【摘要】
本文結合引風機的實際工況，介紹了國產(chǎn)高壓大功率變頻器在淮北發(fā)電廠引風機上的應用。
【Abstract】
This text combines the actual work condition of lead the breeze machine, introducing the strong power of domestic high pressure to change the machine of inverter in the huai-bei power plant leads the on board application of breeze.
【鍵詞】
高壓變頻器 風機 節(jié)能
【Key words】
high-voltage inverter Fan Energy saving
一、概述
中國大唐集團公司淮北發(fā)電廠位于淮北市相山西南麓，興建于1970年。先后建成2×50MW 、2×125MW、3×200MW共7臺燃煤發(fā)電機組，總裝機容量達950MW，經(jīng)增容改造現(xiàn)總裝機容量達1022.5MW。
高壓變頻技術隨著功率元器件耐壓等級的提高和計算機應用技術的日趨成熟，在電廠的應用已相當普遍，節(jié)能效果及控制水平已被電力系統(tǒng)所認識。但在高電壓、大功率的設備上應用，淮北發(fā)電廠之前沒有嘗試，基本沒有這方面的經(jīng)驗。2004年淮北發(fā)電廠組織各個專業(yè)人員對國內(nèi)外高電壓、大功率的變頻器這一新技術進行了考查、論證。既考察了國產(chǎn)的高壓大功率變頻器應用情況，也考察、論證了進口的高電壓大功率的變頻器應用業(yè)績。最后得出結論：國產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，完全能夠適應，具體如下幾點：
1、產(chǎn)品售后服務及時、周到、服務成本低，能夠滿足生產(chǎn)的及時性。
2、產(chǎn)品備件采購方便、備件成本低。
3、 變頻器操作簡單，人機界面簡單，易于掌握。
4、 通過近多年來國內(nèi)生產(chǎn)廠家的努力，應該說國產(chǎn)大功率變頻器并不比進口的性能差，有的方面還優(yōu)于進口的變頻器。
5、 國產(chǎn)造價比進口的低：
所以公司決定對#5、#6機組共四臺引風機和#6機組的凝結水泵采用高壓變頻器調(diào)速裝置，并且大唐集團公司在國際上公開招標采購高壓變頻器。我公司為國內(nèi)唯一中標單位，并一舉中標我公司5臺高壓變頻器。
二、高壓變頻器的節(jié)能原理過去，我們對風機、水泵采用擋板、閥門進行流量控制、造成了大量的能源浪費。現(xiàn)在國際上普遍采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式進行節(jié)能，雖然有多種方式，但是其中應用效果最好的為變頻調(diào)速方式。
采用直接高壓控制電動機定子的電壓源型變頻器對風機水泵等機械裝置進行調(diào)速控制來控制風量、流量的方法是當前國內(nèi)外主流技術，應用得非常廣泛，大量采用該項技術進行節(jié)能，對于我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。
風機和水泵雖然是兩類不同的機械裝置，但是均屬于“平方轉(zhuǎn)矩負載”，分析的方法也基本相同。下面就以風機為例進行說明。
2.1風機的參數(shù)和特征
2.1.1風機的基本參數(shù)
風量Q：單位時間流過風機的空氣量（m3s）；
風壓H：空氣流過時產(chǎn)生的壓力。其中風機給予每立方米空氣的總能量稱為風機的全壓Ht（Pa），它是由靜壓Hg和動壓Hd組成，即Ht＝Hg+Hd；
功率P：風機工作有效總功率Pt＝QHt（W）。如風機用有效靜壓Hg，則Pg＝QHg；
效率η：風機的軸功率因有部分損耗而不能全部傳給空氣，因此可以用風機效率這一參數(shù)衡量風機工作的優(yōu)劣，按照風機的工作方式及參數(shù)的不同，效率分別有：
全壓效率ηt＝QHtP
靜壓效率ηg＝QHgP
2.1.2風機的特性曲線
表示風機性能的特性曲線有：
H-Q曲線：當轉(zhuǎn)速恒定時，風壓與風量間的關系特性
P-Q曲線：當轉(zhuǎn)速恒定時，功率與風量間的關系特性
η-Q曲線：當轉(zhuǎn)速恒定時，風機的效率特性
對于同類型的風機，根據(jù)風機參數(shù)的比例定律，在不同轉(zhuǎn)速時的H-Q曲線如圖1
