变频调速的应用研究

硕士学位论文变频调速的应用研究

姓名：于娣申请学位级别：硕士

专业：控制科学与工程；控制理论与控制工程

指导教师：梁伟平

2011-03

华北电力大学硕士学位论文

摘 要

本文以大力推广变频调速技术为目的，主要对泵与风机类负载的调速技术进行了分析研究。泵和风机类电动机在实际运行过程中耗电量较大且运行效率低下，蕴藏着巨大的节能空间。采用变频调速后，不仅获得了相当可观的经济效益，而且提高了运行设备的安全性和可靠性。面对世界能源短缺的现状，变频调速技术的研究应用有着重大的现实意义和巨大的社会、经济效益。

论文回顾了变频调速技术的发展和现状，详细介绍了变频调速的基本理论，并针对泵与风机类负载的机械特性进行了节能分析。对内反馈调速、水电阻调速、永磁调速和液力耦合器调速的原理和性能进行了简单介绍。根据使用各种调速方法的相应单位进行了实地调研，主要包括对应用不同调速方法的电机的运行工况的记录和对相应单位实施不同调速方法的改造或筹建资料的搜集。通过对实验数据的筛选、分析，总结了各种调速方式的优缺点、适用范围以及实际应用效果，最终得出变频调速技术在安全性、可靠性和经济性的综合性指标中占据相当大的优势。

变频调速在安全性和经济效益方面效果最为突出。变频技术发展比较成熟，应用过程中出现的问题容易解决，直接节电率可达10%-50%，投资回收周期短，一般两年就能收回投资成本，日常维护费用低，技术发展较快，为降低高昂的初始投资提供了可能。其可靠性相对来说也是非常高的。另外，变频调速适用范围最广，笼型和绕线型电机均能使用，而且对电机容量大小、电压高低没有，这也非常有利于变频调速的推广。

本文最后对变频调速技术产生的谐波问题进行了简单介绍。主要包括谐波产生机理分析、谐波带来的多方面的危害以及谐波抑制的方法。

关键词：变频调速；水泵；风机；节能；谐波

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Abstract

The purpose of this thesis is to popularize frequency control technology.The thesis mainly researched speed control technology on the pump and fan.In practice, the motors of pump and fan had greater power consumption and lower operating efficiency, holding a vast space of energy conservation.It not only gained considerable economic benefits, but also improved safety and reliability of the operational equipment.In the face of the shortage situation of world's energy,research and application on frequency conversion technology was full of great practical significance and great social and economic benefits.

The thesis reviewed the development and current status of frequency control technology,detailed the basic theory of frequency conversion and energy-saving on mechanical property of the pump and fan.In connection with speed technology about internal feedback, water-resistance, permanent magnet and hydraulic coupling,the thesis presented their principles and performance. According to surveying and researching the speed control methods which the firm used,the work included collection as for operating condition of different speed control methods of motor and gathering the data about transformation of speed technology. By selecting experimental data, generalized the advantages and disadvantages ,scope of application and practical effect. Ultimately,we obtained the results that frequency control technology hold a considerable advantage in comprehensive indicators on safety,reliability and economy.

Frequency control technology is the most prominent in terms of security and economic effects.Frequency technology was relatively mature, the problems in the application process been easy to solve,the rate of saving energy been 10%-50%,recovery period of investment been short, it usually recovered the investment cost in two years,the costs of maintenance been low, it been possible that reduced the high initial investment with rapid technological development.The reliability of frequency control was credible relatively.In addition, the frequency control had the widest range,the motor of squirrel cage and wound being available, and the size of the motor capacity, the voltage level being no limit, which is very conducive to the promotion of frequency control.

Finally, the harmonic generated by frequency conversion technology were introduced briefly,including analysis on the mechanism,the wide range of harms and the method of suppression.

Keywords: Frequency Conversion；Pump；Fan；Energy saving；Harmonic

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华北电力大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《变频调速的应用研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。

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华北电力大学硕士学位论文使用授权书

《变频调速的应用研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及其意义

随着电力电子技术的迅猛发展，交流调速技术成为我国电力传动的主要发展方向，其带来的技术经济效益日益显著。由于目前尚未有对变频调速与其他调速技术，如内馈式调速、水电阻调速、液力耦合器调速、永磁调速等进行较全面的研究和具体的比较，所以以此为课题，并于2009年5月份到10月份期间对应用各种调速方式的相应单位进行了实际调研，主要包括浙江浙能北仑发电有限公司引风机系统的变频调速改造、国电怀安热电厂1号机组凝结水泵系统变频调速改造、秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵内馈式调速改造、浙江长兴发电有限责任公司#2炉脱硫增压风机液体电阻调速方式的改造和嘉兴发电有限责任公司锅炉排渣系统高压水泵的永磁调速改造。经过调查研究与实际应用分析可知变频调速是一种安全性好、技术性能稳定、节能效果显著、自动化程度高的交流电动机调速技术，在国民经济工业生产、交通运输和家用电器中的应用非常广泛。

《中国21世纪议程》指出：“能源工业作为国民经济的基础,对于社会、经济的发展和提高人民生活水平都极为重要。”在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。面对我国能源利用率低下的状况，我国“十一五”规划提出了不断提高能源利用效率和效益的节能目标，而节能技术的大力推行则作为重点工作。

目前，我国的火力发电占据电力工业的绝对优势。据中国电监会统计，截止2008年底，我国电网总装机容量为79273万kW，火电装机容量占74%，发电量占80%。火力发电厂既是电能的生产者，也是电能的用户和消费者。电厂中的各类辅机设备是耗能大户且运行效率低下，其中风机水泵类设备占了绝大部分。因此，在风机和水泵的运行过程中具有很大的节能潜力。而且风机和水泵在国民经济其他部门中的应用也相当广泛。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机的耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右，应用领域涉及发电厂、石油化工厂、钢铁冶金企业，城市供热，城市供水、建材水泥、港口、水利等行业。因此，对蕴藏巨大节能空间的泵和风机类设备进行节能技术改造势在必行[1]。

国内的锅炉风机、汽机水泵大多采用电动机拖动，95%为交流电动机直接拖动，恒速运行。由于电网调峰，这些辅机都处于低负荷工况下运行，造成了极大的浪费。采用电机调速改造后，不仅可以在运行工况频繁变化的情况下减少损耗，而且大容

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量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机的使用寿命，减少对电网的冲击，保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的软起动可提供较高的起动转矩并可做到平滑无冲击，所以采用调速技术实现软起动的效果也是非常突出的。同时，采用调速驱动，还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损，延长设备使用寿命，降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的，例如锅炉风机和给粉机的调速控制，可以大幅度地改善炉内的燃烧工况，从而节煤、节水，并可节省这些物料的运输，处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益，已不再简单地局限在节能的范畴。

随着国家对节能要求的提高和电力电子技术的飞速发展，变频调速技术的可靠性和性价比都有了大幅提高。采用变频调速后不但可以获得显著的直接经济效益，还可以改善调节品质、提高设备安全性。因此，变频调速技术在各种工业领域具有重要的推广意义。

1.2 调速技术的发展与现状

工业生产过程中，生产机械必须用原动机带动才能工作，最早的原动机为蒸汽机、内燃机、水轮机等，它们是效率低下且较笨重的装置。随着技术的发展，发明了电动机，由于使用方便、效率较高、装置轻便、占地面积小等一系列的优点，很快取代了之前的原动机。用电动机作原动机带动工作机叫做电机传动或电气传动，于是工业生产进入了电气传动时代。不仅在工业生产，而且各种科研、交通运输、日常生活工具等也都使用了电动机进行电气传动。

由于生产的需要，电气传动系统必须具备调节速度的功能，才能达到提高工效、保证质量和节约能源的要求。而直流电动机首先满足了这一要求。因为直流电动机可以方便地通过调节电压或调节励磁，来调节速度，而且是平滑连续无级调速。交流电动机由于结构关系和当时的技术条件还不能达到上述要求。所以在20世纪70年代之前直流电动机调速系统简称直流调速系统一直在电气传动领域中占据统治地位。

随着单机容量的进一步加大和转速的逐步提高，直流电动机由于存在自身缺陷而越来越难以胜任。第一，结构复杂导致造价较高；其次，具有换向器和电刷，需要经常清理和置换，增加维护工作量和成本；第三，因为换向器和电刷的存在，环境适应能力较差，如不适宜潮湿和粉尘的工作条件，特别是有瓦斯的场合，电刷产生的火花会引起爆炸。而交流电动机的结构简单、运行可靠、便于维修和价格低廉等的特点一直吸引人们对它的研究。

之前交流调速实际上也有几种方案，常见的有改变极对数调速和改变绕线转子

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电动机转子回路中所串电阻调速，这两种调速均属于有级调速，且后者损耗大、效率低，故应用不多。改变电源频率实现无级平滑调速，也曾有所尝试。早期采用变频机组供电作变频调速，由于投资大、效率低，不宜推广。后来相继用汞弧（水银）整流器和闸流管制造变频器，也由于造价高且性能不好，很少被采用。所以总的来说，过去相当一段时间，交流调速发展很慢，采用的很少，直流调速得以垄断调速传动的领域。

随着电力电子技术的发展，可控的电力电子器件的研制成功，情况大有改变。首先是1957年晶闸管的问世，交流电动机的无级调速问题得到了突破。由于晶闸管具有良好的开关特性与控制特性，大大促进了交流调速的发展，并出现多种调速方案，在调速系统中得到了越来越多的应用。许多先进国家已经有系列产品，所用电动机容量从几千瓦到几十兆瓦。机械、冶金、造纸、化纤、食品、纺织、交通运输等工业，均广泛予以采用。随着新的功率器件如大功率晶体管、GTO晶闸管、IGBT等的诞生，尤其是20世纪80年代以后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为现代交流调速技术的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流调速系统的飞速发展。

根据交流异步电动机调速的基本原理，可以将常用调速方案归纳为五种，即：定子调压调速、电磁转差离合器调速、串级调速、变频调速、变极对数调速，另外还有一种液力耦合器调速的机械调速装置。前三种从本质上说属于改变转差率的调速。

