摘 要 本文通過高壓變頻器在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，介紹變頻器的節(jié)能原理、控制調(diào)試過程中的一些體會(huì)。
關(guān)鍵詞 高壓變頻器、節(jié)能原理、操作使用。
1、引言
隨著現(xiàn)代化企業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，效益最大化是企業(yè)永恒的主題。利用高新技術(shù)來提高企業(yè)生產(chǎn)裝置的管理水平和節(jié)能降耗已是各企業(yè)首選的手段之一。高壓變頻節(jié)能技術(shù)隨著國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家研制水平的不斷提高已接近甚至超過世界同行的先進(jìn)水平，并以產(chǎn)品性能穩(wěn)定、價(jià)格適宜、售后服務(wù)及時(shí)等優(yōu)勢深受國內(nèi)企業(yè)廣泛接受和應(yīng)用。
泰達(dá)熱電公司五號(hào)熱源廠為三臺(tái)75T/H的硫化床鍋爐，采用單引風(fēng)、一次送風(fēng)、二次送風(fēng)的形式。風(fēng)機(jī)型號(hào)分別為 JLY75—15N025D左45°、JLG75—12N016D右90°、JLG75—22AN014D右90° 配置功率分別為560KW、315KW、250KW 電壓為10KV的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，風(fēng)門采用進(jìn)風(fēng)口擋板調(diào)節(jié)。這種配置的缺點(diǎn)是擋板兩側(cè)風(fēng)壓差造成節(jié)流損失，同時(shí)風(fēng)機(jī)擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)為大力矩電機(jī)執(zhí)行器易出故障 ，風(fēng)機(jī)自動(dòng)率較低。為此我們對引風(fēng)量的調(diào)節(jié)、一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)、二次風(fēng)量的調(diào)節(jié)在全國首家大膽采用了10KV高—高變頻調(diào)速技術(shù)。以1#爐為例我們選擇變頻器以達(dá)到節(jié)能降耗及提高自動(dòng)化水平。目前經(jīng)過對1#爐變頻器的調(diào)試運(yùn)行驗(yàn)證收到了預(yù)期效果，安裝工藝、操作控制都有了突破性進(jìn)展。
2、采用變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理
一般電氣拖動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)上考慮有短時(shí)過載運(yùn)行的情況，在電動(dòng)機(jī)的功率配置上往往要大于負(fù)載最大功率的10%左右甚至更大一些，電動(dòng)機(jī)選小了大負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致絕緣過早老化影響電機(jī)使用壽命，電機(jī)選大了勵(lì)磁電流增大，無功損耗大功率因數(shù)低而且不經(jīng)濟(jì)，另外電動(dòng)拖動(dòng)設(shè)備不是長期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，而是長期工作在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷狀態(tài)，即額定值得85%左右，這樣剩余功率和冗余功率就是一種浪費(fèi)而采用變頻技術(shù)正是解決這一問題的最好辦法。它可以做到自動(dòng)負(fù)荷匹配，在任何工況下電動(dòng)機(jī)和負(fù)荷都可以實(shí)現(xiàn)最佳的負(fù)荷匹配。
利用變頻器作為風(fēng)量的調(diào)節(jié)最直接的效益就是節(jié)能降耗。采用變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)是消除或減少檔板的節(jié)流損失，可自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷匹配從而達(dá)到最佳的節(jié)能目的。一般情況下生產(chǎn)設(shè)備的節(jié)能可以通過兩種手段實(shí)現(xiàn)一是減少運(yùn)行時(shí)間，二是在滿足運(yùn)行工況的前提下削減輸入功率，顯然第一種方法不適合連續(xù)運(yùn)行的鍋爐風(fēng)機(jī)，那么利用變頻調(diào)速可以削減輸入功率正適合不需要恒轉(zhuǎn)矩的風(fēng)機(jī)、水泵類的設(shè)備。下面就節(jié)能原理作一介紹。
2.1、風(fēng)機(jī)節(jié)能的基本原理
風(fēng)機(jī)典型的風(fēng)量——壓力特性曲線如圖2.1所示。
圖2.1風(fēng)機(jī)的風(fēng)量—壓力特性 通常調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法有兩種：
（1）、控制輸出或輸入的風(fēng)門。
（2）、控制旋轉(zhuǎn)速度。
圖2.2（a）為采用第一種方法時(shí)的特性 ，管路的節(jié)流阻力改變時(shí)，可以得到所需的送風(fēng)特性。圖2.2（b）為調(diào)速情況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性圖中（pu）均采用標(biāo)么值。
圖2.2（a）風(fēng)門調(diào)速時(shí)的特性 （b）調(diào)速控制時(shí)的特性 r: 管路阻抗R+節(jié)流阻抗 采用調(diào)速方法節(jié)能的原理是基于風(fēng)量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系這些關(guān)系是
Q ∝ n
p ∝ T ∝ n2
P ∝ Tn ∝ n3
式中Q——風(fēng)量 p——壓力 n——轉(zhuǎn)速 T——轉(zhuǎn)矩 P——軸功率
風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，即能耗與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系如電機(jī)在80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其功耗即可降至（0.8）3≈50%
軸功率的實(shí)際值（KW）由下式給出
式中 Q——風(fēng)量
p——壓力（n3/s）
ηb——風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)的效率
ηc——傳動(dòng)裝置效率，直接傳動(dòng)時(shí)為1
圖2.3所示為采用不同的調(diào)節(jié)方法時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率（既風(fēng)機(jī)軸功率）與風(fēng)量的關(guān)系曲線。
