1 引言

　　中國(guó)政府在第十到第十一個(gè)“五年計(jì)劃”的節(jié)能計(jì)劃中，把“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”列為重中之重，“發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術(shù)”，“逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”。另一方面，國(guó)家計(jì)委在“十五”計(jì)劃綱要中明確提出了要“改變工業(yè)增長(zhǎng)方式”，“鼓勵(lì)采用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”，指出一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要基礎(chǔ)是國(guó)家的裝備制造業(yè)，提出“大力振興裝備制造業(yè)”的重要指導(dǎo)思想，“大力推進(jìn)機(jī)電一體化”，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　從2005年中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)主辦的中國(guó)電力論壇上獲悉，目前我國(guó)的電力裝機(jī)容量達(dá)到4.4億kw，其中有3.25億kw是火電，火電的發(fā)電量占到總發(fā)電量的82.6％。而且，火電比重過(guò)大的局面今后可能進(jìn)一步加劇?；痣姀S中的各類輔機(jī)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類設(shè)備占了絕大部分，蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力。

　　河南鶴壁同力電廠兩臺(tái)機(jī)組2×300mw采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的dg1025/18.2-ii12型自然循環(huán)汽包爐，風(fēng)煙系統(tǒng)采用雙引風(fēng)機(jī)、雙送風(fēng)機(jī)，冷一次風(fēng)機(jī)熱風(fēng)送粉形式。風(fēng)機(jī)型號(hào)分別為 fta19-9.5-1、sfg-17.5f-c5a型。配置功率分別為2800kw、630kw、710kw 電壓為6kv的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)，引風(fēng)機(jī)采用靜葉調(diào)節(jié)，一次風(fēng)機(jī)工頻采用入口擋板調(diào)節(jié)，這種配置的缺點(diǎn)是擋板兩側(cè)風(fēng)壓差造成節(jié)流損失，同時(shí)風(fēng)機(jī)擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)為大力矩電機(jī)執(zhí)行器易出故障，風(fēng)機(jī)自動(dòng)率較低。

　　本次變頻改造針對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的四臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，經(jīng)我廠多方面考察，最終采用東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的變頻器，型號(hào)為dfvecrt-mv-900/6c變頻器，共四套。目前經(jīng)過(guò)對(duì)變頻器的調(diào)試運(yùn)行、驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果，安裝工藝、操作控制都有了突破性進(jìn)展。

　　2 采用變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理

　　2.1 風(fēng)機(jī)水泵的有關(guān)理論

　　由電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1、磁極對(duì)數(shù)p之間的關(guān)系式為:

　　n0=60f1/p (r/min)
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s的定義式為:
s=(n0－n)/n0=1－n/n0
則可得異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:
n=n0(1－s)=(1－s)60f1/p

　　可見(jiàn)，要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可通過(guò)改變電源頻率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該調(diào)速的方法即為變頻調(diào)速。

　　2.2 風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)速節(jié)能

　　由于火電機(jī)組調(diào)峰力度的加大，這些機(jī)組的負(fù)荷變化范圍很大，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，由于這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率并沒(méi)有多大改變，所以浪費(fèi)了大量的能源。由于流量與轉(zhuǎn)速成正比，如果風(fēng)機(jī)能在調(diào)速狀態(tài)下運(yùn)行，則可將風(fēng)機(jī)擋板全開(kāi)，使風(fēng)道的阻力減小至最小，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整風(fēng)量，此時(shí)風(fēng)機(jī)可以始終處于高效點(diǎn)運(yùn)行。而由于風(fēng)機(jī)消耗的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以通過(guò)降低轉(zhuǎn)速以減少流量來(lái)達(dá)到節(jié)流目的時(shí)，所消耗的功率將降低很多。由于我國(guó)在電力設(shè)計(jì)規(guī)程上的種種原因，給水泵、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等以及其配套的大電機(jī)都存在著“大馬拉小車”的現(xiàn)象。所以改造風(fēng)機(jī)為調(diào)速運(yùn)行，能帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。

　　3 單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器的基本原理

　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　dfcvert-mv系列無(wú)電網(wǎng)污染高壓大功率變頻器是采用直接“高-高”的變換形式，由多個(gè)功率單元構(gòu)成多重化串連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)單元輸出固定的低壓電平，再由多個(gè)單元串聯(lián)疊加為所需的高壓。以6kv每相六單元串聯(lián)為例,電壓疊加如圖1所示，變頻器電路原理示意圖如圖2所示。每相由6個(gè)相同的功率單元串聯(lián)而成，相電壓為3464v。每個(gè)功率單元輸出有效值ve＝577v，峰值輸出電壓 。

圖1 6kv變頻器電壓疊加示意圖

　　多重化串聯(lián)結(jié)構(gòu)使用低壓器件實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，降低了對(duì)功率器件的耐壓要求。它對(duì)電網(wǎng)諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足了ieee519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)的要求;輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置;輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，對(duì)普通異步電機(jī)不必加輸出濾波器就可以直接使用。

