摘 要： 本文介紹了斬波內饋調速系統的原理、特點及其在山西天石電力有限公司的節能運行情況。 關鍵詞：P理論 斬波內饋調速 高頻逆導 山西天石電力有限公司位于山西省靈石縣,于1998年12月經國家工商總局和山西省人民政府批準成立的中日合資企業，是由山西國際電力集團有限公司、日本國電源開發株式會社、靈石縣電力開發有限責任公司、雙日（中國）有限公司按49：24：15：12的投資比例組建而成，是山西省第一座循環流化床環保資源綜合利用煤矸石發電示范工程。 公司現有裝機容量2×25MW（一期工程），1#機組于2000年12月31日投產，2#機組于2001年5月18日投產。兩臺發電機組經過升壓變壓器后通過110KV輸電線路分別與靈石變電站和綿山變電站并網。公司十分注重環境保護，發電用燃料為當地洗煤廠的廢棄物煤矸石，平均低位發熱量2500 kcal/kg左右,采用爐內加石灰石粉脫硫技術，安裝了高壓靜電除塵＋布袋復合式除塵器,煙塵排放僅27.07 mg/Nm3,收集的粉煤灰制成粉煤灰加氣砌塊磚, 2006年投資585萬元將現有兩臺凝汽式機組改造為抽汽式機組，建設供熱首站，對靈石縣靜升區的實施集中供熱，實現了熱電聯產。 實施熱電聯產之前，廠內風機、水泵一直靠調節風門、閥門來適應工況變化，如果能采用高效率、低投入的交流調速取代風門、閥門的調節方法，可以使廠用電成本大幅降低。恰巧廠內實施熱電聯產改造，由于供熱負荷變化大，為此決定在此項目上先期實施，經過多方考察論證，對各種調速設備進行理論計算、節能效果、性價比等的比較分析后，于2006年對1#供熱循環水泵355KW/6KV交流異步電動機實施了斬波內饋調速技術改造，經調試于當年11月正式投入使用，至今運行狀況良好，取得了明顯的節能效果。 一、斬波內饋調速技術原理與特性 斬波內饋調速是融“斬波控制”和“內饋電機”兩項專利技術于一體、以低壓（通常約為200～500V）控高壓（6KV～10KV）的新型、高效率高壓電機調速技術。該技術可在6KV、10KV中、大容量的風機、泵類節能調速中應用。 1.1 斬波內饋調速及其功率控制原理（P理論） 1.1.1功率控制原理（P理論） 根據圖1異步電動機功率圓模型，電機的轉速按力學定律表達為： 式中： Ω 為機械轉速， PM 為電動機輸出的機械功率， Tfz 為電動機的負載轉矩 顯然，負載轉矩是由機械負載性質所決定的客觀存在，不能成為調速控制量，因此惟有控制機械功率才能實現調速。 根據電機學，電動機的機械輸出功率： 式中：Pem 為電磁功率， △p2 為轉子損耗功率 公式（3）表明，電機轉速的調節可通過電磁功率或損耗功率控制而獲得。 由此而提出了電機的功率控制原理（P理論）——電機交流調速的實質在于控制其機械功率。改變機械功率的主要機理有兩種：電磁功率控制和損耗功率控制。電磁功率控制改變的是理想空載轉速，是高效節能型調速；損耗功率控制方式是增大的轉速降，是低效耗能型調速。 1.1.2內饋調速技術原理 內饋調速技術是一種基于轉子的高效率電磁功率控制調速技術，與變頻調速的調速性能基本一致，同屬于電磁功率控制，只是控制對象不同。其原理是定子傳輸給轉子的電磁功率中的一部分移出去，定子傳輸的電磁功率不變，但移出的電功率可以任意控制，通過附加電勢直接改變轉子的電磁功率，電機轉速就可以得到控制。 內饋調速巧妙的在異步機的定子上加設一個內饋繞組，專門用來接收轉子移出的功率，內饋繞組工作在發電狀態，它把接收的電功率又通過電磁感應，反方向傳輸給定子繞組，使定子的輸入功率減小，與機械輸出功率平衡，實現了高效率的無級調速，回避了定子高壓，實現了高壓電機低壓控制，技術簡單，具有高效、節能、經濟、可靠的特性。 內饋調速的功率控制原理如圖2所示。 1.1.3 斬波技術——高頻逆導 斬波是變流裝置中主電路直流電壓、電流的數字控制方法, 即按一定的頻率、周期性地接通和關斷斬波器（通常采用大功率半導體器件晶閘管或晶體管），即通過控制斬波器開關的導通時間（即占空比），實現對直流電流的控制，進而實現了對功率的控制。 斬波技術在內饋調速中的應用，使得整個調速系統特性得到很大改善，斬波是斬波內饋調速系統的核心技術，斬波技術的先進性、可靠性成為衡量該系統的重要指標。目前普遍采用的有晶閘管斬波技術和晶體管斬波技術（典型代表為IGBT，絕緣柵雙極型晶體）。