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  尹正軍，高本科 宋海青

1 引言
隨著山東電力的高速發展，電網容量已近兩千萬千瓦以上，十里泉發電廠的125MW 機組主要承擔調峰任務，機組開停機比較頻繁，并且滿負荷運行時間很少，即引風機調整風量的擋風板全開的時間很短（一臺機組的兩臺風機運行，在夏季滿負荷時，其擋風板也不全部打開）。且電動機均為單速電機，全年平均出力效率（按九九年數據統計），引風機電機不及６０％，并且，機組調峰頻繁起動，加劇了對電動機的損害。其事故率明顯增大。而采用變頻調速比擋風板調整具有較好的節能效果，并能夠減輕機組調峰對電動機的損害；對于電力系統即將步入競價上網的今天，對廠用輔機進行變頻調速改造，實現節能降耗，降低機組的廠用電率，提高電廠競價上網的能力具有較大的積極作用。
該廠125機組共有10臺700kW引風機，目前有8臺Y4-73-11-28D風機已安裝液力偶合器，實現了機組不同工況下的調速節能改造。由于#1爐甲引風機位置空間較小，無法安裝液力偶合器，唯一的節能途徑就是將電機進行變頻調速改造。
2  變頻調速的控制理論
交流異步電機的輸出功率為：P=Mz*w，其中，Mz為電動機的負載轉矩，w為電動機的旋轉角頻率。而風機的負載特性為：Mz∝Kw²，所以，P∝Kw³。
上式表明，對于風機一類的負載而言，電動機的輸出功率正比于電機旋轉角頻率的三次方，其中K為比例系數，對于一定的風機而言，它為一常數。因此，電機輸出頻率的控制可以根據鍋爐某一參數（如風壓）來實現。通過實測的鍋爐參數轉換成的控制量，控制變頻器，就可以準確地調節電動機的電源頻率，改變電機轉速，以達到節約能源的目的。實現變頻控制原理如圖1所示：
 

