1 引言 隨著能源問題日益的突出，節能問題愈來愈受到重視。據統計，目前全國各類電機年耗電量約占全國總發電量的65%，而其中大功率風機、泵類是年耗電量約占工業總耗電量的50%，最大限度地降低風機、泵類等設備的耗電量對于節能具有重要意義。國家發改委已正式將“電機系統節能”列為“十一五”的十大節能工程之一。 發電廠既是電能的生產者，又是電能的消費者，由于電力體制改革中廠網分開、競價上網的出現，廠用電率已成為發電廠考核的重要指標，直接關系到電廠的經濟效益和競爭力。風機是火力發電廠重要的輔助設備之一，提高風機的運行效率對降低廠用電率具有重要的作用。傳統的風機風量控制大多是通過調節擋板的開度來實現，風機及電動機運行在低效率工作區，能源浪費嚴重，同時工頻直接啟動對電動機和電網的電流沖擊很大，并容易造成電機籠條松動、有開焊斷條的危險。 基于以上原因，國電電力邯鄲熱電廠先對#11引風機進行了變頻改造，通過考察，最后選擇了在質量、價格及服務上有一定綜合優勢的廣東明陽龍源電力電子有限公司，我公司變頻器在廠內一次投運成功后，運行可靠，節能效果顯著。電廠隨后又對#11送風機，#12送、引風機進行了變頻改造，共引進8臺高壓變頻器。 2 高壓變頻器的組成和原理 MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽龍源電力電子有限公司生產的具有自主知識產權，無電網污染的調速系統，采用的結構為多單元串聯，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風機、泵類工業應用現場，已經被廣大工業用戶接受和充分認可。下面以6kV系列為例說明其原理，變頻器主電路結構見圖1。 圖1 高壓變頻器主電路原理圖 該高壓變頻器具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。 2.1 輸入變壓器 MLVERT-D系列高壓變頻器的輸入側隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分成6個不同的相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波的二極管整流電路結構。每個副邊繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。對電網諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準。 2.2 功率單元 如圖1，電網送來的三相6KV/50HZ交流電經輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個額定電壓為580V的功率單元串聯得到，輸出相電壓3480V，線電壓可達6kV。 每個功率單元采用電壓源型結構，直流環節為濾波電容，電機所需的無功功率由電容提供，而不需要和電網交換，變頻器輸入功率因數高，可保持在0.96以上，且在整個速度范圍段內基本保持不變，不需采用功率因數補償裝置。 每個功率單元通過光纖通訊接收主控系統發送的調制信息以產生負載電機需要的電壓和頻率，而功率單元的狀態信息也通過光纖反饋給主控系統，由主控系統進行統一控制。該光纖是模塊與主控系統之間的唯一連接，因而每個功率單元與主控系統是完全電氣隔離的。 2.3 高壓變頻器PWM技術 高壓變頻器的PWM技術是變頻器研究中一個關鍵技術，它不僅決定功率變換的實現與否，而且對變頻器輸出電壓波形的質量，電路中有源和無源器件的應力，系統損耗的減少與效率的提高等方面都有直接的影響。 MLVERT-D系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術，它是傳統的兩電平PWM技術的擴展，它的本質是PWM技術與多重化技術的有機結合。這里以2單元串聯的高壓變頻器為例說明其基本原理，圖2給出了2單元串聯高壓變頻器其中一相的串聯示意圖。 圖2 兩個功率單元串聯示意圖 圖3給出了移相式多電平PWM調制的波形圖。圖中2個載波調制同一信號波，調制方法是，當信號波大于三角載波時，給出導通控制信號；相反則給出關斷控制信號。 圖3中每個功率單元兩個半橋上下橋臂開關管互補導通和關斷，驅動 、 、 、 開關器件的驅動信號、由此產生的兩個功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖所示。圖中，兩個功率單元的載波互差180度相位角。對于n個功率單元串聯，載波應互差φ=360/n度相位角。 圖3載波移相多電平PWM調制 由圖3得出，移相多電平PWM調制的實質是各單元采用共同的調制波信號，各載波的相位相互錯開載波周期的1/n，對每個功率單元進行SPWM控制，通過載波的移相，使得每個功率單元輸出的PWM脈沖相互錯開，這樣在疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓 種電平，線電壓4n+1種電平輸出），同時輸出波形的等效開關頻率達到單元開關頻率的n倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對電機沒有危害，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有的電機。