定子调压调速是通过晶闸管改变定子绕组端电压进行调速，优点是装置简单、控制方便、投资小、响应快。但其损耗与转差率成正比，低速时损耗严重，为能耗调速。再者，调压调速的调速范围不宽，机械特性软，以前常用于电梯系统，现在已很少见。电磁转差离合器作为电动机和工作机的联轴器，用晶闸管改变离合器的励磁电流就能改变工作机的转速。通常将电动机和离合器装成一体，使用方便、控制简单，但损耗大，也属于能耗调速，以前，国内在纺织、印染、化工等机械上常见。串级调速只限于绕线型转子异步电动机，能将转差功率反馈给电网，因此效率较高，造价较低。但功率因数低，常需要用移向电容补偿，增加投资。另外，机械特性较软，电动机使用受限，故不属于理想调速方案。变极调速是通过改变电动机定子磁场产生的磁极对数，从而改变其理想空载转速来实现调速的方法。磁极对数的改变是通过改变电动机内部定子绕组的接线方式来实现，一般用于笼式异步电动机，而且属于有级调速，了它的使用。液力耦合器是一种转差损耗的低效调速设备。它结构简单、操作方便、价格低廉，但节能效果低，在低速时，有近3/4的能量被浪费，运行一段时间后，需要对液压油进行更换。大容量的设备还应添加水冷系统。因此，这种调速方案也不属于理想的调速方案。而变频调速采用由各种电

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力电子器件制成的变频器，可以实现平滑无级调速，且调速范围宽；安全性和可靠性较高，调速性能优异，节能效果明显；适用于笼型和绕线式异步电动机等。但是变频调速方案的初始投资较高。随着科学技术的发展，控制装置集成化、模块化、数字化，造价问题也将会逐步解决，总的来说，变频调速优点全面，适用面广泛，是调速技术的主要发展方向[2-4]。

1.3 本文的主要工作

本文以大力推广变频调速技术的使用为目的，首次对各种调速方法进行了全方面比较，使得变频调速技术的优势更加突出，也对变频技术产生的主要问题进行了简单探讨。本文的主要工作为：

（1）论文回顾了变频调速技术的发展历程和国内外的应用现状，详细介绍了变频调速的理论基础，并针对泵与风机类负载的机械特性进行了节能分析。随着电力电子技术和微电子控制技术的发展，变频器的安全性和可靠性也有了很大提高。

（2）对变频调速、内反馈调速、水电阻调速、永磁调速和液力耦合器调速的性能特点进行了比较。根据使用各种调速方法的相应单位（变频改造—浙江浙能北仑发电有限公司引风机系统、国电怀安热电厂1号机组凝结水泵系统，内馈式调速—秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵系统，液体电阻调速—浙江长兴发电有限责任公司#2炉脱硫增压风机，永磁调速—嘉兴发电有限责任公司锅炉排渣系统高压水泵）进行了实地调研，主要包括对应用不同调速方法的电机的运行工况的记录和对相应单位实施不同调速方法的改造或筹建资料的搜集。通过对实验数据的筛选，从安全性、可靠性和经济性进行应用研究，总结出各种调速方法的适用范围和优缺点，对于如何选用调速方式具有指导性意义。

（3）论文介绍了变频调速技术带来的谐波问题的产生机理和危害，并对谐波问题的解决方法进行了简单探讨。

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第2章 变频调速技术概述

2.1 变频器概述

变频调速系统由变频器、传动电动机和控制装置组成，有的把控制装置归并于变频器，如图2-1所示，有的还包括负载，如图2-2所示。变频器将电网固定频率变成可调的频率，输送给电动机，实现变频调速，因此变频器是调速系统的核心部件。

图2-1 变频调速系统

图2-2 变频调速系统（包括了负载）

2.1.1 变频器的基本概念

变频器也叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。它是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，它具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。

变频器由主回路和控制回路两部分组成，如图2-3所示。

主回路由整流器、滤波器和逆变器三个主要部件构成。逆变器可用不同器件构成，如高频变频器用功率MOS晶体管，大容量变频器用GTO晶闸管，中小型变频器用IGBT晶体管等。控制回路由单片机、驱动回路和光电隔离电路构成[2]。

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图2-3 变频器的电路组成结构

2.1.2 变频器的基本工作原理

2.1.2.1 变频器的基本工作原理

交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规律地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。

变频器基本结构如图2-4所示。

图2-4 变频器基本结构

对于速度、精度和响应快速性要求较高的系统，采用图2-4的开环系统是不够的，还需要由变频器主回路及电机侧检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，此时的系统是闭环的。 2.1.2.2 变频器的逆变原理

下面通过对单相逆变桥的逆变过程来阐述变频器逆变的基本原理。

单相逆变桥的构成如图2-5所示。图中将四个开关器件(V1～V4)接成桥型电路，两端加直流电压Ud，负载Zl接至两桥臂的中点a与b之间。

（1）前半周期

令Vl，V2导通；V3、V4截止。则负载Zl上所得的电压为a“+”、b“-”，设这时的电压为“+”。

（2）后半个周期

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令V1、V2截止；V3、V4导通。则负载Zl上所得的电压为a“-”、b“+”，电压的方向与前半个周期相反，为“-”。

上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载Zl上所得到的便是交变电压了。这就是把直流电逆变成交流电的工作原理。

图2-5 单相逆变桥电路 a)逆变电路 b)电压波形

2.1.3 变频器的分类

变频器的种类很多，一般有以下几种分类方法： 2.1.3.1 按变频方法分类

（1）交—直—交变频器

交—直—交变频器又称间接变频器，它首先将恒定50Hz的交流电经整流变换成直流，再经过滤波，将比较平滑的直流电逆变成频率可调的交流电。因此，又称有中间直流环节的变频装置。

根据滤波部分使用的元件不同，变频器的型式又分为两种：一种是用电容滤波，其直流回路的电压波形比较平直，输出阻抗很小，电压不易突变，相当于直流恒压源，称之为电压型变频器；另一种是用电感滤波，其直流回路的电流波形比较平直，输出阻抗很大，电流不易突变，称之为电流型变频器。

（2）交—交变频器

交—交变频调速系统由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，采用电网自然换相原理，具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点，但同时也存在着输出频率低、电网功率因数低、旁频谐波影响等缺点，交一交变频分为有环流方式和无环流方式，可驱动同步电动机或异步电动机。

交—直—交变频器与交—交变频器的性能比较见表2-1所示。

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表2-1 交—交变频器与交—直—交变频器主要特性比较

比较内容 换能方式 换流方式 元件数量 元件利用率 调频范围

交—交变频器 一次换能，效率高 电网电压换流 较多 较低

最高频率为电网频率的1/3～1/2

电网功率因数

较低

可控整流调压，低频低压时功率因数低；斩波器或PWM方式调压，功率因数高

适用场合

低速大功率拖动

可用于各种拖动装置，稳频稳压电源和不停电电源

交—直—交变频器 二次换能，效率低 强迫换流或负载换流 较少 较高

频率调节范围宽

2.1.3.2 按电路工作方式分类

（1）PAM

所谓PAM(Pulse Amplitude Modulation)脉冲幅值调制是一种改变电压源的电压或电流源的电流的幅值，进行输出控制的方式。因此，在逆变器部分只控制频率，在交流器部分控制输出的电压或电流。这种方式的特点是输出电压或电流平滑，而且低次谐波较少。

（2）PWM

PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制方式是利用半导体开关器件的导通和关断使直流电压变成电压脉冲序列，以控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期来完成变压变频的目的。因此，在PWM方式中，直流环节可以是固定电压(或电流)的直流，整流部分通常采用二极管桥式整流[3,6]。2.1.3.3 按控制方式分类

（1）U/f控制变频器

U/f控制又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制，是一种比较简单的控制方式。异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就会过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电动机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和饱和现象的产生。

U与f的比例关系是根据电动机的特性而预先确定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。

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U/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。

U/f控制变频器采用开环控制方式，无需速度传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。但这种变频器存在以下缺点：不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化：无法准确地控制电动机的实际转速；而且，转速极低时，由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力。

（2）SF变频器

SF即转差频率控制，一种直接控制转矩的控制方式，它是在U/f控制的基础上，按照异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。在采用此控制方式的变频器中，变频器通过电动机和测速发电机PG构成速度反馈闭环系统。变频器即使输出给定频率，但电动机在带负载运行时，其转速也能在额定转差率的范围内（1%～5%）变动，即可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

（3）VC变频器

VC即矢量控制，也成磁场定向控制。它是以直流电动机和交流电动机比较的方法阐述了这一原理。矢量控制原理的特点是认为异步电动机与直流电动机有相同的转矩产生机理。即回到磁场同与其相垂直的电流的积为转矩这一基本原理进行分析，将供给异步电动机的定子电流在理论上分成两部分：产生磁场的电流分量(磁场电流)和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量(转矩电流)。在磁场电流、转矩电流与直流电动机的磁场电流电枢电流相当。在直流电动机，利用整流子和电刷在机械上使两者保持垂直的关系，并且可以分别供电。

另一方面，异步电动机的定子电流是在电动机内部，利用电磁感应作用在电气上被分解为磁场电流和转矩电流。

矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流分别进行任意控制，同时将二者合成后的定子电流供给电动机[6,10]。

2.2 变频调速技术的发展概况

从20世纪70年发和生产变频器到今天，变频调速技术不断创新换代。变频器的功能越来越全面，调速精度越来越高，应用范围越来越广，逐渐成为调速领域的主要技术。其发展历程可以从以下几个方面表现出来：

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（1）电力电子器件

电力电子器件在变频器性能上起着决定性作用。上世纪50年代末，由于晶闸管(SCR)的研究成功[11,12]，电力电子器件开始运用于工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。但由于直流电机结构复杂，造价比交流电机高，直流电动机在运行中，炭刷接触产生炭粉而易引起环火，须经常维护，而且直流调速系统线路复杂，维修十分不便。因而便促进了世界各国对交流调速技术的开发和研制[12,13]。到上世纪80年代中期，研制出了全控型器件，如门极可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，可以自行关断，提高功效；还能是变频器的各种性能得到不断提高和完善。近年来，IGBT已经模块化、智能化，研制出了智能功率模块（IPM），不仅缩小了变频器的体积，而且进一步提高了变频器工作的可靠性。

（2）输出波形的调制策略

早期阶梯波变频器输出的电压电流波形含有丰富的谐波，造成谐波损耗和转矩脉动，了它的应用范围。后来采用调制方法，将波形调制为等幅等宽或不等宽的脉冲列，抑制了谐波分量。特别是正弦波脉宽调制（SPWM），以及近年新开发出的电压矢量脉宽调制（SVPWM），使变频器性能又多了一个保证。

