張鴻

摘 要：本文介紹了高壓電機(jī)調(diào)速節(jié)能原理以及調(diào)速技術(shù)在我公司的應(yīng)用實例，分析了變頻調(diào)速安全經(jīng)濟(jì)性，同時總結(jié)了高壓變頻器運(yùn)行維護(hù)的注意事項。

關(guān)鍵詞：調(diào)速變頻；經(jīng)濟(jì)；運(yùn)行維護(hù)

中圖分類號：TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

前言

送引風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵是電廠主要耗電設(shè)備，對其驅(qū)動電機(jī)實行變頻調(diào)速的技術(shù)改造，使其處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，對實現(xiàn)節(jié)能降耗，降低機(jī)組的廠用電率，提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

一、調(diào)速節(jié)能原理：

從電機(jī)拖動及流體力學(xué)原理得知風(fēng)機(jī)、水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其軸功率、轉(zhuǎn)速、流量之間存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

Q1/Q2=n1/n2， （1）式

H1/H2=（n1/n2）^2 （2）式

P1/P2=（n1/n2）^3 （3）式

式中：n—轉(zhuǎn)速：

n1—降速前轉(zhuǎn)速

n2—降速后轉(zhuǎn)速

Q—流量：

Q1—降速前流量

Q2—降速后流量

H—壓力：

H1—降速前壓力

H2—降速后壓力

P—電機(jī)軸輸出功率：

P1—降速前電機(jī)軸輸出功率

P2—降速后電機(jī)軸輸出功率

當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)所需的電功率亦可相應(yīng)降低，所以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變電機(jī)的功率，調(diào)速是節(jié)能的重要途徑。

根據(jù)電學(xué)原理交流電機(jī)轉(zhuǎn)速：n=60f（1-s）/p

式中：n-電機(jī)轉(zhuǎn)速， f-電源頻率，p-電機(jī)的極對數(shù)，s-轉(zhuǎn)差率。

由公式可見，通過調(diào)整電源頻率、電動機(jī)極對數(shù)和電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率均可實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速。

二、高壓電動機(jī)調(diào)速技術(shù)在我廠的應(yīng)用

1液力耦合器調(diào)速

液力耦合器主要由泵輪、渦輪和旋轉(zhuǎn)內(nèi)套組成。通過在電機(jī)軸和負(fù)載軸之間加進(jìn)葉輪，調(diào)節(jié)葉輪之間液體（一般為油）的壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，是通過純機(jī)械方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整的方法，存在一定的機(jī)械磨損和機(jī)械阻力，其效率隨著轉(zhuǎn)速下降越來越低，由于受執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)的限制，調(diào)速精度無法保證，自動調(diào)整十分困難，若液力偶合器出現(xiàn)故障，必須停機(jī)處理。原我公司#5、6、7爐送引風(fēng)機(jī)就是采用此種方式。

2變極調(diào)速

通過改變電動機(jī)繞組的極對數(shù)，達(dá)到調(diào)速的目的，例如我公司#3機(jī)甲循泵。變極調(diào)速，接線簡單，成本低，但不能實現(xiàn)平滑調(diào)速，調(diào)速范圍窄，在我公司只做為季節(jié)變化時切換使用。

3內(nèi)反饋串接調(diào)速

內(nèi)反饋串級調(diào)速電機(jī)的調(diào)速原理屬于繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串附加電勢進(jìn)行調(diào)速的理論范疇，該附加電勢由安裝在定子上的調(diào)節(jié)繞組從主繞組感應(yīng)過來的電勢所提供的，再通過變流裝置將該電勢串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，改變其串入電勢的大小即可實現(xiàn)調(diào)速的目的。同時調(diào)節(jié)繞組吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并通過與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生正向的拖動轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率減少，主繞組的有功電流隨轉(zhuǎn)速正比變化，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。

