变频调速系统在风机中的应用--上虞风机

在火电厂中，多数辅机（如风机、灰浆泵、锅炉给水泵等）都是以鼠笼电动机类型为主体，转速不可控的电气拖动系统。当机组负荷发生变化时，这些系统的驱动电机的输出功率不能随之进行调节。如传统一次风机通常采用入口挡板调节，驱动电动机一直保持额定出力，因此存在以下缺点：一是能耗大。因一次风机电动机不具备随负荷变化调节出力的能力，长期运行在额定出力状况下造成大量电能的浪费；二是挡板调节不理想。在挡板调节的过程中存在卡塞隐患，常使驱动电动机出现短时间强烈振动现象，影响电机寿命；三是调节范围有限。由于上述问题造成大量电能的浪费，直接影响到电厂的经济效益，因此对一次风机提出设备改造。通过对一次风机的驱动电动机加装调频装置，以解决现有设备的缺陷上虞风机。

　　1高压变频器无谐波高压变频器由若干个低压PWM变频功率单元组成串联的方式，实现直接高压输出。该变频器由于具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音及共模电压等问题。因此不必加装输出滤波器，就可以应用于普通的异步电机。

　　1.1基本结构高压变频器组成的系统如所示，当用户需要改造原有系统或者在新建工程中使用变频器时，只需在原设计中将电动机与QF1断开并在中间加入变频器，即可完成改造。变频器中QS1和QS2为高压隔离开关，QS1为单刀单掷，QS2为单刀双掷。变频器的输出端配有电压互感器PT，用来检测变频器的输出电压。当要使用变频器时，先将QS1合通，QS2置为变频状态即“1状态，再由变频器给出用户开关合闸允许信号，QF1合通，变频器进入充电状态，充电完成后，就可以正常启动变频器。

　　1.2变频器的拓扑结构―DI系列无电网污染高压大功率变频器是采用直接高压（高一高）式的变换形式，由多个功率单元构成单元串联多电平的拓扑结构，每个功率单元可以按照主控系统的指令做到低压交流输出，再由多个功率单元串联成三相，每一相叠加输出为所需的相交流高压。以6kV每相五个功率单元串联为例，叠加之后的主回路如所示。

　　每个功率单元输入三相交流电压，经整流、逆变后输出单相交流电压，每相由五个相同的功率单元串联而成，三相的一端经过短接形成中性点，三相的另外三个端口的线电压为6kV可以直接连接交流电动机，所以该级联式主回路拓扑又常常称为“单元串联多电平”直接高压变频器结构。

　　1.2.1移相变压器移相变压器电气原理如所示：变压器（以6kV变频器输入变压器为例）原边绕组为6kV副边共十五个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有0士1224等移相角度，每个绕组接一个功率单元。这种移相接法可以有效地消除30次以下的谐波。因此，采用移相变压器进行隔离降移相变压器电气原理。2.2功率单元功率单元主要由输入熔断器FU1、FU2、三相全桥整流器（V1V2）、滤波电容器组（C1C3）、IGBT逆变桥（1一T4）直流母线和旁通回路构成。功率单元电路如所示。

　　在一个变频器之内的功率单元，具有完全相同的结构，可以互换。每一个功率单元由移相变压器的一组副边供电，通过三相全桥整流器将交流输入变为直流，并将能量储存在电容器组中。电容器组可根据单元电压选择并联或串联。电子控制部件接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，并将IGBT的状态反馈回主控系统。在某一个功率单元电路，若出现重故障时，主控系统将接通该功率单元的旁通回路，使该功率单元进入旁通状态，而整个变频器可以继续工作。

　　当故障消失之后，变频器将退出旁通并自动恢复到原工作状态。

　　将每相N个功率单元输出的PWM电压波形进行叠加，产生出2N+1个电压台阶的多重化相电压波形，五个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如所示。

　　3应用效果3.1经济效果当负荷变化而风机的转速降低时，则输出功率按三次方递减，而变频调速能够很好地解决这一问题，达到节能的目的。某发电公司一期四台一次风机改造后每年将节能降耗总费用300余万元，并且实现一次风机平滑的频率调节和扩展调节范围。如按单台风机的年运行小时数7000小时计算，利用小时数为5300小时。TRL工况为2917小时，75%负荷的工况时间1750小时，<50%负荷的工况时间为2333小时。如果按上网电价按0.5元计算，四台风机每年可以节约728万元。4台一次风机均加装变频装置，需要一次性增加投资约1800万人民币，按上网电价按0.5元计算需要2.5年能收回投资。

　　在采用高压变频器后，实现了随着机组负荷变化而调节电机的转速来调节风量，大大减少挡板截流损失，节约了电能，且减少了设备维护费用。而且节能效果显著，使厂用电率降低0.1%. 3.2技术效果实现电动机软启动，常规电压下电动机启动时，启动电流可高达额定电流的4~8倍，如此大的冲击电流既是对电能的浪费，又对电动机的绝缘是致命的威肋、，大多数电机是在启动时烧毁而不是在运行中烧毁的。高压变频调速装置因为可以随意设定电机的启动初始转速和转速上升速度，从而避免了对电机产生大的冲击，大大延长了设备寿命。提高自动控制系统的品质，并可实现短时间失电无跳闸运行、旋转无冲击带负载启动等特殊功能，易于实现协调控制。

　　4结束语综上所述，装设高压变频调速装置，是目前电厂电机节能最优的解决方式。在能源日益短缺和紧张的今天，变频调速装置将在节能降耗中大显身手，是企业提高经济效益的重要途径。