（3）系统的控制技术

控制技术是变频调速系统调节转速、转矩的精度和动稳态性能的保证。早期的开环恒压恒频U1/f1的控制效果有限，后来采用转差频率控制有所改善。20世纪90年代后采用矢量控制效果显著完善，近年来又研发出了直接转矩控制，调速性能堪比直流调速。目前正在尝试智能控制，已初见成效[18]。

（4）数字仿真和计算机辅助设计技术

数字仿真和计算机辅助设计技术的出现大大提高了交流调速系统工作的效率和准确性[10]。传统的系统开发步骤是：先根据工艺流程的要求进行原理设计，然后通过实验进行检测，最后根据实验结果对设计方案以及电路参数进行修改。如果不满足要求，再实验，再修改，直至系统性能满足要求为止。传统系统设计周期长，费用高，实验具有盲目性，有时找不出产生问题的原因，研究工作就会陷入僵局。采用计算机仿真技术后，设计人员可对控制策略、算法模型、以及整个系统进行仿真，观察其功能效果，并随时对方案、电路及参数进行修改，针对性强，大大缩短了开发周期，减少盲目性。

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2.3 变频调速技术的现状

2.3.1 国内研究与应用现状

通用变频器在我国经过十几年的发展，在产品种类、性能和应用等方面都有了很大提高。目前，国内生产的主要产品的状况如下：

晶闸管变流器和可关断器件(DJT、IGBT、VDMOS)斩波器供电的直流调速设备这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务重，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速设备价格低得多，所以短期内仍有较大市场，国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。

IGBT或BJT PWM逆变器供电的交流变频调速设备这类设备总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。

负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的变频调速设备这类产品在抽水蓄能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。

交—交变频器供电的变频调速设备在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到8000kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。

目前，我国变频调速技术已经遍及国民经济各部门的传动领域。变频调速技术己成为我国企业节约能源，提高生产过程自动化，提高产品质量和改造传统产业的主要的技术手段之一。

冶金机械主要用于轧钢机主传动和高炉热风炉鼓风机等。电气牵引主要用于电气机车、电动汽车等。数控机床的主轴传动、进给传动均采用交流传动。具备优良调速性能和位置控制能保证矿井提升机械在较高的速度下安全运行。油田企业利用变频器拖动输油泵控制输线输油。炼油行业变频器还被应用与锅炉引风、送风、输煤等控制系统。船舶的动力装置和水泥厂的回转窑、给料机、风机也都采用交流无级变速。在企业最多、分布最广的基础行业——机械行业中各种传动装置、伺服机构均采用交流调速技术。此外，变频调速技术在造纸、纺织、食品、建筑、家用电器等领域也得到了广泛应用[14,16,17,19]。

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2.3.2 国外研究与应用现状

在大功率交—交变频调速技术方面，法国阿尔斯通ALSPA CDM6000系列高压变频器已能提供单机容量达30000kW的电气传动设备，采用IGBT器件的飞跨电容四电平变频器，可四象限运行，输出波形较好，谐波含量较小，用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司ACS1000高压变频器，是采用IGCT器件的三电平变频器，最高电压到4.16kV，提供了单机容量为60000kW的设备用于抽水蓄能电站；在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SIMOVERT MV系列高压变频器容量可达2000kW，以高压IGBT器件的三电平变频器为核心，采用高—低—高方式，通过“集成升压滤波器”可以将电压由2.3kV升高到6kV，并且兼具滤波作用。其控制系统己实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动；在小功率变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kW，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化[14]。IPM投入应用比IGBT约晚2年，由于IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，有的甚至还把光耦也集成于一体，是一种更为适用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋向。IPM除了在工业变频器中被大量采用之外，经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品，如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。IPM也在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电，并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步[13]。

控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段[18]。

2.4 本章小结

本章主要介绍了变频调速技术的核心——变频器基本概念，包括变频器的基本工作原理、电路工作情况和各种控制方式，还详细介绍了变频调速技术的发展和现状。从变频器所用电力电子器件和控制技术的先进化程度，我们可以看出变频调速技术的安全与可靠性程度也在逐渐提高，变频技术也越来越成熟。

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第3章 变频调速节能原理

交流电动机分为交流同步电动机和交流异步电动机。异步电动机在我国的各类电动机中约占90%，应用相当广泛，本文仅对异步电动机进行介绍。 根据电机学可知，交流异步电动机的转速公式为：

n=60f(1−s)p (3-1)

s=(n0−n)n0 (3-2)

式中 n0—— 同步转速； n—— 电动机实际转速；

f—— 定子供电频率（或电源频率）； P—— 极对数； S—— 转差率。

由公式(3-1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整p)、变转差率调速(调整s)和变频调速(调整f)三种。

变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行[17]。

3.1 变频调速的基本理论

从表面上看，只要改变交流电动机定子绕组两端的电源频率就可以实现转速调整，但事实上只改变定子供电频率并不能实现有效调速。

定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。由电机学知，电机定子的感应电动势为：

E1=4.44Kw1Φf1W1

式中 Kw1—— 电动机绕组系数； f1—— 定子供电频率(Hz)；

W1—— 电动机绕组匝数；

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(3-3)

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Φ—— 每极磁通，单位为Wb。

在额定电压和额定频率时，电动机的磁通Φ为额定磁通。为使电动机铁心得到充分利用，额定磁通密度总是设计在磁化曲线的临界饱和点。由式（3-3）可得

Φ=

E1

4.44f1Kw1W1 (3-4)

由上式可见，当电源频率f1改变时，如果E1保持不变，则必然引起气隙磁通Φ的变化，但是Φ的任何变化都会给异步电动机的运行性能带来不良影响。

如果调速时只上调定子供电频率f1，而感应电动势E1保持不变，则磁通Φ将减小，这是电动机的拖动能力降低，若带恒转矩负载会因电磁转矩小于负载转矩而堵转，这种情况称为欠励磁。如果仅降低定子供电频率f1，而感应电动势E1保持不变，则磁通Φ将增大，引起磁路饱和，励磁电流大大增加，定子铜耗也大大增加，严重时会因绕组过热而损坏电动机，这种情况称为过励磁。因此，只改变定子频率实际上并不能正常调速。

总之，在电源电压不变条件下，改变电源频率，就会导致气隙磁通Φ的改变，影响电动机的运行性能。因此在变频调速时，改变电源频率的同时要相应地改变电压（电动势）的大小，电压和频率协制实现不同类型的变频调速[18]。

3.2 异步电动机的机械特性

电机拖动系统是指由电动机带动负载以一定的转速旋转的运行系统。通常把电动拖动系统中所描述的转速n与转矩T之间的关系n=f(T)叫做机械特性[17,18,20]。

本文主要从下面三个方面反映电动机工作的机械特性。 （1）额定转矩TN

额定转矩对应于图3-1所示机械特性的b点，额定负载转矩可从电动机铭牌数据给出的额定功率P2N(注意：电动机铭牌数据给出的功率是输出到转轴上的机械功率，而不是电动机消耗的电功率)和额定转速nN求得：

TN=

9550P2NP2N

=2πnNnN60 (3-5)

式中 P2N—— 额定功率(kW)；

nN—— 额定转速(r/min)； TN—— 额定转矩(N·m)。

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当电动机运行过程中，负载通常会变化，如电动机机械负载增加时，打破了电磁转矩和负载转矩间的平衡，此时负载转矩大于电磁转矩，电动机的速度将下降，而旋转磁场对于转子的相对速度加大，旋转磁场切割转子导条的速度加快，导致转子电流I2增大，从而电磁转矩增大，直到与负载转矩相等。

这样电动机在一个略低于原来转速的速度下平稳运转，所以电动机有载运行一般工作在图3-1所示的机械特性较为平坦的ac段。

（2）最大转矩TMAX

最大转矩TMAX对应于图3-1所示机械特性上的c点，当异步电动机的负载转矩超过最大转矩TMAX时，电动机将发生“堵转”现象，此时电动机的电流是额定电流的数倍，若时间过长，电动机剧烈发热，烧坏电机。电动机负载转矩超过TMAX的称为过载，常用过载系数λm来标定异步电动机的过载能力，即：

λm=TmaxTN (3-6)

一般三相异步电动机的过载系数：λm=1.6~2.5。 （3）启动转矩Tst

启动转矩Tst对应于图3-1所示机械特性上的d点，启动转矩Tst是电机运行性能的重要指标。如果启动转矩小，电机启动很困难，甚至不启动。

由电机学知，异步电动机的启动转矩同电源电压U1成正比，同转子电阻R2也成正比。当U1降低时，Tst明显降低，因此电源电压的波动将极大地影响异步电动机的过载和启动能力，这个问题在使用异步电动机时要充分重视。当R2增大时，Tst也随之增大，但TMAX没有变化（最大转矩与R2无关）。通常将机械特性上的启动转矩与额定转矩之比称为启动系数，即：

Tst

TN (3-7)

λst=

启动系数是衡量电动机启动能力的重要数据，一般λst=1~1.2。

图3-1 电动机的机械特性曲线

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3.3 变频调速的节能原理

本节主要针对水泵、风机类负载分析变频调速技术的节能原理。实质上泵和风机类负载具有相似的负载特性，这里用两种方法分别进行分析说明[18,21]。

3.3.1 水泵类

当电动机的转速恒定，通过调节阀门的开度来调节流量时，由于电动机的转速不变，故电动机耗用的功率变化不大，如图3-2中曲线l所示。

当阀门的开度恒定，调节电动机的转速改变流量时。因为流量Q与转速nL是成正比的：

Q=KQ⋅nL

(3-8)

式中 KQ—— 流量比例常数。

所以，流量的大小可以通过改变转速来调节。 对水泵负载，阻转矩TL与转速nL间的关系如下：

TL=T0+KTnL

2

(3-9)

损耗转矩T0所占比例甚小，故粗略地说，阻转矩TL的大小是和转速的平方nL2

成正比的，水泵的平方律负载也因此而得名。

在拖动系统中，电动机的耗用功率(即负载功率)PL可由下式计算：

PL=TLnL9550 (3-10)

将式(3-9)和式(3-10)代入并整理之，得：

PL=P0+KP⋅Q3

(3-11)