圖2 6級(jí)6kv變頻器電路原理示意圖

　　3.2 功率單元

　　功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋式整流器、預(yù)充電回路、電容器組、igbt逆變橋、直流母線和旁通回路構(gòu)成，同時(shí)還包括電源、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)監(jiān)測(cè)、通訊等組件組成的控制電路。單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，有互換性。

　　功率單元由移相變壓器的一組副邊供電，通過(guò)三相全橋整流器將交流輸入整流為直流，并將能量?jī)?chǔ)存在電容組中。電容器組根據(jù)單元電壓選擇并聯(lián)或串連，如母線電壓為815v，則將三組電容串連起來(lái)以滿足耐壓要求，每組電容器根據(jù)單元容量的大小選擇并聯(lián)個(gè)數(shù)?？刂撇糠滞ㄟ^(guò)冗余設(shè)計(jì)的電源板從直流母線上取電，接收主控系統(tǒng)發(fā)送的pwm信號(hào)并通過(guò)控制igbt的工作狀態(tài)，輸出pwm電壓波形。

　　監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控igbt和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統(tǒng)。在單元出現(xiàn)重故障時(shí)，主控將打開(kāi)功率單元的旁通回路，使單元進(jìn)入旁通狀態(tài)，避免整個(gè)變頻器停機(jī)。

　　每個(gè)單元輸出pwm波，將每相n個(gè)功率單元的輸出電壓疊加，產(chǎn)生多重化的相電壓波形，使相電壓產(chǎn)生出2n+1個(gè)電壓臺(tái)階，6個(gè)功率單元輸出的pwm波形及疊加之后的相電壓波形如圖4所示。

　　3.3 移相變壓器

　　移相變壓器電氣原理如圖5所示: 變壓器（以輸入6kv變壓器為例）原邊繞組為6kv,副邊共18個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分別有±5o、±15o、±25o等移相角度，每個(gè)繞組接一個(gè)功率單元。這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進(jìn)行隔離降壓，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的諧波干擾。

圖3 變頻器功率單元

圖4-1 變頻器一次原理圖

圖4 變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形

圖5 移相變壓器柜電氣原理圖

　　4 可靠性分析

　　設(shè)備改造原則上應(yīng)以最可靠的系統(tǒng)、最少的投入、最短的時(shí)間、帶來(lái)最好的效益為目標(biāo)。當(dāng)然可靠性始終還是要放在首位，為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，筆者為變頻器配備了工頻和變頻自動(dòng)切換功能。當(dāng)變頻器需正常檢修或故障時(shí)，變頻器可自動(dòng)切換到工頻旁路運(yùn)行;當(dāng)變頻器正常檢修完成后，電動(dòng)機(jī)可在工頻旁路運(yùn)行的情況下自動(dòng)投入變頻運(yùn)行。詳細(xì)的系統(tǒng)如圖6所示。我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)的試驗(yàn)證明，整個(gè)切換過(guò)程在幾秒中內(nèi)即可完成，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有任何擾動(dòng)，可保證系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行，整個(gè)改造沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn)。

　　5 經(jīng)濟(jì)效益分析

　　由于在相同條件下風(fēng)壓和流量的大小與電機(jī)電流的大小成正比所以這里只用工頻運(yùn)行檔板調(diào)節(jié)時(shí)的電機(jī)電流和變頻調(diào)節(jié)時(shí)變頻器的輸入電流作一比較，以說(shuō)明節(jié)電效果。

　　在機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)電源側(cè)電流見(jiàn)表1（24次平均值）。

表1 機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)電源側(cè)電流

　　以下公式可估算出節(jié)電的結(jié)果:

　　p= uicosφ
式中:p為電功率（kw）;
i為電流（a）;
u為電壓（v）;
cosφ-功率因數(shù)，一次風(fēng)機(jī)為0.84，變頻器為0.98。
根據(jù)p= uicosφ可得出計(jì)算結(jié)果如表2所示。

　　表2 計(jì)算結(jié)果

　　根據(jù)表2可得出#1爐可節(jié)電能421.2kw·h。

　　以上只是利用電流的變化做一比較，在實(shí)際運(yùn)用中各種運(yùn)行工況的不同節(jié)能效果也不一樣。所以實(shí)際節(jié)能和估算的結(jié)果會(huì)有一定的出入，但從結(jié)果上看節(jié)能還是非常顯著的。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　我廠#1爐變頻器自2005年安裝調(diào)試，2005年5月正式投入運(yùn)行。在調(diào)試及運(yùn)行中變頻器經(jīng)歷了多種方式的考驗(yàn)，突破了變頻器與相關(guān)設(shè)備相匹配的各種難點(diǎn)，實(shí)踐證明高壓變頻裝置節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，也減少了風(fēng)道的振動(dòng)?？傊畺|方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的變頻器在#1爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用是很成功的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展作為大容量傳動(dòng)的國(guó)產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，在電力行業(yè)對(duì)于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用變頻技術(shù)不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到了國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后更多行業(yè)節(jié)能技術(shù)的方向。目前很多行業(yè)越來(lái)越多的人員對(duì)此都形成廣泛的共識(shí)。