高壓變頻器在同力電廠風機節能中的實踐與應用

　　1 引言

　　中國政府在第十到第十一個“五年計劃”的節能計劃中，把“電機系統節能”列為重中之重，“發展電機調速節電和電力電子節電技術”，“逐步實現電動機、風機、泵類等設備和系統的經濟運行”。另一方面，國家計委在“十五”計劃綱要中明確提出了要“改變工業增長方式”，“鼓勵采用高新技術和先進適用技術改造傳統產業”，指出一個國家綜合實力的重要基礎是國家的裝備制造業，提出“大力振興裝備制造業”的重要指導思想，“大力推進機電一體化”，形成新的經濟增長點。

　　從2005年中國電力企業聯合會主辦的中國電力論壇上獲悉，目前我國的電力裝機容量達到4.4億kw，其中有3.25億kw是火電，火電的發電量占到總發電量的82.6％。而且，火電比重過大的局面今后可能進一步加劇。火電廠中的各類輔機設備中，風機水泵類設備占了絕大部分，蘊藏著巨大的節能潛力。

　　河南鶴壁同力電廠兩臺機組2×300mw采用東方鍋爐廠生產的dg1025/18.2-ii12型自然循環汽包爐，風煙系統采用雙引風機、雙送風機，冷一次風機熱風送粉形式。風機型號分別為 fta19-9.5-1、sfg-17.5f-c5a型。配置功率分別為2800kw、630kw、710kw 電壓為6kv的三相交流異步電動機，送風機采用動葉調節，引風機采用靜葉調節，一次風機工頻采用入口擋板調節，這種配置的缺點是擋板兩側風壓差造成節流損失，同時風機擋板執行機構為大力矩電機執行器易出故障，風機自動率較低。

　　本次變頻改造針對兩臺發電機組的四臺一次風機，經我廠多方面考察，最終采用東方日立（成都）電控設備有限公司生產的變頻器，型號為dfvecrt-mv-900/6c變頻器，共四套。目前經過對變頻器的調試運行、驗證，達到了預期效果，安裝工藝、操作控制都有了突破性進展。

　　2 采用變頻調速節能的基本原理

　　2.1 風機水泵的有關理論

　　由電機學原理可知，交流電動機的同步轉速n0與電源頻率f1、磁極對數p之間的關系式為:

　　n0=60f1/p (r/min)
異步電動機的轉差率s的定義式為:
s=(n0－n)/n0=1－n/n0
則可得異步電動機的轉速表達式為:
n=n0(1－s)=(1－s)60f1/p

　　可見，要調節異步電動機的轉速，可通過改變電源頻率的方式來實現，該調速的方法即為變頻調速。

　　2.2 風機水泵的調速節能

　　由于火電機組調峰力度的加大，這些機組的負荷變化范圍很大，必須實時調節風機水泵的流量。目前調節流量的方式多為節流閥調節，由于這種調節方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動機的輸出功率并沒有多大改變，所以浪費了大量的能源。由于流量與轉速成正比，如果風機能在調速狀態下運行，則可將風機擋板全開，使風道的阻力減小至最小，通過調整風機的轉速來調整風量，此時風機可以始終處于高效點運行。而由于風機消耗的功率與轉速的三次方成正比，所以通過降低轉速以減少流量來達到節流目的時，所消耗的功率將降低很多。由于我國在電力設計規程上的種種原因，給水泵、引風機、送風機等以及其配套的大電機都存在著“大馬拉小車”的現象。所以改造風機為調速運行，能帶來巨大經濟效益。

　　3 單元串聯多重化電壓源型變頻器的基本原理

　　3.1 系統結構

　　dfcvert-mv系列無電網污染高壓大功率變頻器是采用直接“高-高”的變換形式，由多個功率單元構成多重化串連的拓撲結構，每個單元輸出固定的低壓電平，再由多個單元串聯疊加為所需的高壓。以6kv每相六單元串聯為例,電壓疊加如圖1所示，變頻器電路原理示意圖如圖2所示。每相由6個相同的功率單元串聯而成，相電壓為3464v。每個功率單元輸出有效值ve＝577v，峰值輸出電壓 。

圖1 6kv變頻器電壓疊加示意圖

　　多重化串聯結構使用低壓器件實現了高壓輸出，降低了對功率器件的耐壓要求。它對電網諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足了ieee519-1992的諧波抑制標準的要求;輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置;輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，對普通異步電機不必加輸出濾波器就可以直接使用。