式中 P0—— 损耗功率；

KP—— 为功率比例常数。

可见，如忽略损耗功率P0不计，则耗用功率PL与流量的立方成正比，如图3-2中的曲线2所示。

设所需流量为Qx，则由图3-2知：采用关小阀门的方法时，耗用功率为Pxl；在水泵负载中采用变频降低转速的方法时耗用功率为Px2。显然，Px2远远小于Px1，采用变频降低转速的方法与采用关小阀门的方法相比，具有十分明显的节能效果。证明采用变频调速技术对水泵系统进行改造是可行的，节能效果将是显著的。

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图3-2 电动机耗用功率与流量的关系

3.3.2 风机类

调节风机转速与调节风门改变风量，风机运行的工况点和特性如图3-3所示。曲线1为风机在全速下风压—风量(H-Q)的特性曲线，曲线2为风门全开时管网的特性曲线。上述两曲线的交点A代表自然运行工况点，其风压和风量分别为H1和Q1。如果实际风量为Q2，可以通过调节风门，改变管网的特性得到曲线3，它与曲线1的交于B点，取得要求的风量Q2。但风压上升至H2。也可以通过改变风机的转速而使风机的特性曲线变为曲线4，它与管网的特性曲线2交于C点，同样取得要求的风量Q2，同时风压降至H3。假定在上述3个不同的工况点运行时，风机、电气和机械传动系统的效率都相等，则在3个不同的工况点运行时从电网吸收的功率PA，PB，PC应与相应工矿点的风量和风压的乘积成正比，即与图中AH1OQ1、BH2OQ2和CH3OQ3——3个矩形的面积成正比。从图上可以清楚地看出，PB仅比PA略小，而PC远远小于PA。也就是说，调节风机转速改变风量的运行方式所消耗的电能远远小于调节风门改变风量的运行方式。

图3-3 风机运行工况点的特性曲线

由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的三次方成正比。即：Q∝n，H∝n2，Ps∝n3。当所需

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风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的二次方下降。如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率下降为额定功率的51.2%；当所需风量为额定风量的50%时，轴功率可以下降为额定功率的12.5%。当然,转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响[17]。即使如此，这种方法的节电效果也是非常可观的。

3.4 本章小结

本章主要介绍了变频调速的基本原理和异步电动机的机械特性，并根据电动机的机械特性和泵与风机类负载的机械特性阐述了变频调速对于泵与风机类负载的节能原理。

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第4章 几种调速方法的应用研究

正如第三章开始所介绍的，电动机的直接调速方式主要有变极调速、变转差率和变频调速三种方式。根据这三种方式目前常用的调速方法有转子串电阻调速、串级调速、内反馈式调速和水电阻调速等属于变转差率的调速方法和直接变频调速，以及液力耦合器的机械调速方法和一种新兴的间接变频调速方法——永磁调速等。根据现场考察所得的数据资料和各种调速方法的理论特点，对各调速方法的应用分析[21-27]如下。

4.1 变极对数调速

变极调速是通过改变电动机定子磁场产生的磁极对数，从而改变其理想空载转速来实现调速的方法。磁极对数的改变是通过改变电动机内部定子绕组的接线方式来实现（如图4-1所示），一般用于笼式异步电动机。

图4-1 定子绕组不同的接线方式

这种调速方法的优点：运行可靠，运行效率高，对电网无干扰，初始投资低。 缺点：

（1）有级调速，而且调速级差大，一般一套绕组只能变换两种磁极对数，而一台电动机只能放两套绕组。因此，最多只有4档转速，从而了它的使用范围。

（2）在机械特性方面，不同磁极对数下机械特性的“临界转矩”是不一样的，故带负荷的能力也不一致。

（3）对于绕组式感应电动机在改变定子绕组接法并改变极数时，必须同时改变转子绕组的接法以保持定、转子极数相等，这样就使得变极接线控制显得复杂。

4.2 变转差率调速

改变转差率的方式是通过在转子电路中串联电阻来实现的。因此，这种方法只

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适用于绕线式转子异步电动机。主要调速方法有串级调速、内反馈式调速和水电阻调速等。

4.2.1 串级调速

串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统。

电气串级调速电路由异步电动机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步电动机转速，将整流后的直流电通过逆变器变换成具有电网频率的交流电，将转差功率回馈电网。

电机串级调速电路是反转子整流后的直流电作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，通过调节励磁电流来调节异步电动机转速，直流电动机和异步电动机同轴相接，将转差功率变为直流电动机的输入功率与异步电动机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。

电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。

串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大；缺点是对电网干扰大，调速范围窄，功率因数也比较低。与转子串电阻调速相比，串级调速的优势主要是效率高。

4.2.2 内馈式调速

4.2.2.1 高频斩波内馈式调速系统的基本理论

高频斩波调速系统是基于经典的串级调速理论，结合现代电力电子和计算机控制技术而研制出来的。原理图如4-2所示：

图4-2 高频斩波内馈式调速结构图

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电机定子供给转子的功率（电磁功率）分为两部分：大部分变成机械功率拖动泵与风机负载，一小部分成为因转速差（比同步转速低）而产生的转子回路的转差电功率。通过在转子回路串入高频斩波调速装置加入一个可调反电势来控制转子电流，从而调节电机的转速(改变了机械功率输出)，由于转速差(转子转速与同步转速的差)而产生的转子的转差功率又经高频斩波调速装置反馈回电网或内馈电机的定子反馈绕组而回收，从而达到调速和高效节能的目的。

斩波实际是变流主电路的数字控制，目的是克服移相控制存在的缺点。从根本上解决了有源逆变器可靠性问题。目前，斩波控制已被视为取代移相控制的发展方向。

内馈式调速方式的调速范围为额定转速以下均可，一般最低到45%额定转速足已。由于转子回路因调速而产生的最大转差功率仅为电机额定功率的14.815%（对泵、风机类负载），转子回路感应电压仅为几百伏，因而在转子回路加入高频斩波调速装置（变流装置），通过控制转子回路反电势大小来调速带来如下突出的技术优势：

（1）变流装置（高频斩波调速装置）中的电力半导体器件承压仅为几百伏，最高不超过1.5kv，比6kv低得多，单只半导体开关足可安全承受。

（2）变流装置控制功率仅为电机额定功率的14.815%，这便带来诸多好处：自身功耗不到电机额定功率的1%；系统结构简单，控制容易；装置尺寸小，对环境要求低，一般厂房自然环境既可，可靠性高；系统本身造价相对较低。

适用于大多数泵、风机类需要低同步转速调速的情况。当然，高频斩波调速只适用于绕线式电机，而且绕线式电机的滑环、碳刷的费用相对来说较高，更加了它的发展。滑环处理不当容易出现事故；虽采用频敏变阻器启动，但启动电流仍很大，对电机和电网的冲击很大，启动复杂；调速范围很小；输入功率因数和效率低；电机侧由于可控硅的逆变衍生出大量的高次谐波，对电机的绝缘造成老化，引起电机的转矩脉动、附加发热和噪声污染，所以电缆要求加粗使用；电机喘振现象无法消除。

4.2.2.2 内馈式调速的应用

秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵内馈式调速改造

秦皇岛发电有限责任公司热网循环泵配套电机型号YRKSNT630-4，额定转速为1488r/min，额定功率2240kW，额定电压为6kV三相交流异步电动机。

调速装置：高频斩波串极调速装置SECN01-6/2240-8。

运行状况：电机额定功率为2240kW，实际全速时的功率为2102kW。 对于全速运行的节电率与转速关系如表4-1所示，其中：

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节电功率=全速下实测功率-各转速下实测功率， 节电率=节电功率/全速下实测功率×100%。

以热网循环泵运行5个月150天，上网电价0.3825元/kWh计算， 年节电量=节电功率×3600小时。

表4-1 节电率统计表

占空比(%) 86.3% 71.4% .1% 52.9% 40.1% 35.9% 转速（r/min） 1308 1176 1153 1060 957 880 有功功率(kW)

1917

1696

1616

1466 1157 1148

节电功率(kW) 185 406 节电率(%) 10 20 年节电量(kW·h) 666000 1461600

486 636 945 9 23 31 45 1749600

22600

46

3402000 3434400

年节电费（元) 2745 559062 669222 669222 1301265 1313658

4.2.3 水电阻调速

4.2.3.1 水电阻调速的基本理论

水电阻是由碳酸钠、氯化钠等电解质的溶液制成的液体电阻。在溶液中间插入两个极板，通过改变极板间距或极板和溶液的接触面积(即极板的有效面积)能均匀地改变串入转子的电阻的大小，从而实现转速的调节。其装置图如4-3所示。

水电阻调速方式对环境要求不高，可靠性较好，初始投资少；无级调速，兼作电机的软启动器，改善电机的软启动性能；属于纯电阻性质，没有变频调速的谐波污染。但是由于串入电阻发热浪费部分能量，所以调速效率低于变频调速；水电阻对环境低温（0度以下时，要有自动加热装置）易受环境温度和弱碱的配比影响，从而影响效率；使用也是有局限性的,只能应用在绕线式电动机，在笼型电机上应用只能起到软起动的作用,最大可以起动上万千瓦的电机。

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图4-3 水电阻调速装置

4.2.3.2 水电阻调速的应用

浙江长兴发电有限责任公司装机容量4×300MW脱硫火电机组，脱硫装置在入口处配有烟气增压风机。增压风机都是采用的定速运行、入口挡板调节烟气量的运行方式。但是在低负荷时，挡板开度较小，烟道阻力增大，节流损失严重，其耗电量占据脱硫厂用电的比例也非常大。另外，挡板频繁调节，不仅影响挡板的可靠性，而且影响设备的稳定运行。为解决上述问题，实现增压风机安全经济运行，经过分析研究，将#2炉脱硫增压风机改造为液体电阻调速方式。

#2炉脱硫增压风机的配套电机型号YKK900-10，额定转速为585r/min，额定功率2650kW，额定电流315A，额定电压为6kV三相交流异步电动机。

因增压风机运行工况比较复杂，其与锅炉引风机串接在一起，风机负载不仅与烟气流量有关，而且与风机进口压力有关。因此其能耗统计不是很直观，现在采用日平均负荷对比统计法、月耗电量对比统计法。

（1）月耗电量对比统计法

以增压风机2006年2~9月和2008年10月运行时间为统计对象，10月为改造后运行数据，统计数据见如下表4-2：

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表4-2 增压风机改造前后运行数据

引风机耗风机平均功率

引风机

电量 (万kW)

