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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(fā)展，電網(wǎng)容量已近兩千萬(wàn)千瓦以上，十里泉發(fā)電廠的125MW 機(jī)組主要承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，機(jī)組開(kāi)停機(jī)比較頻繁，并且滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間很少，即引風(fēng)機(jī)調(diào)整風(fēng)量的擋風(fēng)板全開(kāi)的時(shí)間很短（一臺(tái)機(jī)組的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在夏季滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)，其擋風(fēng)板也不全部打開(kāi)）。且電動(dòng)機(jī)均為單速電機(jī)，全年平均出力效率（按九九年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)），引風(fēng)機(jī)電機(jī)不及６０％，并且，機(jī)組調(diào)峰頻繁起動(dòng)，加劇了對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害。其事故率明顯增大。而采用變頻調(diào)速比擋風(fēng)板調(diào)整具有較好的節(jié)能效果，并能夠減輕機(jī)組調(diào)峰對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害；對(duì)于電力系統(tǒng)即將步入競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的今天，對(duì)廠用輔機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低機(jī)組的廠用電率，提高電廠競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的能力具有較大的積極作用。
該廠125機(jī)組共有10臺(tái)700kW引風(fēng)機(jī)，目前有8臺(tái)Y4-73-11-28D風(fēng)機(jī)已安裝液力偶合器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組不同工況下的調(diào)速節(jié)能改造。由于#1爐甲引風(fēng)機(jī)位置空間較小，無(wú)法安裝液力偶合器，唯一的節(jié)能途徑就是將電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造。
2  變頻調(diào)速的控制理論
交流異步電機(jī)的輸出功率為：P=Mz*w，其中，Mz為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，w為電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角頻率。而風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性為：Mz∝Kw²，所以，P∝Kw³。
上式表明，對(duì)于風(fēng)機(jī)一類(lèi)的負(fù)載而言，電動(dòng)機(jī)的輸出功率正比于電機(jī)旋轉(zhuǎn)角頻率的三次方，其中K為比例系數(shù)，對(duì)于一定的風(fēng)機(jī)而言，它為一常數(shù)。因此，電機(jī)輸出頻率的控制可以根據(jù)鍋爐某一參數(shù)（如風(fēng)壓）來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)測(cè)的鍋爐參數(shù)轉(zhuǎn)換成的控制量，控制變頻器，就可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。實(shí)現(xiàn)變頻控制原理如圖1所示：
 

