高压变频器在电厂风机节能中的实践与应用
2006/3/3 16:46:00
Abstract: This paper introducs the application of high voltage inverter in air fan.By this frequency conversion alteration ,it achieves energy-saving.
Key words: High voltage inverter Energy saving
一、概述
中国政府在第十到第十一个“五年计划”的节能计划中，把“电机系统节能”列为重中之重，“发展电机调速节电和电力电子节电技术”，“逐步实现电动机、风机、泵类等设备和系统的经济运行”。另一方面，国家计委在“十五”计划纲要中明确提出了要“改变工业增长方式”，“鼓励采用高新技术和先进适用技术改造传统产业”，指出一个国家综合实力的重要基础是国家的装备制造业，提出“大力振兴装备制造业”的重要指导思想，“大力推进机电一体化”，形成新的经济增长点。
从2005年中国电力企业联合会主办的中国电力论坛上获悉，目前我国的电力装机容量达到4.4亿千瓦，其中有3.25亿千瓦是火电，火电的发电量占到总发电量的82.6％。而且，火电比重过大的局面今后可能进一步加剧。火电厂中的各类辅机设备中，风机水泵类设备占了绝大部分，蕴藏着巨大的节能潜力。
河南鹤壁同力电厂两台机组2*300MW采用东方锅炉厂生产的DG1025/18.2—II12型自然循环汽包炉，风烟系统采用双引风机、双送风机，冷一次风机热风送粉形式。风机型号分别为 FTA19—9.5—1、SFG—17.5F—C5A型。配置功率分别为2800kW、630kW、710kW 电压为6KV的三相交流异步电动机，送风机采用动叶调节，引风机采用静叶调节，一次风机工频采用入口挡板调节，这种配置的缺点是挡板两侧风压差造成节流损失，同时风机挡板执行机构为大力矩电机执行器易出故障 ，风机自动率较低。为此机组设计对一次风量的调节采用变频调速技术。以1#炉为例两台一次风机选择了东方日立（成都）电控设备有限公司生产的变频器，型号为DFVECRT—MV—900/6C变频器以达到节能降耗及提高自动化水平。目前经过对1#炉变频器的调试运行，验证收到了预期效果，安装工艺、操作控制都有了突破性进展 。
二、采用变频调速节能的基本原理
2.1风机水泵的有关理论
由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：
n0=60f1/P(r/min)
异步电动机的转差率s的定义式为：
s=(n0－n)/n0=1－n/n0
则可得异步电动机的转速表达式为：
n=n0(1－s)=(1－s)60f1/P
可见，要调节异步电动机的转速，可通过改变电源频率的方式来实现，该调速的方法即为变频调速。
2.2风机水泵的调速节能
由于火电机组调峰力度的加大，这些机组的负荷变化范围很大，必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗，而电动机的输出功率并没有多大改变，所以浪费了大量的能源。由于流量与转速成正比，如果风机能在调速状态下运行，则可将风机挡板全开，使风道的阻力减小至最小，通过调整风机的转速来调整风量，此时风机可以始终处于高效点运行。而由于功率与转速的3次方成正比，所以通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。由于我国在电力设计规程上的种种原因，给水泵、引风机、送风机等以及其配套的大电机都存在着“大马拉小车”的现象。所以改造风机为调速运行，既使在满负荷时仍能带来巨大经济效益。
三、单元串联多重化电压源型变频器的基本原理
3.1系统结构
DFCVERT-MV 系列无电网污染高压大功率变频器是采用直接“高-高”的变换形式，由多个功率单元构成多重化串连的拓扑结构，每个单元输出固定的低压电平，再由多个单元串连叠加为所需的高压。以6kV每相六单元串联为例,电压叠加如图3-1所示，变频器电路原理示意图如图3-2所示。每相由六个相同的功率单元串联而成，相电压为3464V。每个功率单元输出有效值Ve＝577V，峰值输出电压 。
图3-1 6kV变频器电压叠加示意图
多重化串连结构使用低压器件实现了高压输出，降低了对功率器件的耐压要求。它对电网谐波污染非常小，输入电流谐波畸变率小于4%，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准；输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形接近正弦波，不存在输出谐波引起的电机发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，对普通异步电机不必加输出滤波器就可以直接使用。
图3-2 6级6kV变频器电路原理示意图
3.2功率单元