日期 用电率

(万增压引风

%

kW·h） 风机机

2006.2~9月 4966 121588 244 961.51 0.79 3. 0.529 193612972006.6~9月 2830 669 243 539.82 0.79 372.52 0. 190713162006.2~5月 2136 52619 246 421.69 0.8 271.37 0.52 197412702006.5 504 11505 228 93.19 0.81 62.622 0. 183912422006.2 384 9518 247 75.1 0.79 47.12 0.50 195612262008.10.17~10.360 8209.2 228 60.31 0.73 38.31 0.467 167510

31

均为机组小修后（2月、10月）运行工况比

节电率 7.59% 6.6%

较

月平均负荷相近比较 节电率 9.87% 13.5% 与改造前9个月平均值比较 节电率 7.59% 11.7%

增压风机发电量 平均负运行

耗电量（万荷（万小时

kW·h） 数（h） kW·h） （MW）

增压风

机用电率%

由运行数据分析可知：增压风机节电率平均只有8.35%，与预期效果相差较大。考虑到增压风机运行环境比较复杂，当风机档板处于全开状态时，烟道阻力减小，增压风机与引风机串联运行使得增压风机分担了部分引风机的功能。因此，将引风机也作为观测统计对象，引风机的节电率平均为10.6%。所以增压风机节能按综合节能计算（即将引风机的节电折算至增压风机），平均综合节电率（按2~9月份的平均值计算）：

[961.5-0.79×(1-8.35%)×121588+3.-0.529×(1-10.6%)×121588]/961.51=14.6%

（2）日平均负荷对比统计法 数据见附录。

从上述统计数据分析：增压风机节电率不高,平均只有8.25%,而引风机却有平均11.45%节电率。所以增压风机节能按综合节能计算（即将引风机的节电折算至增压风机），增压风机平均综合节电率15.25%。但是，日平均负荷数据是每天人工抄表，且引风机耗电量读数在8、9月天数占一定比率，而8、9月份空预器差压相比2~5月份偏大一些，相应引风机功耗也大一些。

（3）综合上述数据分析：

#2炉脱硫增压风机液阻调速控制改造后，达到技术协议要求（不小于10%）。但预期的节能效果没有达到，系统在经济性上还是有了较大的改善。据统计，增压风机液阻调速改造前的平均功率为1839kW，引风机（二台）平均总功率为1226kW，改造后的增压风机平均功率为1675kW，引风机平均功率为10kW。增压风机控制电源及冷却总功率为15kW。#2炉脱硫增压风机调速改造后节省的功率为：1839+1226-1675-10-15=311（kW）

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以年运行7500小时计算节电：311×7500/10000=233.25（万kWh）

以上网电价0.4元/kWh计算，年节电经济效益为：233.25×0.4=93.3（万元） 该项目总投资约为215万元，以液阻调速装置使用寿命20年计每年固定资产折旧为10.7万元。每年维护费用以1万元计。

每年净创经济效益为：93.3-10.7=81.6（万元），二年半收回投资成本。

4.3 变频调速

4.3.1 变频调速的技术特点

变频调速的结构原理前面已经详细介绍，这里不在赘述。变频调速的技术特点如下：

（1）启动性能好。大功率电机启动时，由于启动电流很大，容易产生操作过电压、操作电机绝缘，严重威胁电机使用寿命。而且启动瞬间电网电压会大大下降，影响其它用电设备的正常运行。采用变频调速，可以实现电机软启动，使电机转速慢慢升高，启动时最大电流可按需要在一定范围内。

对电网的冲击和机械负载的冲击都大大减小，同时延长了电动机和风机的寿命。

（2）调速性能好。由公式(3-1)可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的转速。变频调速属于无级调速，因此其调速平滑，减少了对机械负载的冲击，变频器可以实现零频率到50Hz输出，甚至可达数百赫兹，具有很宽的调速范围，且线性度可达0.99。

（3）功率因数高。电动机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可达0.95以上。相对电动机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电动机效果尤为明显。

（4）节能效果显著。由于最终的能耗是随着电机转速的下降，其功率消耗会以三次方的速度大幅下降，所以采用变频后，大大地节约了成本，投资回报更快，用户也愿意接受。

（5）对电压波动适应能力强。可实现电机频繁启停、电机正反转（不需要借接触器），最大限度的不间断无跳闸运行。变频器对网电压波动有极强的适应能力，在10%～5%额定电压范围内可满载输出。变频器可以在电压下降情况下降额运行，完全失去电压5个周期内可满载运行不跳闸；轻载运行时则持续周期更长。

（6）机械磨损少。实现变频调速后，风机经常在额定转速以下运行，介质对风机风扇和挡板的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低，减少了维护工作量。

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增加了设备的使用寿命，延长了设备的使用周期，降低了维修成本。电动机运行的振动和噪声也明显降低。

（7）提高自动控制水平。高压变频器与火电厂的DCS相连，可以实现高精度、宽范围的无级调速，全面满足各种复杂工艺的需要，提高生产效率和机组自动化水平。采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节，调节器输出的4～20mA信号输到变频器，通过变频器调节电动机转速，可以平稳地调节风量，且线性度较好，动态响应快，使设备在更经济的状态下安全稳定运行。

（8）可靠的保护功能。当变频器具有过压保护、欠压保护、缺相保护、输出接地保护、输出短路保护、过流保护、变压器过载保护，柜门打开后，控制电源掉电后跳高压侧断路器，功率单元故障诊断功能、输入变压器带浪涌吸收保护、每个功率单元带三相输入熔断保护等。

（9）低频谐波污染。变频器的输出端通常具有PWM调制能力，一定程度上改善了对电机供电的谐波影响，但输入端却大多为普通移相整流，低频状态下波形畸变很大，这将给电网造成较大的谐波污染，特别是在没有电磁隔离时，影响更为严重。

（10）成本高。变频调速的缺点主要表现在高压、大容量调速上，由于电源电压高（多为6-10kV），变频装置受电力电子器件耐压能力，难以直接承受，被迫采用变压器降压，常用高-低和高-低-高两种变频调速系统，显然，这两种系统增大了成本和损耗，致使系统复杂化。另外，变频器与电机形成串联系统，变频器容量须大于电机容量，也是造成价格高昂的主要原因。

本调速技术适用于绕线式电机和鼠笼式电机，广泛的应用于水工业、石油、发电、煤炭、水泥、冶金、钢铁、化工、舰船等，技术也较为成熟。

4.3.2 变频调速的应用

4.3.2.1 浙江浙能北仑发电有限公司引风机系统的变频调速改造

浙江浙能北仑发电有限公司600MW机组引风机系统配套电机型号TIKE-DCNW，额定功率2750kW，额定电压为10kV，额定频率为50Hz，转速为590r/min，三相交流异步电动机，风门采用档板调节。据统计，此发电机组的引风机耗电量占发电厂用电量的17.23%，可见耗电是相当可观的，对引风机系统进行节能改造是十分必要的。为此选用用西门子罗宾康PH-10-6-2750型高压变频器对引风机实施了变频改造。为比较分析引风机变频改造后的节能效果，选取了各负荷阶段引风机工频、变频运行参数进行了比较。

（1）引风机工频运行时测试结果如表4-3所示：

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表4-3 引风机工频运行时测试结果

机组负荷 引风机 电流(A)

600MW 450MW 380MW 308MW A

B A B A B A B

90.3

93.6

91 92.6

80.3 80.7

114.1 120.6

-27

引风机进口负压(Pa) -2753

挡板开度(%)

-1833-1816-1539-17 -1244 -1243

47.5

42 42 37 37

70.9 70.3 51.5

引风机变频运行时测试结果如表4-4所示：

表4-4 引风机变频运行时测试结果

机组负荷 引风机 电流(A)

600MW 450MW 380MW 308MW A

B A B A B A B

49.3

53.9

38.7

39.3

27.4 29.7

109.4 120.8

-2836

引风机进口负压(Pa) -2820

挡板开度(%)

-1840-1853-1606-1605 -1316 -1323

100

100

100

100 100

100 100 100

根据浙江浙能北仑发电有限公司600MW机组引风机实际运行数据统计，机组全年平均负荷率在420MW左右。从表4-3和表4-4中可以看出，当机组低负荷时节电非常明显。为比较直观地分析引风机变频改造后的节能效果，统计了变频改造前后的引风机耗电量。具体见表4-5所示。

表4-5 引风机工频、变频运行耗电量比较

运行方式 工频 变频

月份

月耗电量 （万kW·h）

机组发电量 （万kW·h）

机组负荷率

%

70.5

辅机单耗

% 0.1

2009.1 129.39 2009.3 57.61

14519 12749

70.0 0.452

（2）在不同调速方法下的累计电耗

此发电机组年计划发电量为32.58亿kW·h，机组平均负荷率为70%。根据表5-3所给的数据进行计算。

当使用挡板进行调速时引风机运行累计电耗计算如下：

325800×0.1%＝2902.8(万kW·h)

当使用高压变频器进行调节时运行累计电耗计算如下：

325800×0.452%＝1472.6(万kW·h)

（3）变频运行后节约电能

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2902.8-1472.6=1430.2(万kW·h）

（4）实现经济效益

按该厂上网电价0.4元/ kW·h计算,其直接经济效益为：

0.4×1430.2=572.08(万元)

（5）投资回报期

此次改造实际投入为1000万元，按使用变频后每年可以节约的费用算，二年内可收回投资。

4.3.2.2 国电怀安热电厂1号机组凝结水泵系统变频调速改造

以国电怀安热电厂330MW火力发电机组的1号机组凝结水泵系统变频调速控制改造为例，对高压变频调速技术实际应用效果进行分析。

1号机组凝结水泵电机参数为：型号为YKK4504-4，额定功率为630kW，额定电压为6kV，额定电流为75A，额定转速为1490r/min,额定功率因数为0.86，频率为50Hz。

试验工况如下：在机组带电负荷率为90%，80%，70%，60%和50%时分别对其工频（2008年10月12日——10月27日）和变频（2009年4月25日——5月25日）工况进行试验。机组在其他条件保持可比性的情况下，经机组实际运行检验，机组负荷越低时，凝结水泵的节能效果越显著。具体数据见表4-6。

表4-6 变频、工频下机组负荷与凝结水泵输入电流对照表

机组负荷率 工频电(A) 变频电(A)

50% 60% 70% 80% 90% 58 65 69 74 22 31 33 65

（1）直接经济效益：

功率计算依据：电机输出功率=电机额定功率×电机电流/电机额定电流。 目前使用情况：一年中大约12.5%的时间带50%负荷，12.5%的时间带60%负荷，50%的时间带70%负荷，12.5%的时间带80%负荷，12.5%的时间带90%负荷（年平均运行7000小时）。

