摘 要：介紹高壓變頻器與其它節(jié)能產(chǎn)品的工作原理及區(qū)別，SH-HVF型高壓變頻器的技術(shù)特點(diǎn)及其在CFB機(jī)組一次風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題處理辦法和節(jié)能效果，供有關(guān)單位和工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器  高壓斬波內(nèi)饋  功率控制  一次風(fēng)機(jī)  節(jié)能 

      徐州某電廠135MW機(jī)組（廠內(nèi)編號(hào)#4、5機(jī)組）采用的是WGF440/13.7-1型超溫超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、循環(huán)流化床（CFB）鍋爐，每臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，其風(fēng)機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)采用連軸器聯(lián)結(jié)，即未有任何節(jié)能措施，因而對(duì)一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)只能采入口葉片調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開度常年工作在25%~42%之間，這導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較低，因此提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，對(duì)節(jié)能降耗有著重要的作用。

一、變頻技術(shù)與其它調(diào)速節(jié)能技術(shù)的比較

      根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 ：

      試中：f——電源頻率（Hz）；p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)；s——轉(zhuǎn)差率

      由此可見，交流異步電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速方法有三種：改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s及電源頻率f。為滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)（流量、壓力、轉(zhuǎn)速等）的需要，除了傳統(tǒng)的齒輪調(diào)速及液耦調(diào)速裝置外，并針對(duì)不同的調(diào)速原理，從電機(jī)學(xué)的角度，目前市場(chǎng)上也推出了不同的調(diào)速裝置：1）變極電機(jī)；2）高壓斬波內(nèi)潰調(diào)速裝置；3）高壓變頻調(diào)速裝置；4）電磁調(diào)速裝置。所有這些調(diào)速方法，在工業(yè)上均得到了不同程度的應(yīng)用。但因?yàn)楣?jié)能降耗的客觀要求，其中對(duì)節(jié)能降耗有重大意義的高壓變頻和斬波內(nèi)潰裝置近年來(lái)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其技術(shù)不斷完善，節(jié)能效果也相當(dāng)顯著。拒統(tǒng)計(jì)，如果以調(diào)速傳動(dòng)代替原有的恒速傳動(dòng)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋板和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30%左右，估計(jì)全國(guó)全年可節(jié)電數(shù)百億度。根據(jù)目前市場(chǎng)上的應(yīng)用普極程度及發(fā)展?jié)摿?，本文僅對(duì)高壓變頻及高壓斬波內(nèi)潰兩種調(diào)速原理進(jìn)行分析比較。

      1、高壓變頻調(diào)速節(jié)能原理

      高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，從功率控制角度來(lái)講，高壓變頻調(diào)速是典型的控制定子電磁功率從而間接控制轉(zhuǎn)子電磁功率的調(diào)速的調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了異步機(jī)機(jī)械功率控制，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。其功率控制原理如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速的功率控制原理

      一言以概之，高壓變頻器的節(jié)能原理就是：改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似理論：

      式中：Q—風(fēng)機(jī)流量； H—風(fēng)機(jī)全壓；n—轉(zhuǎn)速；P— 軸功率。

      風(fēng)量Q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比，Q∝n；風(fēng)壓H與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的平方成正比，H∝n²；軸功率P與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，P∝n³。 可見電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其軸功率的影響是相當(dāng)大的。

      傳統(tǒng)上對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，是通過(guò)改變管網(wǎng)特性即改變風(fēng)門開度來(lái)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)速風(fēng)機(jī)檔板的開度，管網(wǎng)的特性參數(shù)將發(fā)生變化，輸出流量發(fā)生變化，這樣就達(dá)到了在定速運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出流量的目標(biāo)。因?yàn)樵诠こ探ㄔO(shè)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)及其電機(jī)的選型要考慮到最大出力并留有一定的裕度，因而運(yùn)行中風(fēng)機(jī)的實(shí)際出力比起設(shè)計(jì)值來(lái)說(shuō)偏小很多，調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度一般都小于40%，從而在檔板上消耗了大量的無(wú)效軸功率，極大地降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，浪費(fèi)了大量的能源。

      高壓變頻器則是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)從而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，這種方法不必對(duì)風(fēng)機(jī)及其電機(jī)本身進(jìn)行改造，轉(zhuǎn)速由外部調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)檔板可處于全開位置保持不變，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，完全消除風(fēng)機(jī)擋板造成的節(jié)流損失。

      2、高壓斬波內(nèi)潰調(diào)速的節(jié)能原理

所謂內(nèi)饋調(diào)速是一種將調(diào)速電機(jī)的部分轉(zhuǎn)子功率（即電轉(zhuǎn)差功率）移出來(lái)，以電能的形式反饋給電機(jī)內(nèi)部的調(diào)節(jié)繞組的特殊調(diào)速方式，是轉(zhuǎn)子電磁功率控制的調(diào)速。其功率控制原理如圖2所示。

圖2 內(nèi)饋調(diào)速的功率控制原理

      根據(jù)電機(jī)調(diào)速的P理論，內(nèi)饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于將轉(zhuǎn)子的部分電磁功率移出，使余下的轉(zhuǎn)子功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，因此移出的功率越多，轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率越少，電機(jī)轉(zhuǎn)速則越低。因此，改變移出功率的多少，即可控制機(jī)械功率大小，電機(jī)轉(zhuǎn)速便得以調(diào)節(jié)。當(dāng)反饋繞組功率為零時(shí)，機(jī)械功率幾乎和轉(zhuǎn)子功率相等，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高。