根據(jù)風機相似方程：
當風機轉(zhuǎn)速從n變到n’，風量Q、風壓H及軸功率P的變化關系：
Q’=Q（n’ n） (1)
H’=H（n’ n）2 (2)
P’=P（n’ n）3 (3)
上面的公式說明，風量與轉(zhuǎn)速成正比。風壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。
2.2管網(wǎng)風阻特性曲線 當管網(wǎng)的風阻R保持不變時，風量與通風阻力之間的關系是確定不變的，即風量與通風阻力K按阻力定律變化，即
K=RQ2
式中： K－通風阻力，Pa；
R－風阻，（kgm2）
Q－風量，（m3s）
K－Q的拋物線關系稱為風阻特性曲線，如圖2-2所示。顯然，風阻越大曲線越陡。
風阻的K－Q曲線與管網(wǎng)阻力曲線相交的工作點成為工況點M。同一風機兩種不同轉(zhuǎn)速n、n’時的K－Q曲線與R風阻特性曲線相交的工況點分別為M及M’，與R1風阻曲線相交的工況點為M1及M1’。
2.3電動機容量計算 拖動風機的電動機所需的輸出軸功率為：
式中：ηb——風扇或風機的效率
ηc——傳動裝置效率。
2.4風機的節(jié)電方法及節(jié)能原理 從以上的介紹可知，風機、水泵負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此我們可以通過調(diào)節(jié)風機（或水泵）的轉(zhuǎn)速來節(jié)電。
2.4.1采用擋板控制風量和變頻調(diào)速控制風量的對比圖
下面我們對采用擋板閥門及變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)流量的能量消耗進行分析，以便對變頻調(diào)速方式下的節(jié)能原理有一個理論上的了解。
如果設備的配置都滿足設備的最佳運行狀態(tài)，從圖上看到：
2.4.1.1當流量Q＝1時，采用風機擋板和采用變頻器時使用的功率將會一致，這是因為它們的輸入功率都為AH0K所包圍的面積；
2.4.1.2當流量從Q=1下降到Q=0.7時，采用風機擋板進行調(diào)節(jié)時的輸入功率為BI0L所包圍的面積，而采用變頻調(diào)速后，其功率下降為DG0L包圍的面積，從圖上看，這個面積比BI0L包圍的面積小很多；
2.4.1.3當流量進一步下降到Q=0.5時，采用風機擋板調(diào)節(jié)時的輸入功率為CJ0P包圍的面積，而采用變頻調(diào)速時的輸入功率為EF0P包圍的面積，從圖上看到，這個面積與CJ0P相比，其值更小。
所以我們可以從直觀的圖形上看到采用變頻調(diào)速技術時比采用風門擋板時會節(jié)約大量的能量，也就是說：采用變頻調(diào)速是一種節(jié)能的好辦法。
那么，其計算方法怎么得到？
根據(jù)風機理論，風機運行時在需要流量變化時，可以采用閥門或者擋板進行調(diào)節(jié)，其輸入功率的計算公式為：
Pnn=P×Hnn×Qnn
其中：Hnn＝U-(U-1) Q2nn U為系統(tǒng)流量為零時壓力極值
所以，采用風門擋板時的風機輸入功率為：
Pnn=P×Hnn×Qnn＝P×[U-(U-1) Q2nn]×Qnn
式中：Pnn為某個狀態(tài)下的輸入功率標么值；Hnn為某個狀態(tài)下的壓力標么值；Qnn為某個狀態(tài)下的流量標么值；P為額定狀態(tài)下的輸入功率。
2.5采用變頻調(diào)速時的功率計算：
2.5.1異步電機的轉(zhuǎn)數(shù)為：
轉(zhuǎn)數(shù)n=60f(1-s)p
2.5.2 風機泵類流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速n關系為：
流量 Q∝n；
壓力 H∝n2
功率 P∝n3
假設：額定流量為Q0，額定功耗為P0；所需流量為Q1，功耗為Pg.in；由上述正比關系得出下式：
P0：n03 =Pg.in：n13
2.5.3 不同負荷情況下節(jié)能效果曲線圖（圖3）
橫坐標代表水泵的負荷狀態(tài)。①為調(diào)節(jié)閥門時電機輸入功率的曲線，②為調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速時電機輸入功率的曲線，③為采用變頻調(diào)速方法時，相對于調(diào)節(jié)閥門而帶來的節(jié)能效益曲線。
曲線③沒有考慮調(diào)速裝置本身的效率，也忽略調(diào)速后水泵本身的效率變化情況，綜合考慮這兩個因素后，曲線③將略微下降。