圖1  變頻調速控制原理圖

3  引風機變頻改造方案
3.1  中壓變頻調速可供選擇的三種實施方案
3.1.1  Y-△變換
該種方法是通過降壓變壓器將6000V的電壓降低到一定的電壓等級，要求異步電動機必須采用△連接，在保證輸出功率不變的情況下，該種連接方式雖能滿足電壓和電流的要求，但它對dv/dt和共模電壓的承受能力較差，容易形成環流，增加電機損耗。由于電廠一般風機電機的溫升為115°C左右，絕緣等級為F級，接線方式為Y形，若選用此方案的變頻器，電機定子線圈接線要由Y形改變為△，而線圈截面保持不變，有可能會由于電流增加而導致電機的溫度急劇上升，以至損壞電機。
3.1.2  高-低-高變頻調速系統
此種調速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用各大
公司一般的交流變頻器，然后，將變頻器的輸出電壓通過升壓變頻變壓器將輸出電壓再提高到6kV，以滿足交流電動機的電壓要求。但據資料介紹此方案存在著以下問題：
(1)  此高-低-高變頻系統需要用兩個變壓器，從而降低了節能效率，且降壓、升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧波的影響。
(2)  高-低-高調速系統輸出波形畸變較大，高次諧波含量比較高，對電機的絕緣要求很高。
(3)  高-低-高變頻調速系統中的變頻器整流部分普遍采用可控硅橋式整流電路，相應變頻器的功率因數比較低（0.2～0.92）。由于引風機經常工作在低轉速狀態，可控硅的導通角較小，使系統的功度因數很小，系統需消耗大量的無功功率，致使6kV母線電壓下降。為使系統穩定需加裝一套自動無功補償裝置。同時可控硅整流在送風機低速運行時，導通角很小，波形畸變很大，逆變部分大多采用6脈沖或12脈沖，輸出波形失真較大，有大量高次諧波存在（對周圍設施造成電磁干擾，并且影響電源電壓電流波形），使之不能維持穩定正弦波，為解決諧波影響，必須加裝諧波濾波器。
高-低-高變頻調速系統的變頻器整流部分采用可控硅橋式整流，逆變部分采用可控硅橋式逆變，較先進的采用IGBT橋式逆變，需要二套控制部分進行控制，系統比較復雜，而且可控硅元件存在容易失控的問題。
高-低-高變頻調速系統中的變頻器工作在低電壓狀態，為滿足功率輸出的要求，工作電流會很大，往往要求變頻器元件進行并聯運行，為此必須進行元件配對，加均流措施，檢修要求比較高。
該系統需要2臺變壓器，變壓器需要裝設相應的保護，成本會有所上升，由于設備環節比較多，使用高-低-高變頻系統占地面積比較大，不適合#1爐甲引風機的改造。
3.1.3  直接高壓變頻調速系統
直接高壓變頻系統（簡稱高-高）是90年代針對高-低-高變頻調速系統缺陷研制成功的新一代變頻調速系統。該系統從根本上解決了高-低-高變頻調速系統存在的問題，是一種性能優越的變頻調速設備。它的優勢在：
(1)  普遍采用了橋式整流電路，GTO或SGCT管橋式逆變電路。此系統一般使用一臺變壓器與電網隔離，變頻器輸出直接到電機。由于采用了橋式整流電路，在整個調速過程中功率因數很高，cosj»0.85，不需要裝設無功補償裝置；又因為高-高變頻調速系統采用多重化脈寬控制，通過模塊輸出串聯迭加消除高次諧波的影響，不需要再裝諧波濾波器。最新型的高-高變頻器更采用直接轉矩控制使調速精度有進一步提高。
(2)  簡化了主電路和控制電路的結構，變頻器在中間處理器調節器控制下，調整整流及逆變部分的控制量，通過調節逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率，既實現調壓，又實現調頻，在處理器中集成了新精度的電機理論模型，高速采集變頻器和電機的狀態參數，進行優化處理，調節器進行無偏差的前饋控制，使控制誤差降到了最小，從而使裝置的體積小，重量輕，造價低，可靠性高，占地面積小。
(3)  改善了系統的動態特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內控制和調節，因此，調節速度快，調節過程中頻率和電壓的配合好，系統的動態性能好。
(4)  高-高變頻調速系統有很好的對負載供電的波形。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而解決了由于以矩形波供電引起的電機發熱和轉矩降低問題，改善了電動機的運行性能，高-高變頻系統適用于常規電機和電纜的絕緣要求，現有的引風機電機、電纜可以繼續使用。
(5)  高-高變頻調速系統變頻器工作在高壓狀態，功率模塊均封裝在絕緣板箱使拆裝方便，用戶可以安全方便的對每個單元進行診斷和查找故障，系統的檢查和調正可以在變頻器運行中進行，操作人員可以在線調整參數。
(6)  采用高精度、高速度和光纖數字通訊控制技術，保證了低壓控制電源部分和高壓電機部分可靠電壓隔離。
3.2選用方案分析
上述三種風機變頻節能的實施方案，歸納起來是要確定變頻器主回路和主控回路是選用“高-低-高”方式，還是選用“高-高”方式。選用“高-低-高”方式工作的變頻器需要增加變壓器、無功補償器、諧波濾波器，變頻實現控制復雜，可靠性較低，檢修比較困難，價格比較低廉。但由于所選用的設備較多，設備占地面積和體積較大，系統的整體節能效果較差，設備的維護費用和故障均會相應提高，不適合#1爐甲引風機的改造。
美國AB-ROCKWELL POWERFLEX7000中壓變頻器（簡稱7000系列）系采用高-高變頻調速方式，具有90年代先進的技術，如光纖數字控制模塊化設計、電腦自動監測及故障報警、四象限運行功能、人機接口采用漢化軟件、專利性通風設計、占地面積小和維護簡單等特點，是高-低-高變頻調速的更新換代產品，具有較高的科技含量，有極高的可靠性，是變頻調速的發展方向。

圖2  PowerFlex7000中壓變頻器的基本工作原理圖

7000系列中壓變頻器對高次諧波和dv/dt以及共模電壓有很強的抑制作用，滿足IEEE519及GB/T14549-93標準，能更好的保證電源質量。它可驅動任何三相鼠籠式異步電動機，對于一些舊型號的電機可以直接使用，無需進行改造。并且可以根據用戶要求配置內部電路，實現最優化控制，提供各種不同的輸入輸出控制量，可以和外圍電路實現極佳的配合，具有很大的靈活性，適合對老設備進行配套改造。因此，選用高-高變頻調速方式較為合適。
4  POWERFLEX7000系列變頻器工作原理
 

圖3  引風機變頻改造后一次接線圖

7000系列變頻器的基本原理如圖2所示。6kV高壓電源，通過18脈沖隔離變壓器，送入變頻器，經由18個可控硅(SCR)組成的整流回路，將進線3相6000V交流變換為直流，再經直流電抗器到達逆變回路，逆變回路由6組對稱門極轉換晶閘管(SGCT)大功率元件組成，以脈寬調制方式，將幾乎完美的正弦電流電壓波形送給電機，根據負荷、速度給定的大小，來調整電壓及頻率，實現節能的目的。變頻器由微處理器(計算機)控制，通過光纖把控制信號送到高壓元件驅動回路。
5  #1爐甲引風機變頻改造的施工方案及調試
(1)  主接線（圖3）
(2)  主要組成
系統由電源斷路器、隔離變壓器、變頻器裝置、輸出接觸器和三相異步電動機組成。
(3)  改造后保護及控制回路
如圖4所示，虛框內為增加設備，5LJ、4LJ型號為DL-11/10A，其定值為7.5A（二次值，按躲過隔離變的勵磁涌流計算4Ie）。ZJ外引一對常開接點、6kV開關外引一對常開輔助接點至變頻器。事故按鈕改接至保護出口繼電器；集控室跳閘按鈕引出一對常閉接點至變頻器。
(4)  變頻裝置的安裝
由于#1爐廠房內設備較多，老廠改造可利用空間狹小，且環境較差，為了滿足變頻器運行條件，我們選用青島四海公司提供的型箱式變電站。該箱站為可移動式、分體組裝模式，由底座、骨架、裝飾面、上蓋及冷卻系統等部分組成，設計結構合理，占地面積小，可防水、防潮、防塵、防輻射，同時針對變頻器的通風要求設計了獨特的風道。隔離變及變頻器柜直接焊接在箱站內的鋼板上，電纜孔已經在箱站底板預制，配置起來非常靈活。
 