圖1  變頻調(diào)速控制原理圖

3  引風(fēng)機(jī)變頻改造方案
3.1  中壓變頻調(diào)速可供選擇的三種實(shí)施方案
3.1.1  Y-△變換
該種方法是通過(guò)降壓變壓器將6000V的電壓降低到一定的電壓等級(jí)，要求異步電動(dòng)機(jī)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(mǎn)足電壓和電流的要求，但它對(duì)dv/dt和共模電壓的承受能力較差，容易形成環(huán)流，增加電機(jī)損耗。由于電廠一般風(fēng)機(jī)電機(jī)的溫升為115°C左右，絕緣等級(jí)為F級(jí)，接線(xiàn)方式為Y形，若選用此方案的變頻器，電機(jī)定子線(xiàn)圈接線(xiàn)要由Y形改變?yōu)椤鳎€(xiàn)圈截面保持不變，有可能會(huì)由于電流增加而導(dǎo)致電機(jī)的溫度急劇上升，以至損壞電機(jī)。
3.1.2  高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)
此種調(diào)速控制方案是將高壓通過(guò)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(guò)升壓變頻變壓器將輸出電壓再提高到6kV，以滿(mǎn)足交流電動(dòng)機(jī)的電壓要求。但據(jù)資料介紹此方案存在著以下問(wèn)題：
(1)  此高-低-高變頻系統(tǒng)需要用兩個(gè)變壓器，從而降低了節(jié)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(diào)速系統(tǒng)輸出波形畸變較大，高次諧波含量比較高，對(duì)電機(jī)的絕緣要求很高。
(3)  高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器整流部分普遍采用可控硅橋式整流電路，相應(yīng)變頻器的功率因數(shù)比較低（0.2～0.92）。由于引風(fēng)機(jī)經(jīng)常工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，可控硅的導(dǎo)通角較小，使系統(tǒng)的功度因數(shù)很小，系統(tǒng)需消耗大量的無(wú)功功率，致使6kV母線(xiàn)電壓下降。為使系統(tǒng)穩(wěn)定需加裝一套自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。同時(shí)可控硅整流在送風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)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(duì)周?chē)O(shè)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(wěn)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(diào)速系統(tǒng)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(jìn)的采用IGBT橋式逆變，需要二套控制部分進(jìn)行控制，系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且可控硅元件存在容易失控的問(wèn)題。
高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器工作在低電壓狀態(tài)，為滿(mǎn)足功率輸出的要求，工作電流會(huì)很大，往往要求變頻器元件進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，為此必須進(jìn)行元件配對(duì)，加均流措施，檢修要求比較高。
該系統(tǒng)需要2臺(tái)變壓器，變壓器需要裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)，成本會(huì)有所上升，由于設(shè)備環(huán)節(jié)比較多，使用高-低-高變頻系統(tǒng)占地面積比較大，不適合#1爐甲引風(fēng)機(jī)的改造。
3.1.3  直接高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
直接高壓變頻系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)高-高）是90年代針對(duì)高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)缺陷研制成功的新一代變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本上解決了高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的問(wèn)題，是一種性能優(yōu)越的變頻調(diào)速設(shè)備。它的優(yōu)勢(shì)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(tǒng)一般使用一臺(tái)變壓器與電網(wǎng)隔離，變頻器輸出直接到電機(jī)。由于采用了橋式整流電路，在整個(gè)調(diào)速過(guò)程中功率因數(shù)很高，cosj»0.85，不需要裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置；又因?yàn)楦?高變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多重化脈寬控制，通過(guò)模塊輸出串聯(lián)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(zhuǎn)矩控制使調(diào)速精度有進(jìn)一步提高。
(2)  簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，變頻器在中間處理器調(diào)節(jié)器控制下，調(diào)整整流及逆變部分的控制量，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率，既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，在處理器中集成了新精度的電機(jī)理論模型，高速采集變頻器和電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化處理，調(diào)節(jié)器進(jìn)行無(wú)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(jià)低，可靠性高，占地面積小。
(3)  改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，因此，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓的配合好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好。
(4)  高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)有很好的對(duì)負(fù)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(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩降低問(wèn)題，改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，高-高變頻系統(tǒng)適用于常規(guī)電機(jī)和電纜的絕緣要求，現(xiàn)有的引風(fēng)機(jī)電機(jī)、電纜可以繼續(xù)使用。
(5)  高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻器工作在高壓狀態(tài)，功率模塊均封裝在絕緣板箱使拆裝方便，用戶(hù)可以安全方便的對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行診斷和查找故障，系統(tǒng)的檢查和調(diào)正可以在變頻器運(yùn)行中進(jìn)行，操作人員可以在線(xiàn)調(diào)整參數(shù)。
(6)  采用高精度、高速度和光纖數(shù)字通訊控制技術(shù)，保證了低壓控制電源部分和高壓電機(jī)部分可靠電壓隔離。
3.2選用方案分析
上述三種風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的實(shí)施方案，歸納起來(lái)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(wú)功補(bǔ)償器、諧波濾波器，變頻實(shí)現(xiàn)控制復(fù)雜，可靠性較低，檢修比較困難，價(jià)格比較低廉。但由于所選用的設(shè)備較多，設(shè)備占地面積和體積較大，系統(tǒng)的整體節(jié)能效果較差，設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用和故障均會(huì)相應(yīng)提高，不適合#1爐甲引風(fēng)機(jī)的改造。
美國(guó)AB-ROCKWELL POWERFLEX7000中壓變頻器（簡(jiǎn)稱(chēng)7000系列）系采用高-高變頻調(diào)速方式，具有90年代先進(jìn)的技術(shù)，如光纖數(shù)字控制模塊化設(shè)計(jì)、電腦自動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警、四象限運(yùn)行功能、人機(jī)接口采用漢化軟件、專(zhuān)利性通風(fēng)設(shè)計(jì)、占地面積小和維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是高-低-高變頻調(diào)速的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有較高的科技含量，有極高的可靠性，是變頻調(diào)速的發(fā)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(duì)高次諧波和dv/dt以及共模電壓有很強(qiáng)的抑制作用，滿(mǎn)足IEEE519及GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)，能更好的保證電源質(zhì)量。它可驅(qū)動(dòng)任何三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)于一些舊型號(hào)的電機(jī)可以直接使用，無(wú)需進(jìn)行改造。并且可以根據(jù)用戶(hù)要求配置內(nèi)部電路，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)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(shí)現(xiàn)極佳的配合，具有很大的靈活性，適合對(duì)老設(shè)備進(jìn)行配套改造。因此，選用高-高變頻調(diào)速方式較為合適。
4  POWERFLEX7000系列變頻器工作原理
 