      斬波實(shí)際是變流主電路的數(shù)字控制，從而使內(nèi)饋調(diào)速擺脫了移相控制的束縛，形成斬波+內(nèi)饋的優(yōu)化組合。

      高壓變頻調(diào)速與斬波內(nèi)饋調(diào)速最大的不同在于高壓變頻是立足于電機(jī)定子的功率控制，而斬波內(nèi)饋調(diào)速則是立足于轉(zhuǎn)子的功率控制。因此，高壓變頻最大的優(yōu)勢(shì)是適用于鼠籠型與繞線型異步機(jī)，而斬波內(nèi)饋則僅適用于繞線型異步機(jī)。  

二、設(shè)備主要技術(shù)規(guī)范

  1、一次風(fēng)機(jī)參數(shù)

   2、一次風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)

   3、一次風(fēng)機(jī)高壓變頻器參數(shù)

 三、SH-HVF-Y6K/1250高壓變頻裝置介紹

      SH-HVF-Y6K/1250高壓變頻器由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制生產(chǎn)，該產(chǎn)品是采用直接高高變換方式，多電平串聯(lián)倍壓技術(shù)方案，優(yōu)化的PWM控制算法，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出的電壓型變頻器。通過(guò)對(duì)該型產(chǎn)品在該公司的兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)上的節(jié)能效果測(cè)試，節(jié)能效果顯著，是理想的節(jié)能裝置。

      與同類產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品除了滿足當(dāng)前高壓變頻器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，還具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

      1、機(jī)械旁路設(shè)計(jì)（國(guó)內(nèi)唯一）

      為了保證變頻器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機(jī)械旁路功能，當(dāng)單元故障時(shí)，可在線實(shí)時(shí)自動(dòng)將輸出清除并同時(shí)觸發(fā)旁路單元將其旁路，不需重新啟動(dòng)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，整個(gè)系統(tǒng)由原來(lái)的串聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)變成為并聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)。見圖3

圖3 功率單元機(jī)械旁路示意圖

      傳統(tǒng)的功率單元電子式旁路設(shè)計(jì)采用晶體管方式，其設(shè)計(jì)與功率單元采用一體化設(shè)計(jì)，其電子旁路能否動(dòng)作取決于功率單元的故障狀態(tài)；而該產(chǎn)品功率單元機(jī)械式旁路采用機(jī)械式接觸器方式，并且專門為其設(shè)計(jì)了一套功率單元旁路控制系統(tǒng)，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴(yán)重，旁路系統(tǒng)均能正確安全的旁路。

      變頻裝置功率單元采用冗余設(shè)計(jì)，每相1單元故障旁路后仍能不停機(jī)連續(xù)額定運(yùn)行，每相2單元故障旁路后輸出額定功率的76％。當(dāng)故障單元數(shù)大于6后跳機(jī)處理，通過(guò)自動(dòng)工頻旁路柜切換至外部工頻運(yùn)行。當(dāng)故障排除后，具備由工頻運(yùn)行方式切換到變頻運(yùn)行方式的功能。

      2、冗余單元設(shè)計(jì)

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，用戶可采用一單元冗余配置方案，從而可以滿足運(yùn)行中最多三單元故障時(shí)，變頻器仍可以50Hz,6KV輸出，保證輔機(jī)出力不降低。

      3、無(wú)諧波設(shè)計(jì)

      采用多電平技術(shù)，通過(guò)多重疊加來(lái)降低諧波幅度和提高諧波次數(shù)，使諧波遠(yuǎn)小于國(guó)家要求。純凈的無(wú)諧波輸入對(duì)電網(wǎng)不存在任何干擾； 保護(hù)各類電子設(shè)備免受諧波干擾；讓用戶無(wú)需考慮昂貴的諧波濾波器及由電網(wǎng)參數(shù)變化帶來(lái)的相關(guān)的諧振問(wèn)題。SH-HVF無(wú)諧波系列變頻器能滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93對(duì)電壓失真最嚴(yán)格的要求，完全符合供電部門最嚴(yán)格的要求。

      4、線電壓均衡技術(shù)

      變頻器某相有單元故障后，為了使電壓平衡，傳統(tǒng)的方法是使另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓均衡技術(shù)通過(guò)調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。因而常規(guī)方式該情況只能輸出60%的電壓，采用此技術(shù)后可以輸出80%。

四、項(xiàng)目實(shí)際節(jié)能測(cè)試

      因CFB鍋爐一次風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨發(fā)電量的變化幅度不是很大，故將一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行工/變頻分別運(yùn)行72小時(shí)，錄取電度表讀數(shù)，可以直觀地看出變頻器的節(jié)能效果。

      電表倍率：2400

五、高壓變頻器的應(yīng)用意義

      1、直接收益：節(jié)能降耗，兩臺(tái)高壓變頻器年節(jié)電約370萬(wàn)kwh，投資回收期小于1.5年。

      2、間接效益：

      （1）變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。

      （2）電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對(duì)設(shè)備的維護(hù)量，節(jié)約了人力物力資源。

      （3）由于電機(jī)以及負(fù)載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

      （4）功率因數(shù)由原來(lái)的0.918左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，而且減少了線路損耗。

      （5）廠房設(shè)備噪聲污染將降低。

      （6）能提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和工藝水平。

      （7）節(jié)能減排，減少了溫室氣體的排放，保護(hù)了環(huán)境。

      （8）負(fù)載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除35次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于2％。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

      （9）變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標(biāo)均滿足IEEE-519國(guó)際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

七、結(jié)束語(yǔ)

      隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分開、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)等政策的不斷實(shí)施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本提高電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力，成為各火力發(fā)電廠追求的目標(biāo)，也為交流變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了廣闊的空間，湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的SH-HVF系列高壓變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，其獨(dú)特的機(jī)械旁路、單元冗余設(shè)計(jì)及線電壓均衡技術(shù)更符合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的要求，相信在當(dāng)前高壓變頻器百家爭(zhēng)雄的時(shí)代，會(huì)有所建樹。