圖2 6級6kv變頻器電路原理示意圖

　　3.2 功率單元

　　功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋式整流器、預充電回路、電容器組、igbt逆變橋、直流母線和旁通回路構成，同時還包括電源、驅動、保護監測、通訊等組件組成的控制電路。單元結構如圖3所示。各功率單元具有完全相同的結構，有互換性。

　　功率單元由移相變壓器的一組副邊供電，通過三相全橋整流器將交流輸入整流為直流，并將能量儲存在電容組中。電容器組根據單元電壓選擇并聯或串連，如母線電壓為815v，則將三組電容串連起來以滿足耐壓要求，每組電容器根據單元容量的大小選擇并聯個數。控制部分通過冗余設計的電源板從直流母線上取電，接收主控系統發送的pwm信號并通過控制igbt的工作狀態，輸出pwm電壓波形。

　　監控電路實時監控igbt和直流母線的狀態，將狀態反饋回主控系統。在單元出現重故障時，主控將打開功率單元的旁通回路，使單元進入旁通狀態，避免整個變頻器停機。

　　每個單元輸出pwm波，將每相n個功率單元的輸出電壓疊加，產生多重化的相電壓波形，使相電壓產生出2n+1個電壓臺階，6個功率單元輸出的pwm波形及疊加之后的相電壓波形如圖4所示。

　　3.3 移相變壓器

　　移相變壓器電氣原理如圖5所示: 變壓器（以輸入6kv變壓器為例）原邊繞組為6kv,副邊共18個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5o、±15o、±25o等移相角度，每個繞組接一個功率單元。這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進行隔離降壓，不會對電網造成超過國家標準的諧波干擾。

圖3 變頻器功率單元

圖4-1 變頻器一次原理圖

圖4 變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形

圖5 移相變壓器柜電氣原理圖

　　4 可靠性分析

　　設備改造原則上應以最可靠的系統、最少的投入、最短的時間、帶來最好的效益為目標。當然可靠性始終還是要放在首位，為了保證系統的連續運行，筆者為變頻器配備了工頻和變頻自動切換功能。當變頻器需正常檢修或故障時，變頻器可自動切換到工頻旁路運行;當變頻器正常檢修完成后，電動機可在工頻旁路運行的情況下自動投入變頻運行。詳細的系統如圖6所示。我們通過現場反復的試驗證明，整個切換過程在幾秒中內即可完成，對系統沒有任何擾動，可保證系統的安全連續運行，整個改造沒有任何風險。

　　5 經濟效益分析

　　由于在相同條件下風壓和流量的大小與電機電流的大小成正比所以這里只用工頻運行檔板調節時的電機電流和變頻調節時變頻器的輸入電流作一比較，以說明節電效果。

　　在機組變工況運行時電源側電流見表1（24次平均值）。

表1 機組變工況運行時電源側電流

　　以下公式可估算出節電的結果:

　　p= uicosφ
式中:p為電功率（kw）;
i為電流（a）;
u為電壓（v）;
cosφ-功率因數，一次風機為0.84，變頻器為0.98。
根據p= uicosφ可得出計算結果如表2所示。

　　表2 計算結果

　　根據表2可得出#1爐可節電能421.2kw·h。

　　以上只是利用電流的變化做一比較，在實際運用中各種運行工況的不同節能效果也不一樣。所以實際節能和估算的結果會有一定的出入，但從結果上看節能還是非常顯著的。

　　6 結束語

　　我廠#1爐變頻器自2005年安裝調試，2005年5月正式投入運行。在調試及運行中變頻器經歷了多種方式的考驗，突破了變頻器與相關設備相匹配的各種難點，實踐證明高壓變頻裝置節能效果明顯，實現了電機的軟啟動，也減少了風道的振動。總之東方日立（成都）電控設備有限公司生產的變頻器在#1爐風機系統中應用是很成功的。隨著變頻技術的發展作為大容量傳動的國產高壓變頻調速技術也得到了廣泛的應用，在電力行業對于許多高壓大功率的輔機設備推廣和采用變頻技術不僅可以取得相當顯著的節能效果，而且也得到了國家產業政策的支持，代表了今后更多行業節能技術的方向。目前很多行業越來越多的人員對此都形成廣泛的共識。