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徐甫榮

(國家電力公司熱工研究院，陜西西安710032）

　　摘　要：指出了發(fā)電廠風機水泵調(diào)速運行的必要性和巨大的節(jié)能潛力；討論了各種調(diào)速方式的優(yōu)缺點，并作出了詳細的技術(shù)經(jīng)濟分析。
　　關(guān)鍵詞：風機；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級調(diào)速；無刷雙饋電機

4.3繞線式電動機的串級調(diào)速
　　繞線式電動機的串級調(diào)速，雖然也是通過改變異步電動機的轉(zhuǎn)差率來達到調(diào)速目的的，但它與能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速不同，關(guān)鍵的差別在于對轉(zhuǎn)差功率的處理上。能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速是將調(diào)速中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率變成熱能消耗掉，而串級調(diào)速卻是通過交－直－交變頻器和變壓器，將轉(zhuǎn)差功率反饋回電網(wǎng)，因此是一種高效的調(diào)速方式。
4.3.1普通串級調(diào)速
　　從電機學原理可知，為了實現(xiàn)繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，除了采用在轉(zhuǎn)子回路中串電阻的方式外，還可采用在轉(zhuǎn)子回路中串電勢的方法。這種在轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢進行調(diào)速的方法，稱為繞線式異步電動機的串級調(diào)速。
　　串級調(diào)速的關(guān)鍵是串入到轉(zhuǎn)子回路的電勢Ef的頻率必須與轉(zhuǎn)子電勢頻率f2相等，但f2是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，即f2是由旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0（對應f1）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n決定的，即(圖1)

式中：p——磁極對數(shù)；
　　　　s——轉(zhuǎn)差率。
　　但要串入一個永遠跟隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的電勢Ef是相當困難的。解決的辦法是先把轉(zhuǎn)子電勢整流成直流電勢Ed，再在此直流電路中串入一與Ef相當?shù)目烧{(diào)節(jié)的直流電勢，就可避免隨時改變Ef頻率的困難了。具體地實現(xiàn)串級調(diào)速有下述三種方式：
　　1）由一臺直流電動機與主繞線式異步電動機組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫機械串級調(diào)速系統(tǒng)或叫克萊墨系統(tǒng)。
　　2）由一臺直流電動機、一臺交流發(fā)電機與主繞線式異步電動機組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫電機式串級調(diào)速系統(tǒng)或謝菲爾畢斯系統(tǒng)。
　　3）由變頻器與繞線式異步電動機組成的串級調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)叫晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)或靜止謝菲爾畢斯系統(tǒng)。
　　上述第一種及第二種串級調(diào)速方式過去早有應用。第三種晶閘管串級調(diào)速是一種新的串級調(diào)節(jié)方式，它在目前應用最廣泛，已有取代第一、二種串級調(diào)速的趨勢。
　　與轉(zhuǎn)子串電阻方式相比較，轉(zhuǎn)子串電勢的優(yōu)越性是可以回收轉(zhuǎn)差功率，僅晶閘管等換流器件產(chǎn)生一些不大的損耗，所以繞線式異步電動機的串級調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。
　　晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)又可分為低（次）同步串級調(diào)速系統(tǒng)和超同步串級調(diào)速系統(tǒng)兩種。當串接到繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子上的附加電勢Ef與轉(zhuǎn)子電勢SE20反向時，電動機的轉(zhuǎn)速只能朝電動機額定轉(zhuǎn)速以下的方向調(diào)節(jié)，運行轉(zhuǎn)速恒低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，稱為低（次）同步串級調(diào)速。當Ef與SE20既可同向串接，又可反向串接時，電動機的轉(zhuǎn)速既可高于又可低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，稱為超同步串級調(diào)速，或稱為雙饋調(diào)速。
　　圖19所示為低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其工作原理為：繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)差電勢E2（SE20）經(jīng)三相整流為直流電勢Ed，再經(jīng)電抗器L濾波后，加到三相逆變橋。由晶閘管組成的三相有源逆變橋的作用有兩個：一是從電網(wǎng)為轉(zhuǎn)子回路提供附加直流電勢Eβ，它與外串附加交流電勢Ef相當，因是低同步串級調(diào)速，所以它的方向與轉(zhuǎn)子直流電勢Ed相反；二是把直流電再逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的三相交流電，從而把轉(zhuǎn)差功率Ps通過逆變變壓器T匹配成電網(wǎng)電壓，送回電網(wǎng)。
圖20為超同步晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。它與低同步串級調(diào)速系統(tǒng)的主要區(qū)別是把由二極管組成的整流橋改為由晶閘管組成的可控整流橋，這樣它既可作整流橋用，又可以作為逆變橋使用。當超同步串級調(diào)速系統(tǒng)在低同步范圍調(diào)速時，可控整流橋作用與不可控整流橋完全相同，而在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時，原來的逆變橋成為整流橋，它通過變壓器從電網(wǎng)吸收交流能量，并將其整流為直流電；而原可控整流橋則成為逆變橋，它把直流電變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)子頻率相同的交流電。這樣，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)其定子繞組由工頻電源供電；而轉(zhuǎn)子繞組則由變頻電源供電，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子變頻電源的頻率就可以進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。顯然，繞線式異步電動機的變頻調(diào)速方式與鼠籠式異步電動機的變頻調(diào)速方式不同，后者僅由定子側(cè)供電，而前者是由定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)雙向供電。因此，超同步串級調(diào)速系統(tǒng)又稱雙饋電動機調(diào)速系統(tǒng)。