由于晶閘管與晶體管在技術性能、工藝上都存在顯著不同，使得二者在不同領域的應用上各具優勢。在大功率斬波應用中，晶閘管存在明顯優勢。大容量晶閘管可制成單一芯片，過流承載能力強，控制簡單，散熱性能好，需輔助關斷；而大容量晶體管為多芯片并聯，過流承載能力差，控制復雜，散熱效果差，可自行關斷。綜合各項指標，晶閘管更適用于電壓、電流及其變化梯度大的斬波系統。 誠如國外權威專家總結的：“最理想的導通器件是晶閘管，而最理想的關斷器件是晶體管”。高頻逆導晶閘管是專門為斬波控制而研制的特種晶閘管，結合了晶閘管、晶體管二者的優點被認為是最適合應用于斬波的大功率半導體器件，該器件在斬波技術中的應用使得斬波內饋調速技術在可靠性及其他技術性能上有了質的飛躍。 二、斬波內饋調速系統技術特點 斬波內饋調速是專門為風機泵類調速而設計的新型交流調速產品，突出技術創新是電機和控制。其典型特點有： （1）效率高，可達99.87%。 （2）結構簡單，占地面積小。 （3）電流波形諧波小，<5%. （4）有源逆變器的功率因數可達0.9，且恒定不變。 （5）逆變電流的諧波有效值可以降低到移相控制的15％左右。內饋電機的定子電流畸變＜5%. （6）有源逆變器的額定容量僅為電機容量的14.8%，使可靠性大為提高。 （7）內饋繞組容量為電機容量的14.8%，對于內饋調速電機，可大大減小內饋繞組所占的鐵心空間，簡化工藝，降低成本。 斬波內饋調速與其他調速方式的比較，具有以下優點： （1）價格低廉，只是變頻調速的1/2—1/3。 （2）運行可靠，連續無故障運行10000h以上。 （3）調速效率高，η=99.87%，比變頻及雙饋均要高出1％—2%. （4）節電效果更顯著，內饋調速平均節能可達50%，變頻調速平均節能只有40%。 （5）諧波污染小，電流畸變率＜5%，而且由于轉子的隔離作用不會反饋至電網，無污染，是綠色環保產品。變頻調速的諧波高達30%-40%，而且直接污染電網，需加裝濾波裝置。 （6）控制功率小，由于是在轉子側實施調速控制，而轉子電壓較低，其控制功率只為電機功率的40％—50%。變頻調速是在電機網側控制，直接承受電源電壓，控制功率要大于電機功率，一般為1.2—1.3倍的電機功率。 （7）體積小，結構簡單，無外附變變壓器。變頻調速系統龐大，高壓變頻調速一般為“高一低”或“高一低一高”系統，需配置1—2臺變壓器及相應的高壓開關柜，占地面積大，價格昂貴，效率低。 （8）有源逆變器的容量大為減小，對于風機泵類負載，容量可由移相控制的60％Pe減小到15％Pe，逆變電流減小，從而減小換向重疊角，進一步提高了有源逆變器可靠性。 （9）電機與普通繞線電機全面兼容（外形、安裝尺寸、滑環等）。 三、斬波內饋調速應用分析 我公司采用的即是由高頻逆導晶閘管作為斬波器的CTK-1A型斬波內饋調速系統，該系統由YQT2450-4 6KV 355KW內饋調速電機和CTK-1A型高頻逆導斬波內饋調速控制裝置組成。 CTK-1型斬波內饋調速系統具有以下特點： （1）采用斬波—有源逆變器的變流主電路，使系統具有最高的功率因數和最小的電流畸變率。 （2）采用高頻逆導斬波技術，提高了斬波可靠性，降低了系統電磁噪音。 （3）采用PLC邏輯操作和控制，微機使運行更加可靠性。 （4）具有完善的各種保護功能，如過壓、失波、缺相等各種保護。 （5）起動方式靈活，具有自動軟加速轉至調速或全速功能，啟動電流沖擊小。 （6）可實現抗干擾的遠方給定和自動閉環控制功能。 （7）具有無機械傳感的速度顯示。 （8）調速運行時，控制裝置發生故障可發出故障信號并自動轉入停機或全速方式運行。 （9）設備故障率低，易于維護。 應用斬波內饋調速與全速閥門調節運行情況對比見下表。 該泵設計供熱能力為30萬平米，在第一采暖期實際供熱約10萬平米，采用調速泵供熱對現實（我廠實際情況）節能效果十分明顯高達70%，滿負荷供熱時節能效果還有待進一步驗證。 斬波內饋調速在我公司投人應用以來，運行一直較為穩定可靠，節能效果明顯。實踐證明，該系統與高壓變頻調速相比，價格低廉、調速效率高、設備結構簡單、投資回收期短，具有很強的實用性和經濟性，確實是電力、冶金、石油、化工、水泥、煤礦、供水、供熱等行業交流電機（風機水泵類負載）節能的理想之選。