??? 摘要：
??? 闡述中壓變頻器技術(shù)和內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)特點，從技術(shù)、經(jīng)濟等方面對其進行比較，分析主要特點和節(jié)能效果。
??? 關(guān)鍵詞：變頻；內(nèi)反饋；調(diào)速；比較
??? 變頻技術(shù)的發(fā)展提高了工業(yè)電氣傳動的水平，提高了設(shè)備工作效率。內(nèi)反饋斬波調(diào)速技術(shù)也以其獨特的結(jié)構(gòu)、性能在工業(yè)電氣傳動領(lǐng)域占有不可或缺位置，本文就這兩種設(shè)備作一個簡要比較，以供有關(guān)工程技術(shù)人員在選擇調(diào)速裝置時參考。
??? 1 結(jié)構(gòu)特點
??? 1．1變頻器的性能、結(jié)構(gòu)特點
??? 高壓變頻器，根據(jù)其設(shè)計指導(dǎo)思想的不同，性能是有差別的。簡單來說，變頻器的頻率精度高、能實現(xiàn)的調(diào)速范圍大，所以，凡是對轉(zhuǎn)速精度要求高、調(diào)速范圍寬的系統(tǒng)，選擇變頻調(diào)速；但是，由于電動機對波形要求以及電網(wǎng)對諧波指標(biāo)的限制，在制造變頻器時，不得不采用由許多逆變器串聯(lián)以獲得接近于正弦波的方案以及采用具有多二次繞組的移相變壓器以便盡量減少諧波電流的影響。這就使得在構(gòu)成變頻器時，需要多得多的電力電子元件，如：整流模塊、IGBT模塊、電解電容器等。其次是高壓變頻器的電力電子元件，在使用中都對地帶高壓，如10KV的變頻器，元件對地的電壓是5KV多，這些元件在工作過程中，必然使周圍空氣中的灰塵吸附其表面，造成元件帶電體通過表面絕緣對地爬電，影響可靠性能。由于上述問題的存在，必然對變頻器的工作環(huán)境提出很高的要求，如溫度要適中、塵埃要少等。
??? 1. 2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成
??? 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是在原有的開關(guān)和電機之間增加一臺高壓變頻器，如圖1
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圖1高壓變頻器原理圖
??? 其中的電機是普通的感應(yīng)式交流異步電機,變頻器是調(diào)速系統(tǒng)的核心,常用的“高-高”電壓型變頻器原理如圖2。它由變壓器和一些整流逆變功率單元及相關(guān)的控制、測量、保護、調(diào)解等回路組成。三相高壓電流經(jīng)變壓器的隔離、降壓、分組，向各功率單元的整流器供電，由逆變器控制下逆變，然后進行疊加、輸出，帶動電機運行。
??? 1．2內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點
??? 內(nèi)反饋斬波調(diào)速系統(tǒng)，已由最初的移相控制發(fā)展到現(xiàn)在的斬波控制，尤其是大功率IGBT模塊在斬波調(diào)速裝置中的應(yīng)用，使這種裝置的性能和可靠性得到了大幅度的提高。就目前使用最多的IGBT—SCR型內(nèi)反饋調(diào)斬波速系統(tǒng)為例，說明內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的特點。圖3是內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)的原理簡圖，其中的電機是一種針對內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)設(shè)計的繞線式電機，它的定子繞組除接在相應(yīng)的電源上之外，還設(shè)有反饋繞組，用來接受轉(zhuǎn)子的移出功率Pes,內(nèi)饋控制是內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)的核心部分,圖4是斬波內(nèi)反饋控制系統(tǒng)原理圖,主要是由整流、斬波、逆變等幾個部分組成。當(dāng)定子繞組通入交流電時，在轉(zhuǎn)子中有感應(yīng)電勢產(chǎn)生，經(jīng)過滑環(huán)碳刷引出到整流器、斬波器使電機轉(zhuǎn)動，多余的功率（實際是轉(zhuǎn)子移出功率Pes）經(jīng)過逆變其送入定子的反饋繞組中?？刂茢夭ㄆ鞯膶?dǎo)通時間，就能控制轉(zhuǎn)子移出功率Pes，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖4是 COSON-NK系列斬波調(diào)速裝置系統(tǒng)圖。限于篇幅，關(guān)于斬波器控制細(xì)節(jié)，這里不作詳細(xì)講述。
圖2內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)圖
圖3 COSON-NK系列斬波調(diào)速裝置原理圖
??? 2 結(jié)構(gòu)比較
??? 高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)用的電機是普通的感應(yīng)式交流異步電機。高壓變頻器串聯(lián)在電源和電機之間，高壓變頻器的功率大于電機的功率；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)用的電機是特殊的繞線式電機，斬波控制器是接在轉(zhuǎn)子和內(nèi)饋繞組之間。
??? 變頻器是建立在現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的高技術(shù)產(chǎn)品，元器件技術(shù)含量高，模塊化結(jié)構(gòu)，要求嚴(yán)格，需復(fù)雜的軟件支持；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)用的元器件相對較成熟，大功率晶閘管結(jié)構(gòu)，軟件支持相對簡單。
??? 高壓變頻器由大于電機功率的變壓器和功率單元組成，因此體積大，占地多；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)控制功率統(tǒng)控制功率小于電機功率，一般相當(dāng)于電機功率的1/3左右，因此體積小，占地少。
??? 高壓變頻器控制功率大，發(fā)熱量大，需要散熱功率大；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)控制功率小，發(fā)熱少，散熱功率小。
??? 高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)維護難度大、維修成本高，但電動機的維護量較少；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)維護比較簡單、維修成本低，但電動機的維護量相對較多。
??? 3 性能比較
??? 不論高壓變頻器還是內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)，都能夠滿足運行生產(chǎn)需要。變頻器使用較早，高壓變頻器技術(shù)先進，多數(shù)是進口設(shè)備進口技術(shù)，軟件技術(shù)含量高，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)管理。內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)起步較晚，屬我國自己的技術(shù)。目前，采用IGBT制作斬波器及采用SCR制作逆變器的內(nèi)饋斬波調(diào)速裝置，其電性能指標(biāo)和可靠性都有極大提高。內(nèi)饋斬波調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果及投資回報方面，遠(yuǎn)高于高壓變頻調(diào)速。