低同步晶閘管串級調(diào)速方式用于泵或風機調(diào)速時，其主要優(yōu)點為：
　　1）晶閘管串級調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。一般而言，晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的總效率（即電動機和調(diào)速裝置的綜合效率ηZ）應高于鼠籠式電動機及變頻裝置的綜合效率ηZ。這是因為晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，只有轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變頻器；而鼠籠式電動機變頻調(diào)速時，其由電網(wǎng)輸入的全部有功功率都要通過變頻器。所以從通過變頻器的功率損失（稱為換流損失）來看，顯然晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)要小得多。圖14為典型晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的ηZ及cosφ值，ηZ定義為

式中：PB指電網(wǎng)凈輸出，不包括輸入后又輸出的轉(zhuǎn)差功率。
　　2）晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)具有在發(fā)生故障或其它原因時自動切換至額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的功能。故當串級調(diào)速裝置有故障時，泵與風機仍可以繼續(xù)工作。此外，由于晶閘管串級調(diào)速裝置的硅二極管、電抗器、晶閘管、變壓器等元器件要產(chǎn)生電壓降，故串級調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速只能達到原電動機額定轉(zhuǎn)速的95％左右，因此，若要電動機在原額定轉(zhuǎn)速運行，亦需把串級調(diào)速系統(tǒng)從“調(diào)速狀態(tài)”切換到異步狀態(tài)。
　　3）調(diào)速裝置由靜止元器件組成，噪聲小，易于維護，壽命長；當泵或風機的調(diào)速范圍較小時，調(diào)速裝置的容量可大大減小，價格也相應降低。
　　晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)存在的主要問題是：
　　1）晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)低。如圖21所示，在100％額定轉(zhuǎn)速下運行時，系統(tǒng)總功率因數(shù)cosφ還不到0.6；在50％額定轉(zhuǎn)速運行時還不到0.3。造成系統(tǒng)總功率因數(shù)低的主要原因是串級調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管逆變器在工作時需要吸收無功功率。另外還有兩個原因是系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流器的作用，使電動機本身的運轉(zhuǎn)功率因數(shù)變差；系統(tǒng)中電動機和逆變變壓器的電流波形發(fā)生畸變，其電流中的高次諧波分量引起的畸變功率，使系統(tǒng)的總功率因數(shù)變差。后兩個原因所造成的系統(tǒng)總功率因數(shù)降低約10％左右。

　2）產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)有污染。在晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)子回路串接的硅二極管整流器和晶閘管逆變橋，使每相正弦電流畸變而包含著一定分量的高次諧波。高次諧波電流不只對串級調(diào)速系統(tǒng)本身產(chǎn)生不良影響，更重要的是對整個供電系統(tǒng)的污染，使電網(wǎng)的電流波形產(chǎn)生畸變。諧波不僅增大電網(wǎng)及串調(diào)系統(tǒng)的損耗，降低電網(wǎng)及串調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且還使感應電動機的定子損耗與轉(zhuǎn)子損耗增加；使電源變壓器損耗增加，噪聲增大；可能引起母線與補償電容器和線路上的感抗元件發(fā)生共振，而使電容器過熱;可能導致并聯(lián)工作的晶閘管變流裝置相互干擾而控制失調(diào)；給測試裝置和通訊設備帶來電磁干擾。
　　提高功率因數(shù)的措施：
　　1）具有斬波環(huán)節(jié)的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。所謂帶斬波器的串級調(diào)速系統(tǒng)，就是在傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路的二極管整流橋與晶閘管逆變橋電路之間并聯(lián)接入一個斬波器，如圖22所示。系統(tǒng)運行時，逆變器的超前角β固定在最小安全超前角βmin不變，通過調(diào)節(jié)斬波器的占空比實現(xiàn)調(diào)速。因cosβmin值較大，逆變器從電網(wǎng)需要的無功功率減小，故使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，在高轉(zhuǎn)速運行時比一般串級調(diào)速系統(tǒng)高0.2～0.3。目前上海電器成套廠生產(chǎn)的帶斬波器的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的容量已達550kW。