三、DHVECTOL-DI變頻器的原理
DHVECTOL-DI變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術，6kV系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV變頻裝置有24個功率單元，每8個功率單元串聯(lián)構成一相。每個功率單元結構以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結構如圖4，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖5所示的波形。輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，每個功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖6所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dvdt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
四、主要技術特點
a. 輸入諧波小
DHVECTOL-DI變頻器使用了“多重化移相整流技術和單元電平串連疊加技術”，符合GBT14549－2002及IEEE519-1992對電壓、電流諧波失真嚴格的要求。這項技術比之“三電平技術”、“電流源型變頻技術”、“串極調(diào)速技術”等技術方案有極大的技術優(yōu)勢，輸入輸出諧波限制指標較大地高于上述技術。使用時，變頻器對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設備不產(chǎn)生諧波干擾。還能防止與其它變頻調(diào)速裝置之間的“串并聯(lián)干擾”。因此完全不需要另外配置諧波治理裝置，從而節(jié)省安裝諧波濾波裝置的費用。
b. 高功率因數(shù)
DHVECTOL-DI變頻器在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都可維持高功率因數(shù)，標準值達到0.96以上，負載極小時功率因數(shù)也可以達到0.9以上（見圖7）。
圖7曲線比較了DHVECTOL-DI電壓源型變頻器和調(diào)速技術的功率因數(shù)情況，從圖上我們可以看到，電壓源型變頻調(diào)速技術比電流源型變頻調(diào)速、串極調(diào)速、電磁離合式電機等技術的功率因數(shù)高出很多，采用電壓型變頻器完全不需要增加功率因數(shù)補償設備，而其它技術則需要增加專用的功率因數(shù)補償設備。
c. 高效率
DHVECTOL-DI變頻器具有>95%的高效率(最高可達97.5%)，特別是低轉(zhuǎn)速時的效率比之其它調(diào)速技術有非常大的技術優(yōu)勢，遠比其它調(diào)速技術的效率（30%～80%）高得多。見圖8：
d. 輸出脈動轉(zhuǎn)矩小
DHVECTOL-DI變頻器不需要外部輸出濾波器就可提供正弦輸出電壓，變頻器有較低的輸出電壓失真，不增加電機的運轉(zhuǎn)噪音。DHVECTOL-DI變頻器大大降低了輸出的諧波電流（低于4%），避免了電機發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動。從而減少了設備上的電應力和機械應力。
e. 可靠性高，維護方便
DHVECTOL-DI變頻器采用單元模塊化技術方案，便于設備的維護和維修。IGBT模塊的驅(qū)動和保護采用高可靠性專用驅(qū)動模塊電路，電子元件和部件均通過高溫老化試驗。
DHVECTOL-DI變頻器變頻單元組件具有互換性，若出現(xiàn)故障，可在幾分鐘內(nèi)用簡單工具進行更換維修。
f. 電機軟啟動，無沖擊電流
DHVECTOL-DI變頻器對電機進行軟啟動，根據(jù)電機的現(xiàn)場使用要求，我們可以改變電機的啟動時間而得到多條電機啟動曲線，使得電機在帶上負載后完好地適應負載和工藝要求，并且保證啟動過程對電網(wǎng)不會產(chǎn)生沖擊電流，可確保電機的安全運行并延長其使用壽命。
g. 降低電機磨損,延長電機和軸承使用壽命，節(jié)省維護費用
使用DHVECTOL-DI變頻器降低電動機轉(zhuǎn)速不僅能達到較好的節(jié)能目的，而且電動機及其負載的機械磨損也大大降低，延長電機的使用壽命，還可明顯為用戶節(jié)省維護費用。