我公司原#1補(bǔ)水循泵、#8爐、#9爐吸風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)及135MW機(jī)組#4循環(huán)水泵均使用內(nèi)反饋調(diào)速電動機(jī)。內(nèi)反饋串級調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速的效率高，可以實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，節(jié)能效果好。投資成本較高壓變頻器低。但它調(diào)速范圍不大（50%～95%），所用的原件眾多，容易損壞，最主要的缺點(diǎn)是需采用特制的內(nèi)反饋繞線式電機(jī)，轉(zhuǎn)子為有刷系統(tǒng)，易發(fā)熱、維護(hù)量大。

4變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式，通過改變電動機(jī)定子的頻率以實現(xiàn)調(diào)速，具有功率因數(shù)高（超過0.95），可實現(xiàn)真正的軟起動，調(diào)速范圍大（0～l00%），調(diào)速精度高，調(diào)速效率高（93%以上），操作簡單，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是近代交流調(diào)速發(fā)展的必然趨勢。

近年來，我公司先后對鍋爐送引風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行了高壓變頻技術(shù)改造。

三、變頻調(diào)速原理及應(yīng)用分析

我公司#7爐甲乙送風(fēng)機(jī)原來是通過開關(guān)直接啟停電動機(jī)，再通過液壓耦合器進(jìn)行調(diào)速?，F(xiàn)增設(shè)2臺高壓變頻器（北京合康HIVERT系列），實現(xiàn)通過（開關(guān)+變頻器）實現(xiàn)變頻運(yùn)行或者通過（開關(guān)+工頻開關(guān)）實現(xiàn)工頻運(yùn)行，擋板調(diào)節(jié)。

1 HIVERT系列變頻器原理

HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，是一種串聯(lián)疊加性高壓變頻器，即采用多臺單相三電平逆變器串聯(lián)連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電。變頻器本身由變壓器柜、功率柜、控制柜三部分組成。三相高壓電經(jīng)高壓開關(guān)柜進(jìn)入，經(jīng)輸入降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖時對功率柜中的每一功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測，這樣根據(jù)實際需要通過操作界面進(jìn)行頻率的給定，控制單元把控制信息發(fā)送到功率單元進(jìn)行相應(yīng)得整流、逆變調(diào)整，輸出滿足負(fù)荷需求的電壓等級。

2改造方案

#7爐甲乙送風(fēng)機(jī)各配置一套獨(dú)立的變頻調(diào)速裝置，即一拖一調(diào)速系統(tǒng)，隨機(jī)組負(fù)荷變化實現(xiàn)變頻無級調(diào)速，改變風(fēng)機(jī)工況，節(jié)約功耗。其一次回路具體采用自動旁路的典型方案，它由3個真空接觸器KM1、KM2、KM3以及2個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2組成，其中KM1、KM2串接于變頻回路，KM3串接于旁路（工頻），用于變頻和工頻的切換。QS1和QS2為變頻回路高壓隔離開關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器及真空斷路器檢修時拉開，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對變頻器及真空接觸器進(jìn)行安全檢修；并且KM1、KM2與KM3電氣互鎖，防止電機(jī)同時工/變頻運(yùn)行。

3經(jīng)濟(jì)性分析

#7爐送風(fēng)機(jī)自變頻改造后，在調(diào)節(jié)上穩(wěn)定性有了明顯提高，節(jié)約廠用電效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益明顯。以下為#7爐送風(fēng)機(jī)變頻改造前后的數(shù)據(jù)對比見表1、表2。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，自#7爐送風(fēng)機(jī)變頻改造后，#7爐的送風(fēng)單耗下降比較明顯，下降了近0.34kWh/t汽，根據(jù)公式：輔機(jī)用電量=輔機(jī)單耗×本爐主蒸汽流量，按照鍋爐主蒸汽流量198.56t/h計算，則每天可以節(jié)約廠用電量=0.34×198.56×24=1620.25kWh。根據(jù)公式：標(biāo)煤量（T）=電量×3600/（4.1868×7000×1000），代入電量數(shù)據(jù)，計算得到，每天可以節(jié)約標(biāo)煤量0.199t。