圖4  改造后保護及控制回路圖

(5)  變頻器的調試
①  靜態調試
靜態調試項目包括裝置外觀檢查、插件檢查及調整、SCR和SGCT檢查測試、驅動電路檢查測試，弱電上電試驗、裝置絕緣檢查及耐壓試驗、電源斷路器、隔離變、電機檢查，高壓上電、聯鎖傳動試驗，變頻器參數整定等。變頻器參數參見表1。

表1

②  空載試驗
解除風機靠背輪，變頻器帶電機空載運行。在就地、集控室控制變頻器啟動電機，同時試驗儀器記錄電機啟動電流、電壓波形。電機啟動時，零速上升，沖擊較小，轉速上升平穩，電壓波形平滑，6kV母線電壓無降壓。在就地、集控室調整轉速升降正常。
③  帶負荷試驗
帶風機運行。由運行人員在集控室控制變頻器輸出頻率，改變風機轉速，調節風量，檢查
控制、保護、信號功能良好，測試最低頻率6Hz，最大頻率50Hz。測試啟動時間最長20秒，最高轉速745r/min。
6  改造后的運行情況及效益分析
(1)  經濟效益
#1爐引風機變頻器2001年7月25日投運后，一直運行正常，其產生的諧波對廠用電系統正常運行無影響，儀表、保護特性無明顯變化。
改造后，根據現場運行資料，對2000年和2001年9\10兩個月十里泉發電廠#1爐引風機的耗電情況進行了對比分析，參見表2（兩年的9\10月份都是單引風機運行，具有可比性）。

表2

    2000年#1機組全年發電量：584777700kWh
根據兩個月的統計表，以2000年#1機組全年發電量為基數，可計算出一年的節電量約為：
584777700×(1.04%-0.9%+1.04%-0.92%)÷2=
760211( kWh)
2001年7月25日正式投運至11月15日共正常運行112天，按0.35元/ kWh計算，節支：
760211×112÷365×0.35=81644(元)
由于#1爐乙吸已加裝了液力耦合器，其具有一定的節能效果，運行資料證明其節能約為8%，因此，節電量應為760211+584777700×1.04%×8%=
1246746(kWh)，年節約費用43.6萬元。
(2)  延長電動機壽命
一般電機啟動時，啟動電流為額定電流的6～8倍，電機繞組承受的沖擊轉距很大，嚴重影響電機的機械壽命（該廠7臺機組每年燒毀高壓電機2～3臺，修復直接費用幾十萬元），變頻調速可以實現輕啟動，電機從零轉速緩慢升到起始轉速，然后通過變頻器輸出頻率的變化來改變電機轉速，避免了啟動時對電機的機械沖擊，延長電機使用壽命。
(3)  減少對設備的磨損
由于空氣中含有粉塵，對高速轉動中的風機及檔板磨損很大，按以往檢修記錄。每年檢修及維護費用需十幾萬元，改變頻調速后，電機轉速一般比較低，負荷75MW以下兩臺風機運行，檔板全開，甲吸轉速在400轉以下，磨損大大減小，延長了使用年限，降低了檢修費用，通過改變頻調速，每年可以節約設備磨損及設備檢修費用10萬元。
(4)  提高了機組的自動化水平
變頻調速裝置配有計算機接口，可以很方便的與工業標準通訊系統、能源管理系統和其它系統聯接，極大的提高了機組的自動控制水平。
(5)  減輕操作人員的勞動強度
機組負荷發生變化，改變引風機擋板來調節風量，控制比較困難，而變頻調速可以直接通過增減頻率來調整，操作非常簡單、靈活。
高-高中壓變頻調速裝置調速范圍大、效率高，占地面積小，節能效果顯著，適合老廠鍋爐風機節能改造。AB-POWERFLEX7000中壓變頻器性能優良，使用型箱式變電站安裝簡單、施工量小，調試簡便、維護量少。