中压变频器原理及在我厂风机上的应用

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1、中压变频器原理及在我厂风机上的应用 一、概述 张大鹏江志春仲崇明 ( 山东黄岛发电厂) 随着技术进步，特别是一些电力电子器件的制造技术、电力电子电路的电力变换技术、交流 电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、P W M 技术以及微型计算机和大规模集成电路为 基础的全数字化控制技术的发展，交流调速电气传动已经上升到电气调速传动的主流，改变了由 直流电动机调速占统治的地位。中压变频器的原理与低压变频器的原理是一样的，即通过改变其 定子磁场的频率实现对速度的控制。 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的速度为：N I = 6 0 F t N p 式中 N l 一同步转速( r m i n ) F

2、l 一定子频率( H z ) N 一磁极对数 而异步电动机的轴转速为：N = N I ( I - S ) = 6 0 F ( 1 - S ) N ， 式中s 一异步电动机的转差率，S = ( N I - N ) N I 改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。对异步电动机调速控制 时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转予电流下，电 磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态使励磁电流过大，这就限制 了定子电流的负载分量。为使电动机不过热，负载能力就要下降。因此实现异步电动机的调速方 式有以下两种：一种是基频以下的恒磁通变频器

3、调速，是属于恒转矩调速方式。另一种是基频以 上的弱磁变频调速，属于近似的恒功率调速方式。 中压变频器( 与电网电压比较为中压) 根据高压组成方式，可分为直接高压型和高一低一高型； 根据有无中问直流环节，可分为交一交变频器和交一直一交变频器。在交一直一交变频器中，按中间 直流滤波环节的不同，可以分为电压源型( 也称电压型) 和电流源型( 也称电流型) 。高一低一高 型变频器采用变压器实行输入降压、输出升压的方式，其实质还是低压变频器，只不过从电网和 电动机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输 入、输出变压器，存在中间低压环节电流大、效率低下、可靠性下降、

4、占地面积大等缺点。直接 高压交一直一交变频器直接输出高压，无需输出变压器、效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛， 我厂吸风机变频器就是采用直接高压交一直一交电流源型中压变频器。它采用大电感作为中间直流 滤波环节，整流电路采用S C R 晶闸管作为功率器件，逆变部分采用G T O ( 1 5 5 7 中压变频器) 或 S G C T ( P o w e rF l e x7 0 0 0 ) 功率器件。我厂吸风机变频器由于存在着大的平波电抗器和快速电 流调节器，所以过电流保护比较容易。当逆变侧出现短路故障时，由于电抗器存在，电流不会突 变，而电流调节器则会迅速响应，使整流电路晶闸管的触发延迟迅速后移

5、，电流能控制在安全范 围内。为了对接地也实现保护，把滤波电抗器分为两半，上下直流母线各串一半。电流源型变频 器的一大优点是能量可以回馈电网，系统可以四象限运行。虽然直流环节电流的方向不能改变， 1 1 9 但整流电压可以反向( 当整流电路工作在有源逆变状态时) ，能量可以回馈到电网。 二、我厂中压变频器技术状态 我厂的中压变频器技术先进，采用免传感器的直接矢量控制，其对电机的磁通是测算而不是 估算，如同直流驱动，马达力矩可快速改变而不影响马达磁通。逆变侧使用6 5 k V 双面冷却的对 称门极换流晶闸管( S G C T ) ，功率结构无需熔断器，可能量回馈，具有电流抑制D C 电抗器，其结

6、构紧凑高效。采用创新的功率机架，不需移动机架，无需特殊工具便可在5 分钟之内完成对器件 的更换。采用先进的散热器设计，高压冷却气流模式确保了高效的热传递且降低了热损伤。高质 量的电压电流输出波形，使变频器拖带下电机噪音比工频运行时还要小。大画面文字图形显示操 作员终端菜单引导屏幕，可以完成诸如设置、监控、诊断、报警等各种变频操作及显示常用变量 诸如速度、电压、功率、转速等。 三、变频技术节能应用分析 1 、我厂吸风机变频器全部采用加拿大A B 公司生产的中压变频器调速，既实现了吸风机风量 的自动调整又实现了节能，由于变频装置的投入，实现了节能将耗的目标，因此产生了很大的经 济效益。其节能的原理

7、根据风机的特性分析如下： 风机是一种平方转矩负载，其转速1 1 与风量Q 、压力P 、转矩T 及风机的轴功率P 的关系 如下式所示： Q o c np , x T o n 2p o e T 。一n 3 转速：1 1 风量：Q 压力：P T ：转矩轴功率：P 上式表明，风机的风量与其转速成正比，风机的压力与其转速的平方成正比，风机的轴功率与其 转速的立方成正比。当电动机驱动风机时，电动机的轴功率P ( k w ) 可按下式计算。 P = Qp * 1 0 “ 3 n 。nb 式中 Q 一风量( m 3 s )旷压力( P 。) q r 一风机的效率n ，传动装置效率，直接传动时为l 。 由上式我

