大唐河南熱電有限責任公司節(jié)能改造
摘 要：本文介紹了多電平高壓變頻器在大唐河南熱電有限責任公司#1爐送風機節(jié)能改造中的應用，分析了變頻系統(tǒng)的工作原理和風量的閉環(huán)控制方法，結果表明變頻技術可以達到有效節(jié)能的目的。
關鍵詞：高壓變頻器 送風機 節(jié)能
1 引言
隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的發(fā)展，電氣傳動技術正經歷著比較大的革新。工業(yè)生產領域大量使用的高壓感應異步電動機，已經由傳統(tǒng)的改變其它機械環(huán)節(jié)的控制方法，改造為直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進行速度調節(jié)和位移控制，從而可以提高生產工藝，降低能源消耗。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節(jié)能降耗不僅有近期的直接經濟效益，更有長遠的社會效益。
采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”式變頻器，具有結構簡單，工作可靠的特點，有很好的調速和起動與制動性能。由于采用不控整流和全控器件進行開關調制，具有輸入側高功率因數(shù)、整裝置優(yōu)良的控制性能和高的運行效率。特別是通過改變送給電動機的電流的頻率，在很寬的轉速范圍內進行高效率的轉速調節(jié)，可以取得很好的節(jié)電效果，在風機和水泵的節(jié)能改造上已經得到廣泛證實。
2 高壓變頻器的系統(tǒng)組成和原理
#1爐送風機為6kV/710kW，在對其進行變頻改造時，經過考察，選擇了深圳市安邦信電子有限公司生產的AMB-HVI系列高壓變頻裝置。該高壓變頻器為直接高－高結構，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，其主電路結構如圖1所示。
該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
圖1 單元串聯(lián)多電平變頻系統(tǒng)主電路結構圖
2.1 功率單元
AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個的功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結構，有互換性。每個功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，同時還包括驅動、保護、監(jiān)測、通訊等組件組成的控制電路，其結構如圖2所示。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個功率單元額定輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線電壓達到6kV。
圖2 變頻器功率單元圖
AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，但輸出波形的等效開關頻率可以達到單元開關頻率的6倍，且輸出電平數(shù)增加，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平，電平數(shù)和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，其輸出波形如圖3所示。
圖3 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形
2.2 IGBT驅動原理
在AMB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅動模塊對主控系統(tǒng)輸出的PWM控制信號進行隔離、緩沖處理后，使弱電信號（TTL電平）能夠驅動高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。
驅動模塊輔助功能還包括：對IGBT進行短路、過流、欠壓監(jiān)測和保護。當負載或功率單元一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等方面故障，驅動模塊將故障信號上傳到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)的微處理器將根據(jù)故障類型進行辨別處理后，發(fā)出命令使驅動模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時主機中故障處理控制邏輯還會根據(jù)故障類型進行更進一步判斷，以決定系統(tǒng)是否發(fā)生真正的故障，以便系統(tǒng)采取報警停機或繼續(xù)運行，以保護變頻器與配電系統(tǒng)的安全，不至于造成更大的故障和更大的經濟損失。
2.3 輸入變壓器
AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為6kV，副邊共十八個繞組分為三相。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，使得輸入側功率因數(shù)在0.96以上，不會對電網(wǎng)造成超過國家標準的諧波干擾。
圖4 移相變壓器電氣原理圖
3 改造方案
考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產，確保系統(tǒng)正常工作，配置工頻旁路，當變頻器出現(xiàn)故障時，將電機投切到工頻下運行。整個系統(tǒng)由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺送風機組成，下圖為送風機變頻方案示意圖。
圖5 送風機變頻方案示意圖
圖5中共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1與K3采用一個雙投隔離開關，實現(xiàn)自然機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當K2、K3閉合，K1斷開時，電機運行在變頻狀態(tài)；當K2、K3斷開，K1閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
在變頻改造以前，#1爐兩臺送風機均采用調節(jié)風板開度的方式控制鍋爐進風量，由于其電機裕量較大，因而電能的浪費特別嚴重，同時由于頻繁的對風板進行操作，導致風板的可靠性下降，影響機組的穩(wěn)定運行。且電機工頻起動特別困難，起動電流大，對電網(wǎng)沖擊較大，并造成電機籠條松動、有開焊斷條的危險。一般起動后不允許停機。
進行變頻改造后，送風機的風板開度保持全開，基本不需要改變，根據(jù)實際所需的風壓，由DCS系統(tǒng)通過PID調節(jié)計算，輸出4~20mA模擬電流信號發(fā)給變頻器，通過調節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節(jié)送風量的目的，滿足運行工況的要求。
同時，進行變頻改造后電機在啟動和調節(jié)過程中，轉速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用。
4 節(jié)能效果
大唐河南熱電有限公司#1爐送風機經過變頻改造后提高了運行的自動化程度，降低了大量電能損耗，較大程度地降低了運行成本，取得了較好的經濟效益和社會效益，具體節(jié)能分析如表1所示。
表1 以甲送風機為例（電機功率710KW、額定電壓6KV）
鍋爐蒸汽(T/h) | 270 | 300 | 350 | 420 | 備注 |
變頻輸入電流(A) | 11 | 13 | 20 | 30 | COSΦ=0.96 |
變頻輸入功率(Kw) | 109.74 | 129.69 | 199.52 | 299.28 | |
工頻運行電流(A) | 45 | 45 | 48 | 52 | COSΦ=0.85 |
工頻運行功率(Kw) | 397.49 | 397.49 | 423.99 | 459.32 | |
節(jié)約功率(Kw) | 287.75 | 269.79 | 224.46 | 160.03 | |
每天運行時間(h) | 6 | 6 | 6 | 6 | |
節(jié)約電能/天（Kw.h） | 5640.18 | ||||
空調、照明耗電/天(Kw.h) | 400 | ||||
總節(jié)能/年(Kw.h) | 1518054 | 按300天運行 | |||
5 結論
大唐河南熱電有限公司#1爐送風機經過變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機實現(xiàn)了軟啟動，延長設備的使用壽命，減少維修量；電機的振動情況得到了改善，取得了預期的效果。
中高壓變頻調速系統(tǒng)是實施有效節(jié)能的重要裝備，是國家當前社會經濟發(fā)展的急需，在加快建設節(jié)約型社會的歷史進程中，我們必將迎來一個高壓變頻調速技術發(fā)展和推廣應用的時代
參考文獻
[1] 黃立培主編 電動機控制 北京；清華大學出版社2003.
[2] 胡崇岳主編 現(xiàn)代交流調速技術 北京：機械工業(yè)出版社2001.
[3] 李永東，交流電機數(shù)字控制系統(tǒng). 北京：機械工業(yè)出版社，2003。
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