该台电机一年内消耗的电能： 工频调速情况下：

P1=630÷75×(58×12.5%+×12.5%+65×50%+69×12.5%+74×12.5%)×7000=3858750(kW·h)

变频调速情况下：

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P2=630÷75×(22×12.5%+31×12.5%+33×50%+×12.5%+65×12.5%)×7000=2234400(kW·h)

（2）节约电能：3858750-2234400=1624350(kW·h) （3）实现经济效益(按该厂上网电价0.4元/kW·h计算)：

0.4×1624350=9740元≈65万元

（4）投资回报期：此次改造实际投入为190万元，则按使用变频后每年可以节约的费用算，最多三年可收回投资。

4.3.2.3 河北衡丰发电有限公司引风机系统的变频调速改造

河北衡丰发电有限公司引风机配套电机型号YKK800-2-8，额定转速为746r/min，额定功率1800kW，额定电压为6kV三相交流异步电动机，风门采用档板调节，运行档板开度为15%～70%左右。

根据衡丰电厂机组实际运行数据统计，机组全年平均负荷为200MW左右。 （1）引风机运行时间

全年有25%的时间负荷在150MW左右，30%的时间负荷在200MW左右，15%的时间负荷在250MW左右，30%的时间负荷在300MW左右（如表4-7所示）。

当使用挡板进行调速时引风机运行累计电耗以年平均7000h计算如下： (918.8×30%+862×25%+985.1×15%+1076.2×30%)×7000=6731480(kW·h) 当使用高压变频器进行调节时：

(286.8×30%+261.8×25%+499.9×15%+691.7×30%)×7000=3037230(kW·h)

表4-7 不同负荷时电机平均耗电量

负荷（MW） 变频改造前平均每小时耗电（kW·h） 变频改造后平均每小时耗电（kW·h）

150 200 250 300 862 918.8 985.1 1076.2

261.8 286.8 499.9 691.7

（2）变频运行后节约电能

6731480-3037230=3694250(kW·h)

（3）实现经济效益

按该厂上网电价0.4元/kW·h计算,其直接经济效益为：

0.4×3694250=1477700元≈147.8万元

（4）投资回报期

此次改造实际投入为200万元，则按使用变频后每年可以节约的费用算，最多

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二年可收回投资。

4.3.2.4 变频调速在水泥行业的应用

变频调速技术不仅在火电厂的泵与风机类电机中得到了普遍应用，在我国其他传动控制行业的应用也日趋广泛。本文以水泥行业为例，介绍变频技术的节能效果。

在水泥生产工艺中有许多环节有调速需求。破碎和粉磨是水泥工业中必不可少的工艺过程，也是其生产环节中的耗能大户。在粉磨工艺中，球磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大。在传统的熟料破碎过程中，由于缺乏灵活智能的控制和驱动装置，致使本应低速、间歇运行的破碎机通常处于工频恒速连续运行状态，造成电能的巨大浪费，同时减少电动机和破碎机的使用寿命。

水泥粉磨工艺流程如图4-4所示。

图4-4 水泥粉磨工艺流程

熟料出窑后由提升机送入熟料库，孰料、混合材、石膏按重量配比后进入皮带机，出皮带机的物料先入提升机，在输送到回转筛。回转筛筛余粗粒入立式反击式破碎机，破碎后的物料再入提升机。回转筛筛下的细粒则入磨机。成品从旋风式选粉机细粉出口入成品库。立窑每隔2～3min放料一次，由窑口处的远红外测料仪检测到放料信号后，启动链式输送机输送物料，每次放料持续2～3min。改造前熟料破碎机由工频电源直接供电，在立窑不放料时则处于空转状态（空转率达50%），浪费大量能源。另外，由于破碎机运行速度偏高，即使放料时也存在不少的能量浪费。因此，采用变频调速技术改造能够节约相当可观的电能。

山东某水泥厂进行变频改造后运行效果如下：

根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为43Hz，系统运行电流为27A，运行电压为280V，改造后的系统平均每年耗电5.7万kW·h。由现场数据记录，系统在改造前工作频率为工频50Hz，运行电流为32A，运行电压为400V，

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平均每年耗电19.42万kW·h。改造后节电率达到70.6%。

4.4 永磁调速

4.4.1 永磁调速的基本理论

永磁调速驱动器（PMD）是通过改变电机与负载之间的转速差实现调速的（参见图4-5）。

图4-5 永磁调速驱动器工作原理

PMD由3个部件组成：一个安装在负载轴上的镶有永磁磁铁的磁盘，一个安装在电动机轴上的铜盘和一个调整磁盘与铜盘之间气隙的执行机构。由于电机旋转时，带动铜盘在磁盘所产生的强磁场中切割磁力线，因而在铜盘中产生涡流电流,该涡流电流反过来在铜盘周围产生感应磁场，阻止铜盘与磁盘的相对运动，从而实现了电机与负载之间的扭矩传输。

从图4-5可以看出,电机与负载之间的扭矩传输，是通过气隙连接的，通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可以控制传递扭矩的大小，从而获得可调整、可控制的负荷转速，实现负荷转速的调节。其技术特点如下：

（1）机械上结构简单：这种简单可靠的技术大大降低了设备运行故障率，由于是通过气隙无接触传递扭矩，彻底解决了机械传动过程中存在的振动，轴篡动等传统方式根本无法回避的机械问题，大大简化了安装过程；这一优点，对于大功率的电机设备的安装体现的更为明显。

（2）能量转换和传递安全：气隙的存在和可以调节气隙来调节电磁力矩进而实现转速的调节，在这一转速调节过程，电机始终在工频运行，从根本上，安全而彻底的解决了电机激活和变速中的所有难题，不会像其它调速技术的电力电子装置变流时产生浪涌和谐波等导致电网品质恶化的问题；这一优点，对于大功率的电机设备的安装体现的更为明显。

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（3）高效节能：根据流体力学原理，对于所有的流体负载，输出的流量和流速成正比，负载扭矩(流体压差)和流速的平方成正比，输出功率和流速的立方成正比，由于气隙的可以调节，从而直接调节转矩，使得电机可以输出恰好的转矩来跟随流体负载，节能效果显著，节电率达到20%~50%最大限度的节约能源，而在这样的能量传递中，付出的代价只有涡流热，尤其是在工频附近调速时，效率非常高，从这个角度而言可以说是当前最理想的产品。

（4）适应环境能力强：由于调速结构简单高效彻底的摆脱了负载的能量变换过程，完全可以放心安装在非常恶劣的环境和需要本质安全型防爆场所，以及极高可靠度要求的场所，基本无需维护。

（5）大功率调速和激活非常安全：目前可以实现200kW~3000kW的安全调速或软激活，而这对于基于电力电子技术的变频调速或常规变速和软激活方案是非常大的考验。

（6）结构简单，体积小。 （7）电机高速旋转，散热效果好。

（8）安装或维修时，非常方便，不需要轴精密校准（除永磁调速外其他都有轴精密校准问题），维护成本较低。

本调速技术适用于绕线式和鼠笼式的大功率电机，广泛的应用于水工业、石油、发电、煤炭、水泥、冶金、钢铁、化工、舰船等。

4.4.2 永磁调速的应用

嘉兴发电有限责任公司为国产2×300MW机组，于1995年投产，配置1025t/H燃煤锅炉，锅炉排渣系统为水力排渣系统。但是由于国内水力排渣计算方法还不够完善，不能满足系统水再循环利用要求，在不排渣时底渣系统溢流水不能满足渣泵正常运行要求，需开高压水泵维持循环最小流量，高压水泵约有15小时需要在大马拉小车状态下运行，增加了发电成本。

因此，根据该厂应用情况，需要改变原高压水泵定速运行、阀门节流的控制方式，使水力排渣系统设计更加合理、可靠。经过理论分析和多方调研，确定将高压水泵的电机控制改为永磁调速，通过调速满足水力系统平衡，保证水力资源的利用充分，减少二次污染；提供平滑、无级的电动加速，减少因离心泵未予控制的加速或减速产生液流喘振。减少了低负荷运行时阀门节流损失，同时减少阀门调节，增加了阀门的可靠性，既减少了维护工作量，又提高了设备的稳定运行。对保证机组出渣和节能均有有重要意义。

根据#1、#2炉除渣系统实际情况，采用了优化改进高压水泵运行控制的方案，

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将高压水泵B控制改为永磁调速驱动器。高压水泵B的配套电机型号YKK450-4，额定转速为1485r/min，额定电流36A，额定电压为6kV三相交流异步电动机。

改造前后高压水泵运行情况如表4-8所示。

表4-8 高压水泵能耗计算表

月份 6 7 8 9 10

用电量(kW·h) A泵

B泵

运行时间(h) A泵

B泵

平均每小时能耗 A泵

B泵

20700 191160 96 624 215.625 306.3462 25200 193950 108 623 233.3333 311.3162119 139320 22140 8 72

215

307.5

152190 450 720 1.45 211.375 307.6 84690 69345 400 320 211.725 216.70313

根据嘉兴电厂实际运行效果可以看出：

（1）节约电能

经永磁驱动改造后的高压水泵B平均每小时耗电量由307kW·h降到216kW·.h，节电率为29.%。按照每年360个工作日，每天24小时计算：

（307-216）×360×24=786240（kW）

（2）直接经济效益（上网电价按照0.4元/kW·h） 786240×0.4=314496≈31.45万元 （3）投资回报期

初始投资73万元，2.3年收回投资成本。 （4）间接经济效益

改造前为满载启动，电流返回时间为25秒左右。改造后在最大间隙(100%)实现空载启动，电机空载启动电流幅值大幅降低，为7.6A。电流返回时间为4～5秒左右。

4.5 液力耦合器

液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。这种调速方法属于机械调速。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。结构图如图4-6所示。

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图4-6 液力耦合器结构图

液力耦合器的特点是：能消除冲击和振动；输出转速低于输入转速，两轴的转速差随负载的增大而增加；过载保护性能和起动性能好，载荷过大而停转时输入轴仍可转动，不致造成动力机的损坏；当载荷减小时，输出轴转速增加直到接近于输入轴的转速，使传递扭矩趋于零。液力耦合器的传动效率等于输出轴转速与输入轴转速之比。一般液力耦合器正常工况的转速比在0.95以上时可获得较高的效率。液力耦合器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形状不同而有差异。它一般靠壳体自然散热，不需要外部冷却的供油系统。如将液力耦合器的油放空，耦合器就处于脱开状态，能起离合器的作用。另外，液力耦合器调速方式调速范围宽，可实现从零调节；没有电气连接，可以工作在危险场合，对环境要求不高；结构简单，操作方便；能量转换效率低等。