高壓變頻器與內(nèi)反饋斬波調(diào)速裝置性能比較見表1。
表1? 高壓變頻器與內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)性能比較表
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高壓變頻器???????????????? |
斬波調(diào)速裝置 |
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控制功率 |
1．?高壓變頻連接在電動機的定子回路，它的控制是電動機額定功率的125%，
2．?按效率95%計算，損耗達到50KW（對于1000KW負(fù)荷） |
1．?斬波調(diào)速裝置連接在電動機的轉(zhuǎn)子回路，他的控制容量是電動機額定功率的25%左右
2．?實際損耗約10KW左右，所以效率高于高壓變頻器 |
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功率因數(shù) |
0.9—0.95 |
裝置內(nèi)部無功補償可達到0.9 |
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效率 |
95% |
98% |
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諧波影響 |
對電網(wǎng)諧波影響5% |
對電網(wǎng)諧波影響4% |
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干擾 |
對其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，對某些自動控制系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾 |
對其它設(shè)備不產(chǎn)生電磁干擾 |
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對電動機
的影響 |
對電動機絕緣損害較大，絕緣提前老化；電動機產(chǎn)生軸電壓，軸承容易損壞 |
沒有這種問題 |
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啟動性能 |
軟啟動 |
軟啟動 |
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過載能力 |
120% |
200% |
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故障影響 |
1．?高壓變頻故障時，旁路斷路器合上，電動機轉(zhuǎn)速快速上升到全速，對工藝嚴(yán)重沖擊；
2．?電動機沒有了軟啟動功能 |
1．?斬波調(diào)速裝置故障時，電動機轉(zhuǎn)速經(jīng)特殊切換裝置,在5—10分鐘內(nèi)逐步上升到全速，繼續(xù)運行，對工藝影響小；
2．?電動機仍可以軟啟動后全速運行 |
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維修性 |
高壓變頻器發(fā)生故障，一般用戶難以自行維修，而且備件費用高 |
斬波調(diào)速裝置發(fā)生故障，用戶技術(shù)人員有條件自行處理，而且備件費用低 |
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調(diào)速范圍 |
5-100% |
30-100%，對于離心式風(fēng)機完全足夠 |
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裝置尺寸 |
5米—10米×1400×2200 |
2.7米—5.4米×1000×2200 |
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適用
電動機 |
適用于變頻電動機? |
適用于繞線式電機
或內(nèi)反饋電動機 |
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開關(guān)設(shè)備 |
高壓斷路器3臺(多2臺高壓斷路器) |
高壓斷路器1臺 |
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控制室
條件 |
1．?占地大；
2．?環(huán)境要求高，空調(diào)、無塵 |
1．?占地只有高壓變頻的50%；
2．?環(huán)境溫度40℃，無嚴(yán)重灰塵 |
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總投資 |
大 |
約為國產(chǎn)高壓變頻器的60% |
??? 4 經(jīng)濟性比較
??? 建設(shè)投資:高壓變頻器多數(shù)是進口設(shè)備,容量大,技術(shù)先進,必然價格高,一般在1000元/KW；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)使用容量較小,價格相對較低,般低于600元/KW,以改造一臺1000KW電機為例,使用內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)比使用高壓變頻器少投資40萬元左右。
??? 節(jié)能效果：高壓變頻器有大于電機功率的整流變壓器和許多功率單元，自身消耗功率大，因此總效率在90%-94%之間；內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)無大功率變壓器，控制功率小，自身消耗率小，效率在98%以上。同樣以一臺1000KW電機為例，假設(shè)年運行6000h，在其他條件相同時，高壓變頻器比內(nèi)饋調(diào)速多用電18萬KWh..
??? 5 結(jié)論
??? 高壓變頻系統(tǒng)和內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)采用不同的控制原理，都能實現(xiàn)高壓電機調(diào)速節(jié)能運行，都能滿足生產(chǎn)需要，但各有千秋，不能相互取代。在低壓小容量電機調(diào)速時，選用變頻器調(diào)速，無可非議。在中、高壓大容量電機調(diào)速系統(tǒng)中，要根據(jù)各自的選擇原則確定首選對象。在注重轉(zhuǎn)速精度要求極高、速度變化范圍大的場合，可優(yōu)先考慮選用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)；
??? 經(jīng)過幾年來不斷的完善改進和新元器件的采用，內(nèi)反饋斬波調(diào)速裝置的性能有了質(zhì)的提高，尤其采用了特殊切換裝置的斬波調(diào)速裝置，即使在裝置內(nèi)部故障時，也能實現(xiàn)電動機的無擾動切換及連續(xù)運行。所以，當(dāng)注重投資回報、經(jīng)濟效益時，可考慮選用內(nèi)饋斬波調(diào)速系統(tǒng)。
??? 參考資料：胡崇岳? 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)???
???? 吳民強? 泵與風(fēng)機節(jié)能技術(shù)問答?
???? 童詩白? 模擬電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)
??? 河北玖翔節(jié)能技術(shù)有限公司產(chǎn)品手冊
??? 作者簡介：王宏? 男，工程師??? 主要從事高壓電機運行，供配電設(shè)備的運行及管理工作。