其輸出波形如圖4所示。 圖4 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形 3 引風機變頻改造方案 3.1 變頻器選型 這里以#11爐引風機改造為例進行說明，它是兩臺雙側布置，甲乙兩臺引風機均采用調節風板開度的方式控制風量，由于電機設計時冗余較大，加上風量控制采用檔風板引起的阻力損耗，電能的浪費特別嚴重，影響機組的經濟運行。 一般情況下，變頻器容量應不小于電動機容量，這樣能滿足電機在額定出力內進行不同轉速的調節。但在現實生產工作中，根據實際運行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產需要，又能節省變頻器投資及減少配套設施。國電電力邯鄲電廠#11引風機電機為6KV/1000KW電機，設計時有很大的裕量。為了滿足50Hz時滿負荷運行要求，為其配備了容量為1250kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉速調節的要求。 3.2 系統方案 對電廠引風機變頻的改造遵循了“最小改動，最大可靠性，最優經濟性”原則，為兩臺引風機電機配備了各自的變頻器調速裝置，同時為了充分保證系統的可靠性，為每臺變頻器加裝工頻旁路裝置，當變頻器異常時，將電機直接手動切換到工頻下運行，確保系統正常工作。每臺電機的變頻方案示意圖如下圖所示。 圖5 引風機變頻方案示意圖 圖5工頻旁路由3個高壓隔離開關組成，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1與K3采用一個雙投隔離開關，實現自然機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統實現電氣連鎖，避免系統誤操作。當K2、K3閉合，K1斷開時，電機運行在變頻狀態；當K2、K3斷開，K1閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。 進行變頻改造后，引風機的風板開度保持全開，基本不需要改變。根據實際所需的風量，由DCS系統通過PID調節，輸出4~20mA模擬電流信號送給變頻器，變頻器通過調節輸出頻率改變電機的轉速，達到調節風量的目的，滿足運行工況的要求。 同時，變頻改造后電機在啟動和調節過程中，轉速平穩變化，沒有出現任何沖擊電流，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低維護保養費用。 4 節能分析 4.1 節能原理 與傳統的采用調節風門的方式調節風量相比，調節轉速來控制風量的方法有著明顯的節能效果，其原理可由下圖來說明。 圖5 風機調速節能原理圖 圖中，曲線1為風機在恒速n1下的風壓-風量（H-Q）特性曲線，曲線3為管網的風阻特性（風門全開）。 假設風機在設計時工作在A點，此時輸出風量Q為100%，效率最高，軸功率為Ps1，與Q1和H1的乘積成正比，即Ps1與A-H1-0-Q1-A所包圍的面積成正比。 當需要調節風量時，例如所需風量從100%減小到50%，即從Q1減少到Q2時，如果采用調節風門的方法來調節風量，管網的風阻曲線由曲線3變為曲線4。即減少風門開度增加了管網阻力，此時系統的工作點由原來的A點移至B點，可以看出，風量雖然降低了，但風壓增加了，軸功率Ps2與B-H2-0-Q2-B成正比，它與Ps1相比，減少不多。 如果采用調節轉速來調節風量的方法，風機轉速由原來的n1降到n2，根據風機參數的比例定律，可以畫出在恒速n2下的風壓-風量(H-Q)特性曲線5，風機工作在C點。由圖可見，在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓將大幅度降低到H3，軸功率Ps2也明顯降低。所節約的功率與面積A-H1-0-Q1-A和C-H3-0-Q2-C之差成正比。由此可見，用調速的方法來減少風量的經濟效益是十分顯著的。 由流體力學可知風量Q與轉速n的一次方成正比，風壓H與轉速n的平方成正比，軸功率Ps與轉速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n²，Ps ∞ n³。 當所需要的風量減少，風機轉速降低時，其軸功率按轉速的三次方下降。如所需風量為額定風量的80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，那么風機的軸功率將下降為額定功率的51.2%；當所需要風量為額定風量的50%時，風機的軸功率將下降為其額定功率的12.5%。當