圖3  引風(fēng)機(jī)變頻改造后一次接線(xiàn)圖

7000系列變頻器的基本原理如圖2所示。6kV高壓電源，通過(guò)18脈沖隔離變壓器，送入變頻器，經(jīng)由18個(gè)可控硅(SCR)組成的整流回路，將進(jìn)線(xiàn)3相6000V交流變換為直流，再經(jīng)直流電抗器到達(dá)逆變回路，逆變回路由6組對(duì)稱(chēng)門(mén)極轉(zhuǎn)換晶閘管(SGCT)大功率元件組成，以脈寬調(diào)制方式，將幾乎完美的正弦電流電壓波形送給電機(jī)，根據(jù)負(fù)荷、速度給定的大小，來(lái)調(diào)整電壓及頻率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。變頻器由微處理器(計(jì)算機(jī))控制，通過(guò)光纖把控制信號(hào)送到高壓元件驅(qū)動(dòng)回路。
5  #1爐甲引風(fēng)機(jī)變頻改造的施工方案及調(diào)試
(1)  主接線(xiàn)（圖3）
(2)  主要組成
系統(tǒng)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(dòng)機(jī)組成。
(3)  改造后保護(hù)及控制回路
如圖4所示，虛框內(nèi)為增加設(shè)備，5LJ、4LJ型號(hào)為DL-11/10A，其定值為7.5A（二次值，按躲過(guò)隔離變的勵(lì)磁涌流計(jì)算4Ie）。ZJ外引一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)、6kV開(kāi)關(guān)外引一對(duì)常開(kāi)輔助接點(diǎn)至變頻器。事故按鈕改接至保護(hù)出口繼電器；集控室跳閘按鈕引出一對(duì)常閉接點(diǎn)至變頻器。
(4)  變頻裝置的安裝
由于#1爐廠房?jī)?nèi)設(shè)備較多，老廠改造可利用空間狹小，且環(huán)境較差，為了滿(mǎn)足變頻器運(yùn)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(dòng)式、分體組裝模式，由底座、骨架、裝飾面、上蓋及冷卻系統(tǒng)等部分組成，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，占地面積小，可防水、防潮、防塵、防輻射，同時(shí)針對(duì)變頻器的通風(fēng)要求設(shè)計(jì)了獨(dú)特的風(fēng)道。隔離變及變頻器柜直接焊接在箱站內(nèi)的鋼板上，電纜孔已經(jīng)在箱站底板預(yù)制，配置起來(lái)非常靈活。
 

圖4  改造后保護(hù)及控制回路圖

(5)  變頻器的調(diào)試
①  靜態(tài)調(diào)試
靜態(tài)調(diào)試項(xiàng)目包括裝置外觀檢查、插件檢查及調(diào)整、SCR和SGCT檢查測(cè)試、驅(qū)動(dòng)電路檢查測(cè)試，弱電上電試驗(yàn)、裝置絕緣檢查及耐壓試驗(yàn)、電源斷路器、隔離變、電機(jī)檢查，高壓上電、聯(lián)鎖傳動(dòng)試驗(yàn)，變頻器參數(shù)整定等。變頻器參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1