本调速技术适用于大功率电机，可以应用于石油、发电、煤炭、冶金、钢铁、化工、舰船等，由于液力耦合器是一种耗能型机械调速，所以调速越深（转速越低）耗能越大，而且液力耦合器出现故障后需要停机维修，影响正常生产，在运行一段时间后还要对液压油进行更换。

4.6 各种调速方法的技术性能比较

通过前面关于各种调速技术原理、技术特性、使用范围的介绍，以及实际使用的效果，归纳总结出各种调速技术的性能参数情况，如下表4-9，以便于进行直观的分析和比较。

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表4-9 各种调速技术性能比较

项目 工作原理 流量压力调节 转速调节 自动控制 节能 过载保护 输入电压敏感 环境要求 启动方式 增加轴承油封和系统寿命 能否频繁启停 响应速度 调节精度 功率因数 调速范围 电力谐波 电机- 泵轴对准

变频 调整电源频

率 可以 可以 可以 20~60% ≤80 %转速最高 过流保护 敏感 高 低频启动

内反馈 调整转差率可以 可以 可以 10~45% ≤70 %转速最高 过压保护 敏感 一般 带载启动

水电阻 转子串电阻

可以 可以 可以

永磁 气隙调整扭

矩

可以 可以 可以 10~50% ≥80 %转速最高 滑差保护 不敏感 没有要求 空载启动

液力耦合器 改变叶轮间液体压力 可以 可以 可以

阀门或挡

板 阻塞流量 可以 不可以 可以

10~20% 5~10% 不节能

滑差保护 不敏感 没有要求 带载启动

滑差保护 不敏感 一般 空载启动

没有保护 不敏感 一般 满载启动

否 否 否 是 是 否

不可以 比永磁快 比内反馈高 提高到0.98以上 范围宽 高 公差小，需对准

不可以 比水电阻快比永磁高 同电机 低于永磁 无谐波 公差小，需对准

不可以 比液力耦合

器快 比液力耦合

器高 略高于电机50~100% 无谐波 公差大，无需

对准

可以 比内反馈快比水电阻高同电机 低于变频 无谐波 公差大，无需对准

可以 比挡板或阀门快 比挡板或阀门高 同电机 低于水电阻 无谐波 公差大，无需对准

不可以 最慢 最低 同电机 无法调速 无谐波 无需对准

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表4-9(续表)

项目 占用空间 故障查找难度 可靠性 安全性 启动电流 维护难易度 适用电机 容量

变频 大 容易 较高 高 小 易 绕线式和鼠笼式

内反馈 和变频差不

多 比变频难

高 高 小 比变频难 绕线式

水电阻 和永磁差不

多

容易 较高 高 小 比变频难 绕线式 高、中、低

永磁 比变频小 比变频难 高 最高 小 易 绕线式和鼠

笼式 中、低

液力耦合器 比永磁大

难 一般 高 比其他的几个都高 比变频难 绕线式和鼠笼式 高、中、低

阀门或挡

板 最小 容易 不可靠 一般 大 最难 任何电机 任何

高、中、低 高、中、低

从上表可以看出，在性能方面，这几种调速方式都有各自的优缺点。在笔者考察调研的过程中了解到，各电厂在选择调速技术时，首先考虑的是安全性和可靠性，在这种情况下，笔者总结得出各考察单位相应专工的一些实际经验和建议，如下：

（1）可靠性

变频、内反馈、水电阻、永磁这几种调速方式的可靠性都比液力耦合器高。针对泵与风机类最大量的拖动负载或者其他特殊的负载而言，内反馈调速变流功率比变频调速小的多，因而使装置简洁，故障因素少，可靠性更高。由永磁调速原理可知，永磁电机靠气隙调速，所以故障率很小，也是一种非常可靠的调速方法。

（2）安全性和稳定性

从实际考察的各电厂来看，安全性都比较高，但是变频调速和永磁调速更胜一筹。内反馈和永磁改造都很简单，但由于是新技术，出现一些问题解决起来比较麻烦。水电阻在使用过程中要定期加电阻液，而且环境的温度变化对其运行会产生较大影响，安全性和稳定性相对来说差一些。

（3）适用范围

变频器适用于各种电机，应用的范围很广；内反馈只适用于绕线式电机，如原为鼠笼式，需要改造电机；水电阻技术就是在软启动功能上的一个技术延伸，所以它适用于高压大功率电机，但它也只适用于绕线式电机；永磁调速技术，从目前考察的情况来看，还没有高压大功率电机使用的先例，所以使用面很小。

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（4）其他性能

调速系统的效率决定了调速的节电率，从实际数据来看，变频器的节电率明显高于其他几种调速方式。几种调速技术在功率因数上均达到了技术要求的满意结果，当然还是变频器更为优越，内反馈调速为其次。有的设备需要快速响应的，最好使用变频，其他几种响应速度没有变频快；如坏境比较差，空间比较小，对其他性能没有什么要求的，水电阻和永磁要优越一些；需频繁启停的设备，则最好选用永磁调速。

4.7 各种调速方法的经济性比较

通过分析总结，将这些调速方法在经济性方面各自的特点列为表4-10，以方便进行直观比较。

表4-10 各种调速技术的经济性比较

项目 比改造前节能

变频

内反馈

水电阻

永磁

液力耦合器

不到10% 10~50% 10~40% 10~20% 10~40%

如需电机改造

200~300万 无需电机改造100万左右 三年至四年 传递部分 效率97% 较高 费用比变频低

如需电机改造 200~300万 无需电机改造 80~90万 二年半至三年半水电阻功率损失

效率90%

低 费用比内反馈低

初期投入 200~300万 100~200万 40~60万

回报期长

短 自身能量损耗 维护量和费用 安装、耗材

二年至三年 移相、整流

效率为96%

低 费用高

二年半至三

年 传递部分 效率96.6%

低 最低

三年以上 辅助油泵、传递部分 效率为85%

一般 比水电阻高

使用寿命 20年 15年 25年 20年 30年 发展速度 发展潜力

最快 大

较慢 有一定潜力

较慢 一般

较快 大

最慢 没什么潜力

从上表以及各电厂应用效果的实际经济数据来看，变频器无疑是投入大，节能最高的一种调速方式。变频器使用比较方便，技术也比较成熟，维护起来比较容易，出现问题也好解决，但是电力谐波比较大，电子元器件需常更换，环境要求很高。所以必须根据电厂自身的情况选择电机的调速装置。比如有的电厂送风机煤灰、粉

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尘较多，变频器根本无法在这种环境中良好运行，而水电阻却能在这种环境下依然良好运行。不过水电阻和内反馈技术只适用于绕线式电机，所以原有电机如果是鼠笼式电机的话，还要增加电机改造的费用，这样一来就缩短了和变频器在价格上的优势。

在安装工程量和费用上，永磁的工程量最小，其次是内反馈、变频和水电阻，而费用则以水电阻和内反馈最高，因为牵涉到电机的改造。

在后期维护上，永磁和水电阻有明显的优势，从嘉兴电厂和长兴电厂的实例可以看出，花在维护上的精力、物力和财力都相对小的多；而变频和内反馈相对于前者花费较多，这也是各单位在选择时，一个着重考虑的方面。

在发展潜力和速度上来看，变频和永磁可以一较高下，随着电子元件的不断发展，竞争的激烈，变频器在价格方面将更有竞争优势，而永磁在大容量高压电机的研发上也将加快脚步，延伸出更多的型号和系列。相比较而言，内馈和水电阻的发展潜力速度就比不了前两者，内馈技术是国外淘汰我国改进的技术，他的研发团队规模比起变频和永磁来要小得多，而且我国很多企业对此技术多为观望态度，推广起来也比较困难，水电阻技术其实是液态电阻软启动技术的引申，它未来的发展走势无非是往电子元件上靠拢，而这还需要若干年的时间以及实践。

4.8 本章小结

本章详细介绍了变极对数，变转差率中的串级调速、内反馈调速和水电阻调速，变频调速，永磁调速、液力耦合器这几种调速技术的工作原理和技术特点，并简单说明了各种调速技术的适用范围。

通过实例对各调速方法在泵与风机类负载上的使用进行了分析研究。通过对实验数据的筛选，从安全性、可靠性和经济性进行应用研究，总结出各种调速方法的适用范围和优缺点，对于如何选用调速方式具有指导性意义。从安全性和可靠性角度，变频调速都占据较强优势。从经济效益的角度，变频器在初期投入和后期维护上费用较高，但是其投资回收周期较短。综合各项经济技术指标，变频调速技术术具有突出的优势，其他几种调速方式在某些情况下也有自己的技术特长。因此，选用何种调速方式，往往取决于一个单位自身的条件和工况，所以首先了解该企业的现实情况才是调速改造前首先要做的工作。

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第5章 变频调速技术带来的新问题

变频调速技术在工业生产领域得到了广泛应用，保证了调速精度，减轻了劳动强度，提高了经济效益，受到普遍欢迎。然而在对变频器的一片赞誉声中，人们却往往忽略了其负面影响。变频器是是以开关方式工作的，具有非线性特性，运行时产生的谐波，使输入电源电压和电流波形畸变，造成电网谐波污染，干扰周围设备正常运行。同时，变频器输出的电压和电流中也含有丰富的谐波，对电机的运行性能会产生显著影响，增加电动机损耗，降低效率等。为了保证变频技术更有效的应用于国民经济的各行各业，必须采取相应解决措施减少以及消除其负面影响。

5.1 变频器谐波产生的原因

变频器利用电机转速和电源频率的线性关系原理将50Hz工频电变换为另一频率的交流电。非线性半导体器件构成的整流器为变频器的输入端，逆变器为变频器的输出端。在这些非线性原件的通断过程中就会是变频器的输入、输出端产生谐波。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，谐波频率是基波频率的整倍数[10,17]。谐波示意图如图5-1所示。

