技术介绍 SEC系列高频斩波串级调速系统技 术 介 绍保定华仿电控有限公司 二四年十月二十八日目 录前 言4第一章 串级调速基本原理51.1 异步电动机调速的基本方法51.2 串级调速的基本原理61.3 传统串级调速81.4 现代串级调速91.5 现代串级调速技术的主要优点10第二章 SEC高频斩波串级调速系统构成11第三章 内反馈交流调速三相异步电动机123.1 基本原理123.2 主要用途123.3 技术指标12第四章 SEC系列高频斩波串级调速装置144.1 基本原理及构成144.2 产品系列及型号164.3 主要功能165.1 调速系统主要技术参数195.2 SEC系列高频斩波串级调速系统技术特点19第六章 可靠性及质量保证216.1 可靠性保证措施216.2 遵循标准226.3 质量保证和技术服务22第七章 节能效益分析237.1 水泵运行特性237.2 水泵阀门调节特性247.3 水泵调速节能原理247.4 节能效率分析25第八章 应用实例278.1 项目基本情况278.2 主要测试及运行结果278.3 结论30第九章 使用环境条件及用户订货需知339.1 装置使用的环境条件339.2 订货需知:33前 言由三相异步电机拖动的风机、水泵是国民经济中应用广泛的生产设备，其耗电量占发电总量的40%以上。目前，大多数风机、水泵都采用阀门或档风板来调节流量以满足负荷变化的要求，或采用一些低效调速方法，浪费电能严重。因而高效节能调速技术对经济可持续发展具有特别重要的意义。在高效调速技术方面，有变频调速和串级调速技术。它们的一个重要区别在于变流控制装置(调速装置)的控制点不同。变频技术控制电机的定子侧，而串级调速控制电机的转子侧。变频调速装置需要承受供电电压和控制电机的全部功率, 因而在低压，小容量电机上应用广泛，而在高压大容量电机应用上存在诸多问题和困难。而串级调速装置承受的是转子回路低的电压和较电机额定功率小的多的转差功率，因而在高压大容量电机调速上具有突出的优势。串级调速作为异步电动机十分经典的调速方法之一，长期以来人们进行了大量研究与实践。近年,随着电力电子技术和计算机控制技术的应用，串级调速技术产生飞跃的发展，在高压大中型电动机节能调速应用方面以其控制电压低、控制功率小,系统简单,运行可靠,节电率高而展现出光明的应用前景。保定华仿电控有限公司致力于电力电子节能产品研发和生产。目前公司主要产品为SEC系列高频斩波串级调速系统。公司的技术人员在经典串级调速理论基础上，应用现代电机技术、电力电子技术和计算机控制技术的先进成果，研制出高效节能型机电一体化的新一代高科技产品，即SEC系列高频斩波串级调速系统。使得传统串级调速技术焕发了新的生机，得到了广泛的应用。该产品具有优良的调速性能和高节能率，适合于高压大中型电机调速节能应用。范围包括了3KV、6KV、10KV电压等级，220KW5400KW电机容量，424极电机极数的高压电机。可广泛地应用于电力、水利、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域中的风机、泵类及其他类负载的节能调速。第一章 串级调速基本原理1.1 异步电动机调速的基本方法三相异步电动机的转速为：n =(1-s)N =(1-s)60f/p(1-1)其中：n为电机实际转速N为同步转速s为转差率f为电源频率p为电机极对数 由电机的转速表达式可以看到,改变电机转速的办法有以下三种：改变电机极数P，改变供电电源频率f和改变电机转差率s。1.1.1 变极调速。电机的转速与电机的极对数成反比。因此，通过改变电机定子绕组的接线方式，或在定子槽内嵌放几套不同极对数的独立绕组，使电机运行在不同的极对数下，便能得到不同的转速。这种调速方式原理简单，但只能逐级调速，不能实现平滑无级调速，且电机制造与接线变得复杂。一种典型的变极接线方式如图1-1所示。图1-1.变极调速1.1.2 变频调速由式(1-1)可以看出，改变供电电源频率便可改变异步电动机的同步转速，从而改变电动机转子的转速。变频调速就是在供电电源和电机定子间加入一变频装置,将50Hz工频电源变成频率和电压可调的电源后给定子供电。变频调速具有适用范围广、调速范围较大、有好的调速平滑性与硬机械特性的特点，因此，得到了较为广泛的关注和应用。其典型原理如图1-2所示。图1-2.变频调速1.1.3 变转差率调速转子串附加电势调速,即串级调速,属变转差率调速。在转子回路中串入可吸收电功率的附加电动势，通过改变附加电动势的大小和相位，来达到改变转子电流,电磁转矩和转速的目的,转速在低于同步转速以下调整,同时将转子回路的转差功率回收，达到高效节能目的。串级调速原理见以下图1-5、1-6、1-7所示. 1.2 串级调速的基本原理由于电机的电磁转矩：(1-2)其中：为转矩常数为磁通为转子电流为转子功率因数可见电机转矩与转子电流成正比。转子电流为： (1-3)其中：为转子感应电势为转子电阻为转子电抗s为转差率当在转子回路引入附加电动势时(1-4)此时，电机等效电路可表示为：图1-3.转子串入等效电势时等效电路其中：为定子电压为定子电阻为定子电抗为激磁电阻为激磁电抗为折算至定子侧的转子电阻为折算至定子侧的转子电抗s为转差率当附加电势与转子电势反相并增大时，电机转速下降并调整的过程如图1-4所示。当机械转矩与电磁转矩平衡时,电机稳定在新的转速。图1-4.转子串入等效电势时降速调速过程1.3 传统串级调速传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接。