4安全可靠性分析

（1）減少電機(jī)啟動時的電流沖擊。電機(jī)直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的5-7 倍，高壓變頻器帶電機(jī)啟動時，電機(jī)電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機(jī)、傳動系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

（2）延長設(shè)備壽命。使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化沿風(fēng)機(jī)的加減速特性曲線變化，沒有應(yīng)力負(fù)載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關(guān)數(shù)據(jù)表明，機(jī)械壽命與轉(zhuǎn)速成反比，降低轉(zhuǎn)速可成倍地提高風(fēng)機(jī)壽命，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用自然降低。

（3） 調(diào)速精度高，降低噪音。高壓變頻器具有高度的智能化水平，調(diào)速精度高，調(diào)節(jié)手段簡單。降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時，噪音大幅度地降低，同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲。

（4）改變運(yùn)行方式輕易，可靠性高。當(dāng)變頻器故障時，電機(jī)可以通過旁路柜切換到工頻狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但目前吸風(fēng)機(jī)變頻器故障時旁路開關(guān)自投方案仍需研究，因為當(dāng)鳳機(jī)變頻運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)擋板在全開位置，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)爐膛負(fù)壓自動調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器故障時，技術(shù)上完全可以實現(xiàn)旁路開關(guān)自投，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。但此時由于擋板在全開位置，如工頻運(yùn)行，吸風(fēng)量必然增大，容易造成鍋爐滅火。

四、變頻器運(yùn)行及維護(hù)注意事項

1變頻器故障分類

HIVERT系列高壓變頻器具有完善的故障監(jiān)測和保護(hù)功能，故障分為輕故障和重故障。

輕故障包括變壓器超溫報警（變壓器溫度超過130℃）、單元柜超溫報警（柜溫超過55℃）、柜門打開、單元旁路、電機(jī)過載等。系統(tǒng)發(fā)生輕故障時，系統(tǒng)給出間歇光報警，對于輕故障的發(fā)生，系統(tǒng)不作記憶處理，僅在故障指示中顯示。故障存在時報警，故障消失，則報警自動取消。系統(tǒng)運(yùn)行時如果發(fā)生這類故障，變頻器并不立即停機(jī)。在停機(jī)狀態(tài)下，如果存在這類故障，也還能進(jìn)行啟動操作。輕故障發(fā)信后，運(yùn)行人員應(yīng)檢查變壓器柜、單元柜風(fēng)機(jī)工作是否正常，過濾網(wǎng)是否堵塞，環(huán)境溫度是否過高，所有柜門是否關(guān)閉，必要時聯(lián)系檢修人員處理。

重故障包括：外部故障、變壓器過熱、電機(jī)過流、柜溫過熱、單元故障、變頻器過流、高壓失電、外設(shè)故障、控制器不通訊、外設(shè)不通訊。其中單元故障包括：熔斷器故障、過熱、IGBT故障、電源故障、過壓、光纖故障。系統(tǒng)發(fā)生重故障時，系統(tǒng)給出連續(xù)的報警信號和故障指示，發(fā)出高壓分?jǐn)嘀噶?。系統(tǒng)保持故障指示及高壓分?jǐn)嘀噶?，并作故障記憶處理。如果故障消失，故障指示、高壓分?jǐn)嗟戎噶钜捕家恢北３?。只有故障徹底排除，并且系統(tǒng)復(fù)位后才能使變頻器恢復(fù)到系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，并允許重新開機(jī)。重故障發(fā)生時，高壓電源將自動分?jǐn)?。如果因為其它原因沒有分?jǐn)?，運(yùn)行人員可以用柜門的高壓分?jǐn)喟粹o將高壓電源強(qiáng)行手動分?jǐn)唷０l(fā)生重故障后，運(yùn)行人員應(yīng)及時聯(lián)系檢修人員處理。