图5-1 谐波示意图

5.1.1 变频器输入侧产生谐波的机理

变频器输入部分为整流电路，它是由电力电子非线性元件组成，从而导致谐波的产生。以三相桥整流电路为例，交流电网电压为正弦波，交流输入电流为方波。由于任何周期波形都能按照傅里叶级数分解成基波和各次谐波，一般来说，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1（n=1，2，…）次谐波，例如5、7、11等，变频器主要产生5、7次谐波。

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5.1.2 变频器输出侧产生谐波的机理

在采样控制中有一个重要结论：冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。此结论是PWM控制的重要理论基础。把图5-2 a)的正弦半波分成N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉宽相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到了图5-2 b)所示脉冲序列，这就是PWM波形。对于正弦波负半周用同样办法也可以得到PWM波形。像这种把正弦波等效的PWM波形也称为SPWM波形。

图5-2 PWM控制的基本原理示意图

在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分，高次谐波对设备产生很强的干扰，甚至造成设备不能使用，周围仪器信号失真。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不是线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

5.2 变频器谐波的危害

一般来说，变频器对容量相对较大的电力系统影响较小，而对容量小的系统则影响较严重，此时谐波产生的干扰不能忽视。谐波对电力系统产生的危害主要表现

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在以下几个方面。

（1）对供配电线路的危害

影响线路的稳定运行。供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，它们容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

影响电网的质量。电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

（2）对电力设备的危害

对电力电容器的危害。当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

对电力变压器的危害。谐波使变压器的铜耗增大，谐波还使变压器的铁耗增大。由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，有时还发出金属声。

对电力电缆的危害。由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。

（3）对用电设备的危害

对电动机的危害。谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。

对低压开关设备的危害。全电磁型的断路器；热磁型的断路器；电子型的断路器，都可能因谐波产生误动作。

对弱电系统设备的干扰。 （4）影响电力测量的准确性

测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表容易产生误差，特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。

（5）谐波对人体有影响

从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。

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5.3 变频器谐波的抑制

抑制谐波的方法的基本思路有三，其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1；其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波，具体方法有以下几种[10,17,35,38,40]：

5.3.1 安装适当的电抗器 5.3.1.1 输入电抗器

在变频器的整流侧安装直流电抗器，或者在输入端安装交流电抗器（如图5-3所示）,从而削弱脉冲形状的电流波形的峰值，从而改善电流波形。所选电抗器的电压降应在负载额定电压2%～5%的范围中，以免降低了驱动电动机的电压。一般情况下，当安装电压降在5%的电抗器时，可以使高次谐波的含有率得到30%的改善。此外，电抗器还能改善功率因数。因为功率因数是由电源的有功和无功的比值来表示的，而谐波电流是无功电流，谐波电流越大，功率因数就越小。

图5-3 串联交流电抗器

建议在下列情况下使用输入交流电抗器：

a)变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10：1以下； b)同一电源上接有晶闸管设备或带有开关控制的功率因数补偿装置； c)三相电源的电压不平衡度较大(≥3%)；

由于交流电抗器体积较大，成本较高，变频器功率>30kW时才考虑配置交流电抗器。

直流电抗器串联在直流中间环节母线中（端子+，-之间），主要减小输入电流的高次谐波分量，提高输入电源的功率因数。此电抗器可与交流电抗器一起使用，变频器功率>30kW时才考虑配置。 5.3.1.2 输出电抗器

由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆

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较粗时，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，使电机无法正常工作，可以通过在变频器和电机间连接输出电抗器来进行(如图5-4)。

图5-4 串联输出电抗器

5.3.2 装设有源电力滤波器

滤波器分为LC滤波器和有源滤波器两种，分别如图5-5的a)和b)所示。LC滤波器由电抗器和电容器组成对高次谐波的共振电路，从而吸收高次谐波。有源滤波器是通过对电流中的高次谐波成分进行检测，并根据检测结果，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，以此抵消高次谐波，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，是目前谐波抑制方式的一种趋势，在日本等国已获得广泛应用。

图5-5 滤波器电路 a) LC滤波器 b) 有源滤波器

5.3.3 采用多相脉冲整流

在条件允许或是要求谐波在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。这种方法是利用并联的两组多脉波电路产生谐波相位差，相互抵消而成的。12相脉冲整流总谐波畸变率（THDV）大约为10%～15%，18相脉冲整流的THDV约为3%～8%，满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高。

现在以移相30°构成的12脉波整流电路为例，图5-6为此电路的原理图。整

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流变压器二次绕组分别采用星形和三角形联结，构成相位差30°、大小相等的两组电压，加到两组整流桥上。因绕组连接不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝数比如图中所示，为1:1:3。按照这种结构，运行时由于谐波相位抵消，去掉一部分谐波，因而使畸变率降低到8.8%（电压）、5.9%（电流），可见很有效果[19]。若采用18脉波、24脉波、30脉波则更好。

图5-6 12脉波整流电路原理图

5.3.4 使用滤波模块组件

目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模件或组件。这些滤波器具有较强的干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

5.3.5 PWM变频器

PWM整流电路是以节能和改善功率因数为宗旨的。对于电流源型PWM整流电路，可以直接对各开关器件进行正弦PWM控制，使输入电流接近正弦波且和电源电压同相位。这样，输入电流中就只含有与开关频率有关的谐波，这些谐波频率很高，因而容易滤除。同时，也得到接近1的功率因数。对于电压源型PWM整流电路，需要通过电抗器与电源相连。其控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制就是设法得到相位与电源电压相同、幅值由负载电流大小决定的电流指令信号，并据此信号跟踪控制PWM整流电路的电流。间接电流控制就是控制整流电路的输入端电压，使其接近正弦波的PWM波形，并和电源电压保持合适的相位，从而使流过电抗器的输入电流波形为与电源电压同相位的正弦波。

PWM整流电路配合PWM逆变电路可构成理想的四象限变频器，即双PWM变频器，如图5-7所示，这种变流器不但输出电压、电流均为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传送，代表这一技术领域的发展

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方向。针对PWM变频器的技术优势还有许多不同特点的调制技术，如正弦调制(SPWM)、空间矢量调制(SVPWM)、不连续调制(DPWM)、特定谐波消除技术(SHEPWM)、电压电流跟踪调制等，对于谐波的抑制都达到了较满意的效果[23,25]。

图5-7 双PWM变频器框图

5.3.6 采用三相驱动器

选用D-YN11接线组别的三相配电变压器。三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形，从而避免相电动势波形畸变的影响。

另外，减少或削弱变频器谐波的方法还有：在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以防止电机启动时瞬时过电压；使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前；采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器；选用具有开关电源的仪表等低压电器；信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰；在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

5.4 本章小结

本章主要介绍了变频调速技术带来的新问题——谐波，产生的原因以及所造成的对于电网、设备和人身方面的严重危害，最后介绍了几种减少和抑制谐波的处理方法。

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第6章 结论与展望

随着变频技术的不断发展，其在工业生产活动中所表现出来的经济效果越来越显著，应用范围也越来越广泛。本文以大力推广变频调速技术的使用为目的，根据实际调研数据和各种调速技术原理、技术特点，对各种调速方法进行了较全面的分析比较，得出以下几点结论：

1、安全性和稳定性方面，变频调速更胜一筹。由于内反馈和永磁调速是新技术，发展还不成熟，使用过程中出现的一些问题不易解决。水电阻调速受环境的温度影响较大，相对来说差一些。液力耦合器调速故障排查比较困难，而且需停机维修，损失较大啊，故安全性也差一些。

2、可靠性方面，变频调速较高。内反馈调速装置简洁，故障因素少，可靠性更高。永磁电机靠气隙调速，所以故障率很小，也是一种非常可靠的调速方法。

3、经济效益方面，变频调速更为突出。虽然初始投资较高，但其节能效果最为显著（与改造前比最高节能率可达50%），投资回收周期最短（一般两年就能收回成本），技术较成熟，维护费用低，发展速度快，有望降低初始投资成本，发展空间最大。

4、变频调速适用范围最广，笼型和绕线型电机均能使用，而且对电机容量大小、电压高低没有。

5、变频调速的自动化程度高，控制技术的发展，提高了变频调速技术的调节精度，使系统能保持良好的动、静态性能。

综上所述，变频调速技术在电动机调速中占有相当大的优势。变频控制技术使用得当，可以取得优秀的节能效果和调节品质。在实际的应用过程中还是有许多理论和技术需要去探讨和研究。本文建议在未来的研究和实践工作中可以对以下几个问题进行深入的分析和研究：

1、变频技术带来的除谐波以外的其他问题本文没有涉及，还需要详细研究； 2、新型电力电子器件在变频电机上的应用研究；

3、减少和抑制变频器产生的谐波的控制方式如模糊控制、智能控制等控制策略的研究。

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附 录

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攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

（一）发表的学术论文

[1]于娣, 梁伟平. DCS控制系统在布袋除尘器输灰系统中的应用[J]. 电力科学与工程. 2011, 27(2):53-57 （二）参加的科研情况

[1]“浙江浙能北伦发电有限公司高压电机调速技术研究” 2009年，已完成 [2]“山西兆丰铝业自备电厂输灰系统的除尘器改造” 2009年，已完成 [3]“天津杨柳青发电有限责任公司机炉协制改造” 2010年，已完成 [4]“合肥皖能600MW超临界机组系统仿真” 2010年，已完成

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致 谢

研究生阶段的学习和生活，培养了我思考和进行科研项目的能力。在此论文完稿之际，我对那些曾经帮助我的师长和同学表示诚挚的感谢！

首先，我要特别感谢我的导师梁伟平副教授，在论文选题和写作的整个过程中，梁老师给予了我悉心的指导。从论文的选题到课题的确定，从思想的梳理到具体的实现，从论文的撰写到最后的审稿，无不凝聚着老师的心血和汗水。梁老师严谨的科学态度、渊博的学识以及对于学术研究的敏锐洞察力都令我受益匪浅。在生活上导师和师母也给予了我们无微不至的关怀，引导我们积极乐观的生活态度。在此，我衷心的祝福导师和师母身体健康、工作顺利万事如意！

其次，非常感谢已毕业的师姐师兄邢红影、任平杰，在我三年的研究生学习和生活中给予了很大的帮助。感谢丁普秀、常保春、陈伟等师弟师妹的帮助。

还要感谢贾学翠、肖琪、王洪亮、王禹新等同舍好友在生活和学习上给予我的帮助，我们在一起度过了许多欢乐美好的时光，留下了许多珍贵的回忆！

在此，谨向敬爱的老师和同学们表示我最诚挚的感谢和美好的祝愿！

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