術對這些輔機設備進行改造是非常適合的,節能非常明顯。2)直接啟動的交流電機因啟動電流大(通常為5倍～7倍的額定電流),在很短的啟動過程中,鼠籠型繞組或阻尼繞組將承受很高的熱應力和機械應力,致使籠條(或導條)和端環在很高的應力作用下疲勞斷裂。直接啟動時的大電流還會在繞組端部產生很大電磁力,使繞組端部變形和振動,造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損,而導致定子繞組絕緣擊穿。啟動時的大電流還會造成鐵心振動,使鐵心松弛,引起電動機發熱。大容量異步電動機采用軟啟動方式,對于延長電動機使用壽命,減少對電網的沖擊,保證正常生產是非常必要的。由于電動機在變頻啟動過程中可實現高啟動轉矩并且平滑無沖擊,所以采用變頻器作為軟啟動裝置是非常合適的。3)變頻器在電廠控制中的應用。交流變頻調速技術在最近幾年有了很大發展,特別是矢量控制技術的應用,使得交流電力拖動逐步具備了寬的調速范圍、高的調速精度、快的動態響應以及在四象限做可逆運行等良好技術性能,在調速性能方面已可與直流拖動相媲美。因此在電廠中,不僅在節能和軟啟動方面需要變頻器,許多需要精確控制流量、壓力及液位的場所都可以采用變頻器。

4 結語

變頻調速技術是近20年內發展起來的新技術,以它優越的調速性能和完善的保護性能及高效節能,在全國廣泛使用。電廠大部分動力設備都是風機、泵類居多,此類設備調速采用變頻技術,節電效果十分顯著。

[1] 楊濟林.大力推廣變頻調速技術 努力降低機械能耗[J].甘肅電力技術,2002(2):30-32.

[2] 馬葆慶.電動機控制技術[M].武漢:華中理工大學出版社,2003.