2變頻器啟停及切換注意事項

以送風(fēng)機(jī)為例，一般情況下，風(fēng)機(jī)停運(yùn)，擋板處于全關(guān)狀態(tài)。此時啟動變頻器，首先將電機(jī)高壓開關(guān)合閘，其次將風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)速輸出調(diào)至預(yù)先給定值，然后將變頻器合閘啟動。若出現(xiàn)啟動困難（原因是變頻器低速啟動時電壓比較低，啟動力矩相對于高速時要小，容易過電流），可以加大給定。只有等到變頻器速度等于調(diào)速給定值時，表明此時變頻器啟動已經(jīng)結(jié)束，才可以打開送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)擋板調(diào)至100%。如果送風(fēng)機(jī)電機(jī)電流超過額定值，則應(yīng)該降低變頻器的速度。變頻器停止時，必須逐步減少風(fēng)機(jī)擋板開度至全關(guān)，然后將變頻器分閘，最后將高壓開關(guān)分閘。

風(fēng)機(jī)工頻啟動電流比較大，容易發(fā)生過電流跳閘，因此擋板必須全關(guān)至0%，才能啟動。首先將高壓開關(guān)合閘，然后將風(fēng)機(jī)工頻合閘。由于啟動時間比較長，一定要在風(fēng)機(jī)電流到達(dá)穩(wěn)定時，表明啟動結(jié)束，才可以調(diào)節(jié)擋板開度。

變頻器的“工切變”操作。送風(fēng)機(jī)已經(jīng)在工頻運(yùn)行，擋板開度在合適位置，首先將變頻器調(diào)速給定值設(shè)定為≥90%。這是因為工頻運(yùn)行時電動機(jī)速度為100%，當(dāng)“工切變”時，電動機(jī)從工頻過渡到變頻運(yùn)行期間，將有10秒左右的按慣性自由惰走，速度將從100%跌落至80%左右，為了防止電動機(jī)實際速度>變頻器調(diào)速給定值，從而切換到變頻時使變頻器產(chǎn)生制動狀態(tài)，造成變頻器直流母線過電壓而故障跳閘，因此必須將變頻器給定值≥90%，甚至給定值=100%都可以，以足夠保證變頻器對于電機(jī)尚處于啟動狀態(tài)。由于“工切變”時，從工頻KM3分閘到變頻KM1/KM2合閘，對變壓器進(jìn)行充電，到高壓就緒，再變頻器啟動，直至啟動到90%，整個過程需要10秒時間。等到變頻器速度穩(wěn)定在90%，才可以逐步打開擋板開度至100%，同時降低變頻器的速度。以發(fā)揮變頻器的節(jié)能效果?！肮で凶儭钡牟僮鳛樘厥獠僮?。一般只有在變頻器故障修理好了以后，才能“工切變”，以保證送風(fēng)機(jī)不停機(jī)的情況下實行變頻運(yùn)行。

變頻器的“變切工”操作。變頻器在變頻運(yùn)行，此時擋板全開100%。首先必須將變頻器調(diào)速逐步上升至100%，同時協(xié)調(diào)擋板開度從100%逐步關(guān)小，保證送風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變。在擋板已經(jīng)關(guān)小了，變頻器速度已經(jīng)到100%時，才可以實行“變切工”操作。目的是從變頻到工頻時電動機(jī)的按慣性自由惰走速度盡量接近全速，減少對電動機(jī)的沖擊。然后進(jìn)行“變切工”，送風(fēng)機(jī)從變頻切換到工頻運(yùn)行，整個過程從變頻器停止、到變頻KM1/KM2分閘、到工頻KM3合閘，整個過程需要4秒時間。“變切工”是特殊的操作。一般只有變頻器發(fā)出“變頻器輕故障”以及其他原因，需要不停機(jī)地將變頻器停止運(yùn)行，而切換到工頻運(yùn)行的情況下，才能操作。