功率单元主要由输入熔断器、三相全桥式整流器、预充电回路、电容器组、IGBT逆变桥、直流母线和旁通回路构成，同时还包括电源、驱动、保护监测、通讯等组件组成的控制电路。单元结构如图3-3所示。各功率单元具有完全相同的结构，有互换性。
功率单元由移相变压器的一组副边供电，通过三相全桥整流器将交流输入整流为直流，并将能量储存在电容组中。电容组根据单元电压选择并联或串连，如母线电压为815V，则将三组电容串连起来以满足耐压要求，每组电容根据单元容量的大小选择并联个数。控制部分通过冗余设计的电源板从直流母线上取电，接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。
监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，将状态反馈回主控系统。在单元出现重故障时，主控将打开功率单元的旁通回路，使单元进入旁通状态，避免整个变频器停机。
每个单元输出PWM波，将每相N功率单元的输出电压叠加，产生多重化的相电压波形，使相电压产生出2N+1个电压台阶，六个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如图3-4所示。
图3-3 变频器功率单元
图3-4 变频器的单元输出波形及相电压叠加波形
3.3移相变压器
移相变压器电气原理如图3-5所示: 变压器（以输入6kV变压器为例）原边绕组为6kV, 副边共十八个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每个绕组接一个功率单元。这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波。因此，采用移相变压器进行隔离降压，不会对电网造成超过国家标准的谐波干扰。
图3-5 移相变压器柜电气原理图
四、可靠性分析
设备改造原则上应以最可靠的系统、最少的投入、最短的时间、带来最好的效益。当然可靠性始终还是要放在首位，为了保证系统的连续运行，我们为变频器配备了工频和变频自动切换功能。当变频器需正常检修或故障时，变频器可自动切换到工频旁路运行；当变频器正常检修完成后，电动机可在工频旁路运行的情况下自动投入变频运行。详细的系统见图4－1。我们通过现场反复的试验证明，整个切换过程在几秒中内即可完成，对系统没有任何扰动，可保证系统的安全连续运行，整个改造没有任何风险。
五、经济效益分析
由于在相同条件下风压和流量的大小与电机电流的大小成正比所以这里只用工频运行档板调节时的电机电流和变频调节时变频器的输入电流作一比较从而说明节电效果
在机组变工况运行时电源侧电流见表一 （24次平均值）
表一
风机名称 工频档板调节时电流（A） 变频调节时输入电流（A）
3A
一
次
风
机 机组出力 平均电流 机组出力 对应电流
300MW 85．0 300MW 40.88
250MW 71．0 250MW 38.17
220MW 65．0 220MW 33．2
200MW 60．1 200MW 29.2
170MW 54．4 170MW 28．1
150MW 52．1 150MW 26.8
3B
一
次
风
机 机组出力 平均电流 机组出力 对应电流
300MW 86．1 300MW 42.6
250MW 72．8 250MW 40.4
220MW 66．5 220MW 36.2
200MW 59．7 200MW 27.9
170MW 59．1 170MW 27.1
150MW 58．9 150MW 26.8
以下公式可估算出节电的结果
P= U. I. COSΦ
P——电功率 I——电流 U——电压
COSΦ—功率因数 一次风机为0.84 变频器为0.98
根据P=I.U. .COSΦ可得计算结果见表二
表二
风机名称 工频时电源输出功率（KW） 变频时电源输出功率（KW）
3A一次风机 710 488．7
3B一次风机 710 510．1
总 功 率 1420 998．8
根据表二可得出#1炉每小时可节能421.2度电
以上只是利用电流的变化做一比较，在实际运用中各种运行工况的不同节能效果也不一样。所以实际节能要比估算的结果有一定的出入，但从结果上看节能还是非常显著的。
六、结束语
我厂#1炉变频器自2005年安装调试，2005年5月正式投入运行。在调试及运行中变频器经历了多种方式的考验，突破了变频器与相关设备相匹配的各种难点，实践证明高压变频装置节能效果明显，实现了电机的软启动，也减少了风道的振动。总之东方日立（成都）电控设备有限公司生产的变频器在#1 炉风机系统中应用是很成功的。随着变频技术的发展作为大容量传动的国产高压变频调速技术也得到了广泛的应用，在电力行业对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用变频技术不仅可以取得相当显著的节能效果，而且也得到了国家产业政策的支持，代表了今后更多行业节能技术的方向。目前很多行业越来越多的人员对此都形成广泛的共识。
参考文献