8、们可以做出变频调速控制时的特性曲线图如下： m l 风压P p l O 5 p 2 p 3 0 Q 3 0 5 QQ 3 1 风量Q p U P U ：标幺值 由此特性曲线可以看出风机在低速时节电比较显著，转速越高节电越不明显，如果转速到额 定值时，不但不节约电能反而浪费能源( 因为变频器本身及辅助设备要消耗一部分能源) 。 结论：变频器不宜超载超速运行! 否则将变为耗电设备，并使变频器难以承受。 2 、随着我厂吸风机变频器的投运，克服了吸风机在运行中存在的性能调节差，能耗高，效 益较低，维护工作量大等难题。由于近年来省电网容量充足，我厂的4 台机组经常处于调峰状态， 档板开度平均只能达到4

9、5 左右，电机恒速转动，约有5 0 的能量白白消耗在档板上。同时，困 科技含量低设各运行可靠性不高，这样影响了机组的安全稳定运行。日常维护量大，影响了机组 的安全稳定运行。通过变频改造，风机风量与压力的调节，由通过调节风机挡板开度改为通过变 频器调节电机速度来控制风机的吸风量，档板开度可以开到1 0 0 。通过改变风机的转速直接调 节吸风机的风量，节流损耗可以降到零，变频调速作为一种先进的节能技术，实施后降耗4 0 以 上。以# l 炉吸风机改变频后的节能效益分析为例。 # 1 炉吸风机参数如下： 电机：Y 8 0 0 - - - - 8 1 1 8 0 ，P = 8 0 0 k w ，U e

10、 = 6 0 0 0 V 定子电流：9 3 4 A ，Y 转速7 3 4 转分，C O S m = O 8 风机：Y 7 3 1 1 N 0 2 8 0 ，型号：离心式 出力：4 2 6 8 * 1 0 0 0 m 3 P a 风压：4 4 4 0 P a 转速7 4 3 转分 变频器：P O W E RF L E X7 0 0 0装置输入频率；5 0 H Z 输入电压：6 0 0 0 V 输出频率：7 5 H Z 输出电流：1 0 0 A 输出电压：6 0 0 0 V 输出功率：8 0 0 K W 输出谐波分量：小于l ，效率大于9 8 ( 满负荷，满速度) 3 、变频器投运后对机组运行的影

11、响 1 ) 因投入变频器后风道档板在全开位置，风道档板压流损失减少到零 2 ) 由于变频器非常平滑稳定的调整风量，通过自动或手动方式调整变频器的运行频率，运 行人员可以更为自如的调控锅炉燃烧，使自动化程度大大提高。 3 ) 投入变频器后，大大改善了锅炉燃烧自动控制系统的工作状况，使自动装置的可靠性大 大提高 4 ) 电机的容量为8 0 0 k W ，比风机额定出力要大，这部分多出的容量不能有效利用，投入变 频器后利用变频器可以超速的能力和功能，在不超出电动机额定出力的情况下，使风速超速 2 5 ，因而在机组满负荷时使吸风机风压显著提高，锅炉燃烧状况明显得以改善。 5 ) 减少了电动机启动时的启

12、动电流，因此减轻了启动机械转矩对电动机机械损伤，有效的 延长了电动机的使用寿命。 4 、根据实测数据计算节能状况 一般情况下机组在5 5 - - 9 5 M W 之间运行，年运行时间7 0 0 0 小时，因此可以取平均值，以节 电率5 0 计算( 锅炉运行记录) 则年节电：2 * 8 0 0 * 5 0 * 7 0 0 0 - = 5 6 0 0 0 0 0 k W h 1 2 1 按照0 4 元，l 【W h 计算则：O 4 * 5 6 0 0 0 0 0 = 2 2 4 ( 万元) 四、科技进步分析 l 、变频器调速后，可彻底避免大电机启动电流产生的冲击电动力矩对电动机的损坏，极大 的减轻

13、了烟气对烟道档板的冲击腐蚀，有效的延长了电机及烟道档板的检修周期，减少了检修维 护量，年节约维护费1 0 万元，年节约检修费用4 3 万元 2 、变频调速后，提高了机组自动装置的稳定性，为优化运营提供了可靠保证 3 、变频调速后，锅炉的运行参数得到了改善，提高了锅炉效率。 五、投资分析 设备投入约4 6 0 万元。 产出5 年计为5 x ( 2 2 4 + 1 0 + 4 3 ) = 1 3 8 5 ( 万元) 则投入产出比为；4 6 0 ：1 3 8 5 = 1 ：3 结论：节能降耗明显，科技进步显著。 六、存在的问题及对策 虽然吸风机变频器投运以来产生了极大的经济效益，实现了节能降耗，但是这8 台吸风机变 频器仍然存在一些质量问题需要解决，如A C D C 电源、S C R 、S G C T 、G T O 等功率器件经常出 现故障导致变频器投入率不高。根据这些问题，我厂已经向加拿大A B 公司做了交涉，A B 公司 非常重视，组织工程技术人员进行专项解决，通过对个别元器件的更新换代及软件升级使得变频 器的运行质量得到了很大提高，年平均故障率下降到0 2 。再就是我厂应对厂内灰尘进行治理， 因为由于空气质量太差已影响变频器的安全运行，通过上述问题的彻底解决，中压变频器的发展 前景越来越好。