3變頻器的日常維護(hù)及巡視

（1）經(jīng)常檢查室內(nèi)溫度，通風(fēng)情況，注意室內(nèi)溫度不要超過45℃。

（2）保持室內(nèi)清潔衛(wèi)生。

（3）經(jīng)常檢查變頻器是否有異常聲響，異味，柜體是否發(fā)熱；排風(fēng)口是否有異味。

（4）變頻器的運(yùn)行環(huán)境中灰塵較多，長時間運(yùn)行會影響單元柜上的金屬濾網(wǎng)過濾器的通風(fēng)效果。正常運(yùn)行時，過濾器氣流方向從柜外到柜內(nèi)，將用一張A4紙放在柜的進(jìn)風(fēng)口，紙張應(yīng)吸附在柜上，從而證明變頻器通風(fēng)正常。濾網(wǎng)積塵較多時，會造成變頻器內(nèi)溫度升高。因此應(yīng)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的情況，將清潔變頻器濾網(wǎng)作為一項定期工作。在夏季高溫天氣，應(yīng)縮短變頻器濾網(wǎng)的清潔周期。

（5）定期記錄變頻器運(yùn)行情況，發(fā)生故障跳閘時，要記錄故障情況，查明原因并排除后方可再次上電。

（6）為了使高壓變頻器能長期穩(wěn)定運(yùn)行，避免因變頻器故障造成設(shè)備停運(yùn)等異常，應(yīng)結(jié)合電動機(jī)的大小修，對變頻器進(jìn)行預(yù)防性檢查維護(hù)。在每次的預(yù)防性檢查維護(hù)時，應(yīng)打開變壓器及功率單元的柜門，清理柜內(nèi)灰塵，緊固變壓器進(jìn)出線電纜、功率單元進(jìn)出線電纜、控制電纜。

1變頻器其它注意事項

（1）變頻器運(yùn)行時，除二次室柜門外，不要打開其它柜門。

（2）操作時，要穿戴安全防護(hù)鞋，并保持單手操作。

（3）操作人員離開時，一定要防止無關(guān)人員誤操作。

（4）主電源切斷后，必須等單元LED熄滅或10分鐘后，才能切斷控制電源。

（5）加強(qiáng)對變頻器工作電源的維護(hù)，防止其動力電源及控制電源一起失電。

（6）在變頻器有高壓電源供電的情況下，一般不要切斷控制電源，否則有可能導(dǎo)致單元損壞。

（7）變頻器發(fā)生故障跳閘后，必須查明原因并排除故障后，方能重新上高壓電和啟動。

（8）測量電動機(jī)絕緣時，要將變頻器停電，拉開其輸入輸出刀閘（QS1、 QS2），防止帶變頻器搖測電機(jī)絕緣而損壞變頻器。

（9）變頻器控制柜面板上有一緊急停止按鈕，只有在出現(xiàn)“人身安全”、“變頻器內(nèi)部絕緣擊穿、爆炸、著火”等緊急情況下，才能操作“緊急停止按鈕”，將變頻器分閘。正常運(yùn)行時，嚴(yán)防人員誤碰。

結(jié)語

綜上所述， 裝設(shè)高壓變頻調(diào)速裝置， 是目前電廠電機(jī)節(jié)能最優(yōu)的解決方式。目前國產(chǎn)高壓變頻器技術(shù)可靠、性能穩(wěn)定、價格合理。大型火力發(fā)電廠的用電輔機(jī)推廣使用高壓變頻器調(diào)速裝置，可以大幅度降低廠用電率，是企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。同時正確使用和維護(hù)，保證高壓變頻器高效、穩(wěn)定運(yùn)行，也是保證電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施。

參考文獻(xiàn)

[1] HIVERT系列高壓變頻器用戶手冊2.3[Z].