[1] 吴忠智 吴加林 变频器应用手册 机械工业出版社
[2] 韩安荣 通用变频器及其应用 机械工业出版社
[3] 东方日立 用户手册 东方日立（成都）电控设备有限公司
作者简介：
Key words: High voltage inverter Energy saving
一、概述
中国政府在第十到第十一个“五年计划”的节能计划中，把“电机系统节能”列为重中之重，“发展电机调速节电和电力电子节电技术”，“逐步实现电动机、风机、泵类等设备和系统的经济运行”。另一方面，国家计委在“十五”计划纲要中明确提出了要“改变工业增长方式”，“鼓励采用高新技术和先进适用技术改造传统产业”，指出一个国家综合实力的重要基础是国家的装备制造业，提出“大力振兴装备制造业”的重要指导思想，“大力推进机电一体化”，形成新的经济增长点。
从2005年中国电力企业联合会主办的中国电力论坛上获悉，目前我国的电力装机容量达到4.4亿千瓦，其中有3.25亿千瓦是火电，火电的发电量占到总发电量的82.6％。而且，火电比重过大的局面今后可能进一步加剧。火电厂中的各类辅机设备中，风机水泵类设备占了绝大部分，蕴藏着巨大的节能潜力。
河南鹤壁同力电厂两台机组2*300MW采用东方锅炉厂生产的DG1025/18.2—II12型自然循环汽包炉，风烟系统采用双引风机、双送风机，冷一次风机热风送粉形式。风机型号分别为 FTA19—9.5—1、SFG—17.5F—C5A型。配置功率分别为2800kW、630kW、710kW 电压为6KV的三相交流异步电动机，送风机采用动叶调节，引风机采用静叶调节，一次风机工频采用入口挡板调节，这种配置的缺点是挡板两侧风压差造成节流损失，同时风机挡板执行机构为大力矩电机执行器易出故障 ，风机自动率较低。为此机组设计对一次风量的调节采用变频调速技术。以1#炉为例两台一次风机选择了东方日立（成都）电控设备有限公司生产的变频器，型号为DFVECRT—MV—900/6C变频器以达到节能降耗及提高自动化水平。目前经过对1#炉变频器的调试运行，验证收到了预期效果，安装工艺、操作控制都有了突破性进展 。
二、采用变频调速节能的基本原理
2.1风机水泵的有关理论
由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：
n0=60f1/P(r/min)
异步电动机的转差率s的定义式为：
s=(n0－n)/n0=1－n/n0
则可得异步电动机的转速表达式为：
n=n0(1－s)=(1－s)60f1/P
可见，要调节异步电动机的转速，可通过改变电源频率的方式来实现，该调速的方法即为变频调速。
2.2风机水泵的调速节能
由于火电机组调峰力度的加大，这些机组的负荷变化范围很大，必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗，而电动机的输出功率并没有多大改变，所以浪费了大量的能源。由于流量与转速成正比，如果风机能在调速状态下运行，则可将风机挡板全开，使风道的阻力减小至最小，通过调整风机的转速来调整风量，此时风机可以始终处于高效点运行。而由于功率与转速的3次方成正比，所以通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。由于我国在电力设计规程上的种种原因，给水泵、引风机、送风机等以及其配套的大电机都存在着“大马拉小车”的现象。所以改造风机为调速运行，既使在满负荷时仍能带来巨大经济效益。
三、单元串联多重化电压源型变频器的基本原理
3.1系统结构
DFCVERT-MV 系列无电网污染高压大功率变频器是采用直接“高-高”的变换形式，由多个功率单元构成多重化串连的拓扑结构，每个单元输出固定的低压电平，再由多个单元串连叠加为所需的高压。以6kV每相六单元串联为例,电压叠加如图3-1所示，变频器电路原理示意图如图3-2所示。每相由六个相同的功率单元串联而成，相电压为3464V。每个功率单元输出有效值Ve＝577V，峰值输出电压 。
图3-1 6kV变频器电压叠加示意图
多重化串连结构使用低压器件实现了高压输出，降低了对功率器件的耐压要求。它对电网谐波污染非常小，输入电流谐波畸变率小于4%，满足IEEE519-1992的谐波抑制标准；输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形接近正弦波，不存在输出谐波引起的电机发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，对普通异步电机不必加输出滤波器就可以直接使用。
图3-2 6级6kV变频器电路原理示意图
3.2功率单元
功率单元主要由输入熔断器、三相全桥式整流器、预充电回路、电容器组、IGBT逆变桥、直流母线和旁通回路构成，同时还包括电源、驱动、保护监测、通讯等组件组成的控制电路。单元结构如图3-3所示。各功率单元具有完全相同的结构，有互换性。