i．單元旁路功能
這種功能是一種快速地、自動地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行（或減額運行）的方法。當功率單元出現(xiàn)故障時，故障報警信號經(jīng)由通訊電路傳輸給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)接到故障信號后，經(jīng)過故障種類判斷，對系統(tǒng)的各種信號協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時間將出現(xiàn)故障的功率單元進行旁路切除。主控系統(tǒng)通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形的完整，同時向用戶發(fā)出報警信號，并且自動對輸出功率進行調(diào)整，使擾動降至最低，保證系統(tǒng)正常運行。
j. 瞬時停電再啟動功能
實際現(xiàn)場中，當高壓母線進行切換、母線上電動機成組自起動、母線上大電機起動時會造成高壓電網(wǎng)瞬間閃動，變頻器若不具備瞬停功能，會立即停機，而電機帶負載會存在機械慣性，在電源恢復后電動機的速度尚未降到零，等待重新起動又會經(jīng)過相當長的時間，會給生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟損失。DHVECTOL-DI變頻器具備的瞬時停電再起動功能，可以根據(jù)電源恢復時電動機自由旋轉(zhuǎn)的實際速度計算出對應的輸出頻率，以此頻率為起始頻率使電動機重新起動并加速到停電前的運行狀態(tài)，以適應不允許停電設備的需要。現(xiàn)場測試瞬時停電再啟動的電流波形如下圖10。
五、效益分析
（1） 節(jié)能效果明顯，能耗降低。使用變頻調(diào)速后取消了檔板調(diào)節(jié)，風門全開，電機負荷隨風機負荷上下波動，節(jié)能一般在40%左右，消除了由于各種原因造成的“大馬拉小車”現(xiàn)象。
（2） 可獲得高精度的調(diào)節(jié)效益。使用變頻器后調(diào)節(jié)精度高，投運實踐證明，變頻直接控制遠比檔板控制精度高，且運行穩(wěn)定，進而取得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的可觀經(jīng)濟效果，其價值大于節(jié)電效果。
（3） 使用后實踐證明，投運變頻器后，頻率通常在30-50Hz范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速降低，軸承的機械損耗少，設備的維護工作量大大減少，維護費用降低，有利于裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。
（4） 投資回收年限較短，例如一臺1250kW的變頻器預計在2年內(nèi)就可以收回投資成本。
六、結束語
目前在全國范圍內(nèi)組織開展資源節(jié)約活動，全面推進能源、原材料、水、土地、煤等資源的節(jié)約和綜合利用工作。這是加快建設節(jié)約型社會，推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，走新型工業(yè)化道路，緩解資源瓶頸制約，解決全面建設小康社會面臨的資源約束和環(huán)境壓力，做為用煤大戶，火電廠應該走在前列，其中在火電廠風機、水泵所消耗的能源占廠用電的13，據(jù)調(diào)查，具有節(jié)能潛力的電機在中國至少有1.8億千瓦。如果這些風機、水泵都能采用變頻調(diào)速，那將給我國節(jié)約多少能源。所以在火電廠的風機、水泵上采用高壓變頻調(diào)速是刻不容緩的。
[1] 毛正孝 泵與風機 中國電力出版社
[2] 產(chǎn)品技術手冊 東方日立（成都）電控設備有限公司
[3] 韓安榮 通用變頻器及其應用 機械工業(yè)出版社
[4] 王占奎 變頻調(diào)速應用百例 科學出版社
作者簡介：
張黎 （1979- ） 男 機電一體化專業(yè)畢業(yè) 助理工程師 東方日立（成都）電控設備有限公司項目經(jīng)理 主要從事高壓變頻現(xiàn)場應用方面的工作，到目前為止參加高壓變頻器改造的項目達50多個，有各個行業(yè)高壓變頻器應用的豐富經(jīng)驗。
丁衛(wèi)東 男 淮北發(fā)電廠電氣專工
