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案例頻道 摘 要:研究高壓變頻器在電廠鍋爐二次風機中的應用。高壓變頻器對降低鍋爐風機的用電率、減少起動電流、提高功率因數、改進工藝水平、提高自動化水平有很好的應用前景，并進行了應用高壓變頻器后的節能分析。
關鍵詞:高壓變頻器；二次風機；節能分析
1 概述
在火力發電廠中，風機和水泵是最主要的耗電設備，且容量大、耗電多。電廠中風機的流量控制是通過調節擋板的開度來實現的，而這是一種經濟效益差，能耗大的落后方法，造成設備損壞快，維修難度大，運行費用高。相當部分功率消耗在擋板的截流過程中，從而造成能源的極大浪費。加上這些設備都是長期連續運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態，其節能潛力則更加巨大。發電廠輔機電動機的經濟運行，直接關系到廠用電率的高低。隨著電力行業改革的不斷深化，廠網分家，競價上網等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發電成本提高電價競爭力，已成為電廠努力追求的經濟目標。
電廠節能環保主要表現在系統高效安全運行和流量的有效凋節等幾方面，隨著火力發電廠的生產過程經濟性方面要求的提高，電廠必須走節能降耗，提高經濟效益之路，推廣高壓變頻在電廠風機系統優化運行中有十分重要的社會和經濟效益。
2 高壓變頻器的工作原理
高壓變頻器是一種串聯疊加性高壓變頻器，即采用多臺單相三電平逆變器串聯連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電。按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：n=（1一s）60f/p=n。×（1一s）（P：電機極對數；f：電機運行頻率;s:滑差）從式中看出， 電機的同步轉速n。正比于電機的運行頻率（n。=60fp），由于滑差s一般情況下比較小（0-0．05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n。，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。
變頻器本身由變壓器柜、功率柜、控制柜三部分組成。三相高壓電經高壓開關柜進入，經輸入降壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電，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行整流、逆變控制與檢測，這樣根據實際需要通過操作界面進行頻率的給定，控制單元把控制信息發送到功率單元進行相應得整流、逆變調整，輸出滿足負荷需求的電壓等級。
2．1 移相式變壓器
移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成X脈沖整流方式；這種多極移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使負載下的網側功率因數接近1。另外，由于副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，這樣大大提高了可靠性。
2.2 智能化功率單元
所有的功率模塊均為智能化設計具有強大的自診斷指導能力，一旦有故障發生時，功率模塊將故障信息迅速返回到主控單元中，主控單元及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路；同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別。在設計時已將一定功率范圍內的單元模塊進行了標準化考慮，以此保證了單元模塊在結構、功能上的一致性。當模塊出現故障時，在得到報警器報警通知后，可在幾分鐘內更換同等功能的備用模塊，減少停機時間。
6kV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串聯起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。6kV電壓等級的高壓變頻器，每相由六個額定電壓為600V的功率單元串聯而成，輸出相電壓最高可達3464V，線電壓達6000V左右。改變每相功率單元的串聯個數或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。6kV電壓等級的變頻器，給18個功率單元供電的18個二次繞組每三個一組，分為6個不同的相位組，互差10度電角度，形成36脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真大為減少，變頻器輸入的功率因數可達到0．95以上。
2．3 雙DSP控制系統
主控器的核心為雙DSP的CPU單元，使指令能在納秒級完成。這樣CPU單元可以很快的根據操作命令、給定信號及其它輸入信號，計算出控制信息及狀態信息，快速的完成對功率單元的監控。
