发电厂高压电机调速方式的选择和应用

孟江红

（山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001）

发电厂高压电机调速方式的选择和应用

孟江红

（山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001）

论述了高压电机的调速方式，通过对高压变频调速和高频斩波调速的技术原理分析，以及两种调速方式的节能比较，提出了调速装置的适用范围。

高压电机；变频；调速；节能

0 引言

我国人口众多，能源资源相对匮乏，发电成本随着煤炭等主要资源材料的大幅度上涨而节节上升，能源紧缺已成为我国经济发展的瓶颈，节约能源已势在必行。在火力发电厂中，风机和水泵是主要的耗能设备，通常情况下其输入能量的15%～20%被电机和风机或水泵本身所消耗，约35%～50%的输入能量被挡板或阀门节流所消耗，因此对发电厂的风机和水泵进行节能改造具有很大的潜力。

1 大功率高压电机的调速方式

按照理论分析，由交流电动机驱动的风机和泵类都是平方转矩负载，其功率与转速的立方成正比［1-2］，当电机转速降低1/2时，所需功率降至原来的1/8，由此可见调速对节能具有重要意义。

交流异步电动机的转速公式为

式中：n——转子转速；

f——电机定子频率；

s——转差率；

p——级对数。

由此可知，改变转速可采用以下措施：改变定子供电频率f，改变转差率s，改变级对数p。

大功率高压电机的主要调速方式有以下几种：串级滑差调速、液力耦合器调速、变级调速、高频斩波调速、高压变频器调速等。

1.1 串级滑差调速

串级滑差调速是通过将异步电机部分转子能量回馈到电网，从而改变转子滑差来实现调速。其优点是：可以回收转差功率，安全可靠性高，易于维护检修。缺点：功率不能做得很大，调速范围有限，功率因素和效率低，不易实现同PLC、DCS等控制系统的配合。适用于绕线式异步电机，属落后技术。

1.2 液力耦合器调速

液力耦合器是一种利用液体介质传递转速的机械设备。其缺陷：液力偶合器是一种耗能型的机械调速装置，转速越低损耗越大；调速精度差，存在严重的非线性；液力耦合器故障时必须停电检修；高速运行时液力耦合器有丢转现象，严重时会影响正常运行。

1.3 变级调速

通过改变电动机定子绕组级对数来改变电动机转速，只能实现有级变速，调速范围2～4级，需使用专用电动机。

1.4 高压变频器调速和高频斩波调速

目前三相异步高压电机调速领域，主要有变频技术和高频斩波调速技术，两种技术都是用电力电子技术进行交、直流电力的变流，都属于变流技术。

2 高压变频调速技术

2.1 高压变频器调速节能原理

变频调速是用变频电源改变电动机定子绕组的频率，从而改变同步转速来实现调速。其节能原理如下。

通过流体力学的基本定律可知:风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、扬程H以及轴功率P具有如下关系。

式中：Q0，H0，P0—— 额定转速n0下的流量、扬程（压力）和轴功率。

对于电厂而言，当用挡板调节风量，要求风量在80%左右时，风机消耗功率一般在90%左右，而当采用变频控制时，消耗功率为80%×0.3≈50%，和常规相比节能效果明显。

如图1所示，当采用挡板控制流量（设转速为n1）风机运行特性曲线由（3）变为（4），使流量Q1减少到Q2，工作点由原来的A点移至B点，节省能耗为A Q1OH2和B Q2OH1的面积差，节能有限；而当采用变频调节时，转速从n1转为n2，电机运行曲线由（1）变为（2），工作点由原来的A点移至C点，节省能耗为A Q1OH2和C Q2OH3的面积差，节能效果显著。

图1 流量Q、压力H特性曲线随转速变化曲线示意图

2.2 高压变频装置的分类及特点

根据输出电压方式分为：高-高型和高-低-高型两种变频方式。

高-低-高型变频器使用低压变频器需增加变压器、无功补偿器、谐波滤波器，变频实现控制复杂，可靠性较低，且设备占地较大。在技术上不具有先进性，造价较低廉。

高-高型变频器：采用单元串联方式（IGBT），利用移相叠加原理（移相变压器） 有效抑制谐波干扰使输出波形近乎正弦波形。其具备以下优点：无需增加任何输出滤波或功率补偿装置；效率可高达97%，功率因数高，在无需任何补偿装置的情况下大于95%（负载＞20%）；没有谐波引起的脉动转矩产生，可避免负载共振，延长电机和机械设备的使用寿命；可使主电机、电缆绝缘免受dv/dt应力损伤；电机不受共模电压的影响；电机电缆在压降允许范围内无任何长度限制；对电网不产生污染；主器件采用冗余设计可靠性高，可以适应极端工况；功率单元自动旁路功能，提升供电的可靠性；瞬时停电不停机功能，电源电压发生瞬时降压或停电（5 s以内），变频器不停机。在电源电压恢复后立即重新加速，并恢复原状。电源瞬停，300 ms以内，变频器不会停止运转。其接线如图2。