为了便于在转子回路中串入合适的附加电势,往往将转子交流整流成直流,在直流回路中串入可变直流电势来实现。装置将转子三相交流整流成直流并平波后,由有源逆变器提供串入的直流反电势同时将转子转差功率再逆变为工频交流,通过逆变变压器回馈至电网吸收。等效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角（移相触发）来实现的。其原理如图1-5所示： 图1-5 传统串级调速原理1.4 现代串级调速由于传统串级调速是通过调整逆变器的逆变角（移相触发）来实现对等效反电势的调节的。这种移相触发的方法存在着功率因数低及可靠性差的缺点。现代串级调速则把逆变角固定下来并设在最小值，产生一恒定的附加直流反电势,等效电势大小的调节由斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率（即占空比或PWM调制脉宽），来改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的。当使用逆变变压器将转差功率吸收并回馈至电网时，称为外反馈式串级调速，其原理如图1-6所示。如在电动机定子绕组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组,则定子铁芯中的反馈绕组和定子绕组构成并代替了逆变变压器，将转差功率通过反馈绕组及定子绕组吸收并回馈至电网，这称为内反馈式串级调速，其原理如图1-7所示。加有反馈绕组的电机称为内反馈电动机。由于通过增加内反馈绕组而省去了逆变变压器，同时也节省了相关的电气设备，使整个系统更为紧凑、简单。图1-6 现代串级调速原理（外反馈式）图1-7 现代串级调速原理（内反馈式）1.5 现代串级调速技术的主要优点现代串级调速技术具有其突出的优点，主要包括：l 调速范围宽，无级，平滑。l 具有良好的硬机械特性。l 串级调速是在电机转子侧施加控制，因而:- 其控制电压低,仅几百伏至一千多伏、- 变流装置控制容量小,对于风机、泵类负载，总控制容量仅为电机额定容量 的14.815%。 - 串级调速装置自身功耗小，比变频调速低2至4百分点，因而效率最高。- 因变流容量小,变流发生在转子一侧,因而谐波分量小。- 因变流容量小,变流电压低,装置可靠性高。- 调速系统简单，尺寸小，占用场地少。l 最新斩波技术的采用，使其功率因数、调速范围、调速精度等指标明显提高。l 由于串级调速使用绕线式电机，能够有效控制电机起动电流。l 内反馈式高频斩波串级调速系统，省去了逆变变压器及相关电气设备，使得系统更为简单。第二章 SEC高频斩波串级调速系统构成SEC系列高频斩波串级调速装置可根据用户的需要构成外反馈式或内反馈式调速系统。外反馈式调速系统由高频斩波串级调速控制装置、绕线式电动机、逆变变压器及相关设备和远方控制单元组成。内反馈式调速系统由高频斩波串级调速控制装置、内反馈绕线电动机和远方控制单元组成。内反馈式高频斩波串级调速系统的组成如图1-9所示。图2-1 SEC高频斩波串级调速系统构成其中,远方控制单元为运行人员提供在远方控制室内的运行参数监视、故障报警监视及运行调整操作。可根据用户的需要设计为不同的方式，如控制柜、控制台、控制面板或DCS控制画面和接口。内反馈电机及SEC系列高频斩波串级调速控制装置的介绍见第三章及第四章。第三章 内反馈交流调速三相异步电动机3.1 基本原理内反馈交流调速三相异步电动机，是根据内反馈式串级调速原理设计、制造的调速电机。并已成为大型电机生产厂家的定型系列产品。该电机机座、机高等均与同容量标准绕线电机相同，性能指标均按普通电机国标制造。其内反馈绕组与定子绕组同槽嵌放，当系统工作在调速状态时，调速装置中的有源逆变器通过内反馈绕组，将转差功率回馈至电网，替代了传统串级调速的逆变变压器及相关的电气设备,结构更紧凑合理。由高频斩波串级调速装置与内反馈调速电机构成的内反馈式串级调速系统，既具有优良的无级调速特性，有效地抑制了谐波对电网的污染，又可取得更高的节能效果。 3.2 主要用途本电机配以调速装置后，适用于拖动水泵、风机的大、中型电机的节能调速，也适用于其它类型转矩负载的拖动，具有显著的节能效果。内反馈电机除作调速运行以外，还可作普通绕线式异步电机使用。作普通绕线式异步电机使用时，电机的各项性能指标均不低于同类绕线式异步电机的国家标准。 3.3 技术指标l 内反馈电机机座、机高等均与同容量标准电机相同，除内反馈绕组外，性能指标均按普通电机国标制造。l 内反馈式调速三相感应电动机技术参数：以设计为准。l 绝缘等级：B F l 防护等级：GB 4208-1993外壳防护等级中规定的防护等级l 环境温度：-5-40l 中心高尺寸误差1mm。l 严格控制的电刷和滑环制造工艺和材料，保证了其长期使用的可靠性。第四章 SEC系列高频斩波串级调速装置4.1 基本原理及构成SEC系列高频斩波串级调速控制装置是公司最新推出的新一代串级调速控制装置。该装置主要组成见图4-1，系统主接线原理如图4-2所示。图4-1.高频斩波串级调速装置原理框图图4-2 SEC高频斩波串级调速装置主回路图4.1.1 启动单元。启动单元由频敏变阻器PF、接触器1KM、接触器2KM构成。大型电动机启动时产生较大的起动电流,对电网造成较大的冲击。为减小起动电流，使电机平稳起动，在高频斩波串级调速装置中，加设了