2．4 GPRS遠程監控
通過FTU配網裝置，將采集到的“實際頻率”、“定子電壓”、“定子電流”、“壓力”以及系統運行的狀態量和報警信息等等數據，利用GPRS網絡發送到后臺服務器，后臺服務器可根據所收到的數據信息的分析結果作出相應的處理操作，包括監測工作狀態、系統運行參數、電流、電壓的超標報警，這樣就可以對現場進行實時監控，以確定安全情況和運行情況。大幅提高了系統運行的可靠性、操作方式更加靈活、同時也減少了維護費用。
3 高壓變頻器在二次風機的安裝應用
二次風機的作用是克服空氣預熱器、風道、燃燒器的阻力，輸入燃燒風，維持燃料充分燃燒。一旦二次風機不能正常運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失。所以，和二次風機配套的高壓變頻調速系統，要求具有極高的可靠性。二次風機及電動機的額定參數如下：
二次風機銘牌參數
型號：JLY75—13A
功率：450KW
風量：199801m ／h
風壓：5096Pa
主軸轉速：960 r／min
制造廠家：濟南風機廠
二次風機電動機銘牌參數
電機型號：Y4501—6
額定電壓：6000V
額定功率：450KW
額定電流：55A
額定轉速：990r／rain
絕緣數級：F級
接線方式：Y接
額定功率因數：O．84
制造廠家：沈陽電機股份有限公司
3．1 變頻器的安裝改造
變頻器主回路接線圖如下：
變頻器采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產的PowerSmart高壓大功率變頻器，其中QF為高壓斷路器，Qs1為電動機工頻隔離開關，Qs 2、QS3為電動機變頻隔離開關，QS1、QS2與QS3互鎖。從系統的原理圖中可看出，進行變頻改造對原系統改動較小，可在較短時間內完成改造方案，QS1的加入可使變頻在有故障的情況下工頻旁通。
變頻裝置工作電源正常為交流220V，從本機組380v段和保安段分別取一路電源。正常時一路工作，一路備用，如工作交流電源掉電，變頻裝置可分別通過其UPS裝置供電（UPS可提供工作電源30min），如UPS電量不足，則備用直流220V工作電源自動投入。
正常運行時，變頻器可通過爐膛負壓實現閉環自動調節變頻器轉速，根據熱工自動條件，也可開環實現手動給定輸出調節，最后輸出4-20mA信號，實現吸風機速度給定。CRT換面變頻器操作頁面中，設起、停、復位軟按鈕共3個，分別控制變頻器的起、停輸出及故障復位。在運行中，變頻器若發生不影響運行的輕故障，只發報警，高壓開關不掉閘，若發生重故障，則高壓開關事故掉閘，同時報警。
3．2 變頻器的操作
變頻器的操作方法有三種，一是就地控制，直接利用控制柜觸摸屏的人機界面的啟動、加速、減速、復位、停止等按鈕實現變頻調速的操作過程。二是遠程控制，通過遠程控制器具，用開關和模擬給定，通過端子，I／0接口輸入操作命令及給定值。三是DCS控制，與DCS直接連接，實現與現場過程控制系統的完美結合，并通過現場過程控制系統實現控制，二次風機的變頻控制主要采用DCS控制。
3．3 變頻器的啟動
一是正常啟動，按正常方式啟動后，自動上升頻率并以用戶設定的頻率穩定運行。二是軟啟動，按軟啟動方式啟動后，直接升速到系統參數中提供的電網投切頻率，然后系統給“變頻／工頻投切”指令，并進行相應的電氣連鎖控制，達到軟啟動的效果。三是旁路功能，在變頻器故障不能投入運行的情況下，可以進行手動旁路操作。將QS2，QS3斷開，QS1閉合，電機可由QF直接啟停，拖動電動機工作，此為變頻直接旁路功能，同時便于維護與檢修。
4 節能分析計算
在沒有進行變頻調速時，二次風機的運行方式是根據負荷變化調整調節門的開度來滿足負荷的變化要求。這種調節操作簡單，但調節精度低，管網系統的運行效率低。采用變頻調節時。如果根據負荷變化需要來調節風壓，將風壓調節在一個最優的范圍內，可以提高管網運行的整體效率，節能效果更加突出。可以利用變頻調節調節精度高，操作方便的特點，優化控制系統，提高系統效率。同時，變頻調速之后由于管網系統運行效率的提高，電動機不但減小了從電網輸入的功率，同時變頻器也提高了電網輸入的功率因數。這就使電動機從電網吸收的無功功率相對的降低了，由于電網傳輸的無功率功率減小，使得無功功率的傳輸在電網中造成的有功損耗也降低，即無功經濟當量也降低了。
通過以上分析得出，二次風機采用變頻器進行調節風量，當風量調節幅度越大，節電效果越高。經變頻改造后，在滿足鍋爐正常運行的情況下，二次風機電動機電流明顯減少，由32A一38A降為19A一28A，下降了10A左右，風機平均每小時電耗也由331．71Kw．h降到244．42Kw．h，節電率為26．3％。每度電按0．32元計，年運行小時數按7000小時計，年可節約電量611030kwh，年節電費19．552萬。
參考文獻
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[3]韓安榮．通用變頻器及應用【M】．北京：機械工業出版社，2000．
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號