图2 高-高型变频配置方案

变频器效率与输出频率、电流的对应关系，见表1。

表1 变频器效率与输出频率、电流的对应关系

3 高频斩波调速技术

与变频调速技术不同，高频斩波调速技术从电机的转子侧施加控制，其本质是控制转子的电流。高频斩波调速是近年来随着当代电力电子器件的进步和交流调速技术的革命，并融合微机控制技术而发展起来的新方法，是我国独有技术。高频斩波调速是将变流装置接在电机的转子回路，它将交流电转差功率进行整流，通过IGBT器件的高频斩波，改变了转子绕组中的交流电势，通过控制转子电流，实现工况需求的电机调速；同时将节减的电流逆变成工频（50 Hz） 再回馈到电机内部进行循环利用。由于变流装置的逆变电路为有源逆变，所以在变流装置中引入了直流附加电势，因此，转子变频的变流装置是一种双向变频装置，一方面将转子电转差功率逆变成工频回馈电机内部进行循环利用，另一方面将直流附加电势转变为与转子频率相同的交流附加电势，达到改变转子电流完成电机调速的目的。由于电机的机械功率（轴功率） 通过轴输出给负载（风机，水泵），所以转子绕组输出的功率只含转差功率。这样，转子变频的变流装置仅控制转差功率（4/27），加之转子电压远低于定子电压，因此转子变频的控制电压低，控制功率小，损耗小，节电率高。

4 高压变频调速与高频斩波调速的对比

以下对两种方案就几个关键技术问题作逐一对比，见表2。

表2 高压变频调速与高频斩波调速的对比

5 高压变频调速与高频斩波调速在电厂中的应用

5.1 节能效果

从两种调速装置原理可以看出，高压变频调速与高频斩波调速一样，均为可供选择的节能调速设备，从实践来说节能效果也基本相当。

5.2 设备情况

两种调速装置均有多个生产厂家生产，供货业绩也不少。但高压变频调速装置的生产厂家及供货业绩均远高于高频斩波调速装置。目前高压变频调速装置在电厂送、引风机、给水泵、凝结水泵等辅机中应用较多，调速、节能效果良好，但价格较高（进口设备1 000～1 200元/kW,国产设备700～800元//kW）。高频斩波调速装置必须使用绕线式电机，有电机滑环、碳刷运行维护的问题，并需购置专用的内馈电动机。专用的内馈电动机与控制装置也存在配合问题，但价格较低（500～600元/kW）。

6 结论

变频调速具有高效率、宽范围和高精度的性能且规格齐全，可以满足各种不同需求，适用范围广，是最具发展前途的理想调速方法。

高频斩波调速装置具有结构简单、效率高、成本低的优点。在高电压、大容量的水泵、风机用绕线电动机调速中，显示出突出的优势。

在新建工程中，2 000 kW以下的电动机两种调速装置均可。但额定功率在5 000 kW以上高频斩波调目前没有产品，只能选用变频调速。

在改造工程中，原电机为鼠笼式且不更换电机的情况下，则只能选用变频调速，但需考虑其对占地及环境的要求。

［1］ 杨兴瑶.电动机调速的原理及系统［M］.北京：水利电力出版社，1995:229-363.

［2］ 白恺.火电厂大型电动机应用变频调速技术的可行性［J］.华北电力技术，1999（11）：17-23．

［3］ 陈剑光.高压电动机调速方式的研究［D］.导体及电气设备选择文集.2007：75-82.

The Choice and Application of Speed Control Mode of High Voltage Motor

MENG Jiang-hong
（Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute，Taiyuan，Shanxi030001，China）

It elaborates the speed control modes of high voltage motor.Based on the comparison between high voltage frequency conversion mode and chopper-controlled high frequency speed control mode,the applicable scope of the speed control device is proposed.

high voltage motor；frequency conversion；speed control；energy conservation

TM31

B

1671-0320（2011）04-0053-04

2011-04-12，

2011-05-23

孟江红（1968-），女，河北高阳人，1991年毕业于太原工业大学电力分院电力系统及其自动化专业，工程师，注册电气工程师，从事发电厂及变电站设计工作。