功率单元由移相变压器的一组副边供电，通过三相全桥整流器将交流输入整流为直流，并将能量储存在电容组中。电容组根据单元电压选择并联或串连，如母线电压为815V，则将三组电容串连起来以满足耐压要求，每组电容根据单元容量的大小选择并联个数。控制部分通过冗余设计的电源板从直流母线上取电，接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。
监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，将状态反馈回主控系统。在单元出现重故障时，主控将打开功率单元的旁通回路，使单元进入旁通状态，避免整个变频器停机。
每个单元输出PWM波，将每相N功率单元的输出电压叠加，产生多重化的相电压波形，使相电压产生出2N+1个电压台阶，六个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如图3-4所示。
图3-3 变频器功率单元
图3-4 变频器的单元输出波形及相电压叠加波形
3.3移相变压器
移相变压器电气原理如图3-5所示: 变压器（以输入6kV变压器为例）原边绕组为6kV, 副边共十八个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每个绕组接一个功率单元。这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波。因此，采用移相变压器进行隔离降压，不会对电网造成超过国家标准的谐波干扰。
图3-5 移相变压器柜电气原理图
四、可靠性分析
设备改造原则上应以最可靠的系统、最少的投入、最短的时间、带来最好的效益。当然可靠性始终还是要放在首位，为了保证系统的连续运行，我们为变频器配备了工频和变频自动切换功能。当变频器需正常检修或故障时，变频器可自动切换到工频旁路运行；当变频器正常检修完成后，电动机可在工频旁路运行的情况下自动投入变频运行。详细的系统见图4－1。我们通过现场反复的试验证明，整个切换过程在几秒中内即可完成，对系统没有任何扰动，可保证系统的安全连续运行，整个改造没有任何风险。
五、经济效益分析
由于在相同条件下风压和流量的大小与电机电流的大小成正比所以这里只用工频运行档板调节时的电机电流和变频调节时变频器的输入电流作一比较从而说明节电效果
在机组变工况运行时电源侧电流见表一 （24次平均值）
表一
风机名称 工频档板调节时电流（A） 变频调节时输入电流（A）
3A
一
次
风
机 机组出力 平均电流 机组出力 对应电流
300MW 85．0 300MW 40.88
250MW 71．0 250MW 38.17
220MW 65．0 220MW 33．2
200MW 60．1 200MW 29.2
170MW 54．4 170MW 28．1
150MW 52．1 150MW 26.8
3B
一
次
风
机 机组出力 平均电流 机组出力 对应电流
300MW 86．1 300MW 42.6
250MW 72．8 250MW 40.4
220MW 66．5 220MW 36.2
200MW 59．7 200MW 27.9
170MW 59．1 170MW 27.1
150MW 58．9 150MW 26.8
以下公式可估算出节电的结果
P= U. I. COSΦ
P——电功率 I——电流 U——电压
COSΦ—功率因数 一次风机为0.84 变频器为0.98
根据P=I.U. .COSΦ可得计算结果见表二
表二
风机名称 工频时电源输出功率（KW） 变频时电源输出功率（KW）
3A一次风机 710 488．7
3B一次风机 710 510．1
总 功 率 1420 998．8
根据表二可得出#1炉每小时可节能421.2度电
以上只是利用电流的变化做一比较，在实际运用中各种运行工况的不同节能效果也不一样。所以实际节能要比估算的结果有一定的出入，但从结果上看节能还是非常显著的。
六、结束语
我厂#1炉变频器自2005年安装调试，2005年5月正式投入运行。在调试及运行中变频器经历了多种方式的考验，突破了变频器与相关设备相匹配的各种难点，实践证明高压变频装置节能效果明显，实现了电机的软启动，也减少了风道的振动。总之东方日立（成都）电控设备有限公司生产的变频器在#1 炉风机系统中应用是很成功的。随着变频技术的发展作为大容量传动的国产高压变频调速技术也得到了广泛的应用，在电力行业对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用变频技术不仅可以取得相当显著的节能效果，而且也得到了国家产业政策的支持，代表了今后更多行业节能技术的方向。目前很多行业越来越多的人员对此都形成广泛的共识。
参考文献
[1] 吴忠智 吴加林 变频器应用手册 机械工业出版社
[2] 韩安荣 通用变频器及其应用 机械工业出版社
[3] 东方日立 用户手册 东方日立（成都）电控设备有限公司
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