大风机调速方式探讨

2021-04-20张煜李金海孙瑞斌丛嘉庆高宇

水泥技术 2021年2期

张煜，李金海，孙瑞斌，丛嘉庆，高宇

1 前言

随着我国电力技术的不断发展，水泥厂高压风机、泵机等耗电量较大的设备的调速方式也有了较大的改进。无论是高压变频调速方式还是斩波调速方式，都对我国的节能减排事业和绿色工厂建设有着重要意义。图1为某水泥工程中使用的斩波调速柜和中压变频调速柜照片。

2 大风机电动机的几种典型调速方式

三相异步电动机的转速公式为：

式中：

图1 斩波调速柜与中压变频调速柜

n——转速

f——电源频率

p——电机的极对数

s——转差率

直流电动机的转速公式为：

式中：

n——转速

U——电枢电压

Ia——电流

Ra——电枢回路总电阻

Ce——电势系数

φ——磁通

电动机常见的调速方式有应用于绕线型电机的串电阻调速、高频斩波调速，应用液力耦合器的调速，应用于变频电机的变频调速。直流电动机常见的调速方式有改变电枢电压、改变电枢电阻和改变磁通三种。随着技术的发展和节能环保要求的提高，串电阻调速、液力耦合器调速基本已经被淘汰。表1为不同调速方式的对比。

目前水泥工程中应用较多的电动机是三相异步电动机，因此本文重点对适用于三相异步电动机的变频调速和高频斩波调速这两种方式作比较。

3 大型风机调速方式比较

3.1 不同调速方式的技术原理

表1 不同调速方式的对比

变频调速技术是通过变频装置改变工频电源的频率，再向定子三相绕组供电，从而改变同步转速的技术。变频技术原理见图2，由图2可见，变频是利用变流技术，从电机的定子侧施加控制，从而改变电机定子供电电源的频率。常见的变频器有“高-低”、“低-高”、“高-高”三种变频方式。水泥工程中的大型中压风机一般采用“高-高”变频调速方式。

斩波调速技术是当电机定子三相绕组接入三相工频电源后，产生旋转磁场，切割转子三相绕组，进而产生三相感应交流电动势和转子交流电流，经滑环、碳刷后，将转子三相感应电流引出至三相全波整流器，整流成上正下负的直流电流。在整流器和有源逆变器之间加入脉宽调制的斩波器电路，采用IGBT器件做周期导通和关断动作。当IGBT导通时，电机转速上升；当IGBT关断时，电机转速下降。斩波调速分为内反馈和外反馈两种方式，图3为内反馈高频斩波调速原理图。

3.2 不同调速方式的应用比较

对水泥工程中的大型风机进行调速时，需综合考虑其投资情况和调速性能。比如一台450kW的风机，厂供电中压等级为10kV时，可以采用变频调速或高频斩波调速，变频电机可以采用690V或10kV的电压等级。450kW风机两种不同调速方式的调速性能比较见表2。

从表2可以看到，高压变频器具备软启动的功能，可以限制启动电流，功率因数很高，调速范围很广，调速平滑。变频调速利用变流技术改变电动机定子绕组侧电源的频率，实现调速目的，因此高压变频器的电压等级要按照定子侧电压进行选择，若变频器的功率大于电动机的功率，则会产生谐波。另外，高压变频器有一定的日常维护量，在运行中有2%～4%的电能损耗，会产生大量热量，因此，需在高压变频室配置空调系统。

内反馈斩波调速则利用的是转子侧的控制，可以避免定子控制的高压问题，控制功率只占电动机功率的40%～50%，效率较高，散热少，谐波低、变流电压低、变流功率小。另外，对于同一规格的电机而言，斩波调速柜的尺寸小于高压变频柜，斩波调速柜配合绕线电机的投资小于高压变频柜配合鼠笼电机的投资（表2中的数据对比是基于450kW风机，若风机功率更大，如水泥工程中的高温风机，其电机功率一般在几千千瓦，则内反馈斩波柜的成本约为高压变频装置成本的50%），但内反馈斩波的调速范围一般为45%～100%，功率因数相对较低，启动电流较大，需要风门配合。另外，绕线电机中的滑环需定期维护，碳刷需及时更换。