②  空載試驗(yàn)
解除風(fēng)機(jī)靠背輪，變頻器帶電機(jī)空載運(yùn)行。在就地、集控室控制變頻器啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)試驗(yàn)儀器記錄電機(jī)啟動(dòng)電流、電壓波形。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，零速上升，沖擊較小，轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，電壓波形平滑，6kV母線(xiàn)電壓無(wú)降壓。在就地、集控室調(diào)整轉(zhuǎn)速升降正常。
③  帶負(fù)荷試驗(yàn)
帶風(fēng)機(jī)運(yùn)行。由運(yùn)行人員在集控室控制變頻器輸出頻率，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)量，檢查
控制、保護(hù)、信號(hào)功能良好，測(cè)試最低頻率6Hz，最大頻率50Hz。測(cè)試啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)20秒，最高轉(zhuǎn)速745r/min。
6  改造后的運(yùn)行情況及效益分析
(1)  經(jīng)濟(jì)效益
#1爐引風(fēng)機(jī)變頻器2001年7月25日投運(yùn)后，一直運(yùn)行正常，其產(chǎn)生的諧波對(duì)廠用電系統(tǒng)正常運(yùn)行無(wú)影響，儀表、保護(hù)特性無(wú)明顯變化。
改造后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行資料，對(duì)2000年和2001年9\10兩個(gè)月十里泉發(fā)電廠#1爐引風(fēng)機(jī)的耗電情況進(jìn)行了對(duì)比分析，參見(jiàn)表2（兩年的9\10月份都是單引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，具有可比性）。

表2

    2000年#1機(jī)組全年發(fā)電量：584777700kWh
根據(jù)兩個(gè)月的統(tǒng)計(jì)表，以2000年#1機(jī)組全年發(fā)電量為基數(shù)，可計(jì)算出一年的節(jié)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(yùn)至11月15日共正常運(yùn)行112天，按0.35元/ kWh計(jì)算，節(jié)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(jié)能效果，運(yùn)行資料證明其節(jié)能約為8%，因此，節(jié)電量應(yīng)為760211+584777700×1.04%×8%=
1246746(kWh)，年節(jié)約費(fèi)用43.6萬(wàn)元。
(2)  延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)壽命
一般電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流為額定電流的6～8倍，電機(jī)繞組承受的沖擊轉(zhuǎn)距很大，嚴(yán)重影響電機(jī)的機(jī)械壽命（該廠7臺(tái)機(jī)組每年燒毀高壓電機(jī)2～3臺(tái)，修復(fù)直接費(fèi)用幾十萬(wàn)元），變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)輕啟動(dòng)，電機(jī)從零轉(zhuǎn)速緩慢升到起始轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)變頻器輸出頻率的變化來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。
(3)  減少對(duì)設(shè)備的磨損
由于空氣中含有粉塵，對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的風(fēng)機(jī)及檔板磨損很大，按以往檢修記錄。每年檢修及維護(hù)費(fèi)用需十幾萬(wàn)元，改變頻調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速一般比較低，負(fù)荷75MW以下兩臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，檔板全開(kāi)，甲吸轉(zhuǎn)速在400轉(zhuǎn)以下，磨損大大減小，延長(zhǎng)了使用年限，降低了檢修費(fèi)用，通過(guò)改變頻調(diào)速，每年可以節(jié)約設(shè)備磨損及設(shè)備檢修費(fèi)用10萬(wàn)元。
(4)  提高了機(jī)組的自動(dòng)化水平
變頻調(diào)速裝置配有計(jì)算機(jī)接口，可以很方便的與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)和其它系統(tǒng)聯(lián)接，極大的提高了機(jī)組的自動(dòng)控制水平。
(5)  減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度
機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化，改變引風(fēng)機(jī)擋板來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，控制比較困難，而變頻調(diào)速可以直接通過(guò)增減頻率來(lái)調(diào)整，操作非常簡(jiǎn)單、靈活。
高-高中壓變頻調(diào)速裝置調(diào)速范圍大、效率高，占地面積小，節(jié)能效果顯著，適合老廠鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造。AB-POWERFLEX7000中壓變頻器性能優(yōu)良，使用型箱式變電站安裝簡(jiǎn)單、施工量小，調(diào)試簡(jiǎn)便、維護(hù)量少。