内反馈的说明

高压变频调速和斩波内馈调速在煤矿生产中的应用

刘鹏

焦作煤业(集团)有限责任公司生产管理处454002

摘要：本摘要文简要介绍了变频调速与斩波内馈调速的节能原理，对变频调速与斩波内馈调速在煤矿中的应用进行了分析比较。

关键词：变频调速；斩波内馈调速；煤矿应用；关键词

煤矿是我国的主要能源生产基地，同时也是能源的消耗大户，能耗费用在企业生产成本中占的比重很大。如何以技术进步和技术创新为先导，降低企业的生产成本，提高劳动生产率是煤矿生产企业需要解决的重大课题。高压变频调速和斩波内馈调速正是应对这个课题的新技术革命，煤矿主要电耗设备风机、泵类的调速经济运行如果实现以调速传动代替原有的恒速传动，通过改变转速来调节流量和压力，取代传统的用风挡板和阀门调节的方法，平均可节约电力30%左右，将带来很大的节能效益。目前在高压大功率类负载的电机调速中应用最为广泛的两种调速方式是：变频调速和斩波内馈调速。

高压斩波内馈调速和高压变频调速实质在于功率控制，即电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，而损耗功率控制则是增大转速降，前者是高效率节能型调速，后者则是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，高效率交流调速的关键在于如何控制电磁功率，至于选择定子控制还是转子控制，对煤矿企业来说要根据条件的不同进行比较选择。

变频调速节能原理：电动机的变频调速运行除了能够满足生产工艺要求进行调速之外，还有很好的节能效果。这部分节能并不是因为电动机在调速运行时能够有节能效果，主要是因为电动机拖动的负载在调速运行时所需的功率根据运行的转速有大的变化，变频调速因其在大部分调速范围内效率都很高所以节能效果明显。

例如对于风机负载，为了满足风量的要求，采用节流调节时，风机不能在高效率点运行，自身消耗功率增加，同时节流装置损失了一部分风机输出的功率，

所以虽然风机输出的实用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是风机的输入功率变化不大，导致整个系统的效率因此大幅度降低；采用变频调节后，不存在节流装置的功率损失，可以使风机能始终运行在高效率点附近，同时变频调节自身效率比较高，所以能使整个系统的效率维持在较高的水平，电动机消耗的功率基本上只随着输出实用功率的变化而线形变化。

对于风机和泵类负载，由流体力学知识可知，其输出的功率与其转速的三次方成正比，所以当其转速减小时，其能耗也随着转速以三次方的速率下降，因此节能效果非常明显。

采用高压变频调节除了能够产生良好的直接经济效益外，同时还有以下优点：

1.可以实现空载软启动，启动峰值电流和启动时间大为减少，避免因大启动电流造成的绝缘老化及由于大电动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响，减少电机的维护工作量，节约检修维护费用。

2.对于容量大的电动机，可以节省启动装置的费用，通过变频驱动直接起动。

3.功率因数得以提高，电流减小，可以省去功率因数补偿装置，充分利用变压器系统的容量。

4.节流调节装置全开，减小管道系统内流体压力波动，系统运行稳定性得到改善。

5.变频调节的调节控制性能远远好于节流调节，有利于实现系统的集散控制。

6.变频调节使电动机的转速降低，环境噪音可以得到大大改善。

从功率控制角度来讲，高压变频调速是典型的控制定子电磁功率的调速，是间接控制转子电磁功率的调速。即变频调速实质上是通过同时控制电压和频率来实现高效率的电磁功率控制的调速方案。

煤矿高压变频器改造的可行性分析：以主扇风机为例，主扇风机在煤矿生产中有着重要的地位，随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但井下所需的风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。根据反风及开采后期运行状况来确定的主扇风机及拖动电动机的功率通常远大于煤矿长期开采所需的正常运行功率。存在以下几个问题:

1、电能的严重浪费

大型煤矿的服务年限大多在几十年以上，投产初期到井田稳定开采一般在十年以上，这就以为在主扇风机设计上余量特别大，说明在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于煤矿主扇风机一般采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

2、启动困难，机械损伤严重

主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。

3、自动化程度低

主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。

为了矿井的安全生产和降低生产成本，提升该煤矿的自动化水平，对主扇风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。

调速方案比较：从节能的角度，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速装置的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差动率回馈至电网。低效调速装置的特点是：调速时改变转差，增加转差损耗，下面通过机械特性、调速范围、节能效果、故障处理、投资成本、维护保养、可靠性、性能等方面做个详细比较。

通过比较，高压变频调速以节能效果明显，调速范围宽，维护保养简单，可靠性明显高于其他调速装置，是目前国际、国内高压电机调速的发展趋势，虽然前期投资比起其他的调速装置昂贵，但是从长远角度考虑，投资回报率非常高。

斩波内馈调速节能原理：所谓内馈调速是一种将调速电机的部分转子功率（即电转差功率）移出来，以电能的形式反馈给电机内部的调节绕组的特殊调速

方式，是转子电磁功率控制的调速。电机调速时，转子的部分功率通过电传导馈入反馈绕组，如果忽略损耗，反馈绕组所获得的功率与转子被移出的功率相等，表现在图中，为转子功率圆部分面积与反馈绕组功率圆面积相等。由于转子的部分功率被移出，故转化的机械功率减小，因此电机转速下降。这样，转子被移出的功率越大，反馈绕组的功率就越大，而机械功率就越小，转速就低；反之则机反；当反馈绕组功率为零时，机械功率几乎和转子功率相等，电机转速最高。

“斩波内馈”是一种新型交流调速技术，其突出特性是将数字化的斩波技术与内馈调速电机有机结合，克服了传统串级调速存在的缺点。斩波是电力电子控制中的一项变流技术，其实质是直流控制的脉宽调制，是因其波形如同斩切般整齐、对称，故名斩波。斩波的性质是强电的数字控制，根据控制对象的不同，分为电压斩波和电流斩波，前者的斩波器串联在电路中，又称串联斩波；后者的斩波器则并联在电路中，所以称为并联斩波。在斩波内馈调速系统中应用的是电流斩波。斩波器对功率的控制是通过改变电流平均值实现的。斩波器通常以“恒频调宽”方式工作。在电力流连续条件下，斩波电流和反馈电流互补。流经斩波器的电流，既是产生机械功率的电流，而转速与机械功率成正比，所以改变斩波器电流就可以正比改变电机转速。

根据电机调速的理论，内馈调速的实质在于将转子的部分电磁功率移出，使余下的转子功率转化为机械功率，因此移出的功率越多，转化的机械功率越少，电机转速则越低。因此，改变移出功率的多少，即可控制机械功率大小，电机转速便得以调节。

斩波实际是变流主电路的数字控制。变流控制是交流调速的关键，关系到调速效率、功率因数、可靠性及其它技术性能，是近代交流调速研究开发的重点方向。斩波控制的目的是克服移相控制存在的缺点。实践表明，斩波控制不仅有效地解决了移相控制的功率因数低、谐波畸变大等问题，同时，有源逆变器的最大容量可减小到电机额定容量的14.8%，而且触发脉冲被固定在最小逆变角处，不再移动，这样，就从根本上解决了最为头疼的有源逆变器可靠性问题。这种斩波电路巧妙地解决了晶闸管的关断问题，可靠性高，效率高，使内馈调速摆脱了移相控制的束缚，形成斩波+内馈的优化组合。

斩波内馈调速与高压变频调速的技术指标对比：