圖2.3風(fēng)機(jī)各種風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)的輸入功率比較 1—輸出端風(fēng)門控制時(shí)的電動(dòng)機(jī)輸入功率2—輸入端風(fēng)門控制的電動(dòng)機(jī)輸入功率3—轉(zhuǎn)差功率調(diào)速（滑差電動(dòng)機(jī)、液力耦合器）時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸入功率4—變頻器調(diào)速控制時(shí)的電動(dòng)機(jī)輸入功率5—理想輸入功率
采用不同的調(diào)節(jié)方法電動(dòng)機(jī)的輸入功率（既電源應(yīng)提供的功率）也不同圖中比較了輸出端風(fēng)門控制、輸入端風(fēng)門控制、電磁轉(zhuǎn)差調(diào)速及液力耦合控制、和采用變頻調(diào)速控制的電動(dòng)機(jī)的輸入功率（既電源提供的功率）與風(fēng)量之間的相互關(guān)系。
圖2.4表示輸入端風(fēng)門控制、電磁轉(zhuǎn)差或液力耦合調(diào)速控制以及變頻調(diào)速控制方法下將風(fēng)量調(diào)到0.5（Pu）時(shí)的節(jié)電情況。
圖2.4風(fēng)量為50%時(shí)節(jié)約的電能 圖中劃斜線部分的面積表示風(fēng)量調(diào)到0.5（Pu）時(shí)的節(jié)電量。變頻調(diào)速的情況下所需電源功率僅為全風(fēng)量的12.5%當(dāng)然這是理想情況下得到的結(jié)果。
2.2、我廠1#爐三臺(tái)風(fēng)機(jī)的節(jié)能估算
由于在相同條件下風(fēng)壓和流量的大小與電機(jī)電流的大小成正比所以這里只用工頻運(yùn)行檔板調(diào)節(jié)時(shí)的電機(jī)電流和變頻調(diào)節(jié)時(shí)變頻器的輸入電流作一比較從而說明節(jié)電效果。
在蒸汽流量為48T/H時(shí)各自的電源側(cè)電流見表一
以下公式可估算出節(jié)電的結(jié)果
圖3.1功率單元電路結(jié)構(gòu) 根據(jù)表二可得出1#爐每小時(shí)可節(jié)能421.2度電
以上只是利用電流的變化做一比較，在實(shí)際運(yùn)用中各種運(yùn)行工況的不同節(jié)能效果也不一樣。所以實(shí)際節(jié)能要比估算的結(jié)果有一定的出入，但從結(jié)果上看節(jié)能還是非常顯著的。
3、高壓變頻裝置的基本原理
3.1、功率單元的基本結(jié)構(gòu)
DFCVERT—MV變頻器的功率單元是以交—直—交的形式組成的，它是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的PWM波交流電。它由三部分組成既整流器、逆變器和中間環(huán)節(jié)如圖3.1所示：
圖3.2逆變器原理 3.2、逆變器的基本原理
交—直—交變頻器的交——直變換一般采用二極管來實(shí)現(xiàn)。而把直流變?yōu)樗枰l率的交流電時(shí)一般采用逆變的方法來實(shí)現(xiàn)，所以也叫逆變器。由圖3.2簡單地說明了逆變器的工做原理
圖3.3（a）電壓疊加原理圖 當(dāng)兩組開關(guān)K1、K1’和K2、K2’輪流切換時(shí)，負(fù)載R上便得到了交變電壓uR。如果這兩組開關(guān)利用四只電子開關(guān)器件來代替并輪流導(dǎo)通與關(guān)斷就實(shí)現(xiàn)了由四只電子開關(guān)器件控制的直流——交流逆變。
3.3單元串聯(lián)多電平變頻器原理
單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。取名為完美無諧波變頻器。
單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出其原理如圖3.3所示
圖3.3（b）主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
供率單元與主控系統(tǒng)之間通過光纖進(jìn)行通訊，以解決強(qiáng)弱電之間的隔離和干擾問題。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的功率單元可以互換，維修也比較方便每個(gè)單元只有三個(gè)輸入、兩個(gè)輸出電源連接和一個(gè)光釬插頭與系統(tǒng)連接，所以功率單元的更換十分方便。1#爐變頻器還采用了冗余功率單元設(shè)計(jì)方案及功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)即使在功率單元損壞的前提下還能滿載運(yùn)行。
4、DCS控制系統(tǒng)及工頻旁通
變頻器的調(diào)速控制系統(tǒng)可由遠(yuǎn)程/本地控制，遠(yuǎn)程時(shí)操作人員通過DCS系統(tǒng)在CRT上的模擬器對DCS的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，此輸出值為反饋給變頻器的4——20MA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對應(yīng)不同的頻率給定值，變頻器通過DCS的給定調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。
利用變頻器調(diào)節(jié)技術(shù)無疑要在原有的回路中加裝一套變頻調(diào)節(jié)設(shè)備，這將增加一個(gè)設(shè)備故障點(diǎn)，影響機(jī)爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行，
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性為變頻器加裝了工頻旁路裝置，當(dāng)變頻器故障時(shí)變頻器停止運(yùn)行電機(jī)可以直接手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行同時(shí)不會(huì)影響對變頻器的檢修如圖4.1所示。
5、結(jié)束語
我廠1#爐變頻器自2003年安裝調(diào)試，2004年3月正式投入運(yùn)行。在調(diào)試及運(yùn)行中變頻器經(jīng)歷了多種方式的考驗(yàn)，突破了變頻器與相關(guān)設(shè)備相匹配的各種難點(diǎn)實(shí)踐證明高壓變頻裝置節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，也減少了風(fēng)道的震動(dòng)與磨損。總之變頻器在1#爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用是很成功的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，在電力行業(yè)對于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用變頻技術(shù)不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到了國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后更多行業(yè)節(jié)能技術(shù)的方向。目前很多行業(yè)越來越多的人員對此都形成廣泛的共識(shí)。
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