1、125MW机组风机电机中压变频节能改造 企业： 控制网 日期： 2003-11-07 领域： 机器人 点击数： 1319 尹正军，高本科 宋海青 1 引言 随着山东电力的高速发展，电网容量已近两千万千瓦以上，十里泉发电厂的 125MW 机组主要承担调峰任务，机组开停机比较频繁，并且满负荷运行时间很少，即引风机调整风量的挡风板全开的时间很短（一台机组的两台风机运行，在夏季满负荷时，其挡风板也不全部打开）。且电动机均为单速电机，全年平均出力效率（按九九年数据统计），引风机电机不及，并且，机组调峰频繁起动 ，加剧了对电动机的损害。其事故率明显增大。而采用变频调速比挡风板调整具有较好的节能效果，并能够
2、减轻机组调峰对电动机的损害；对于电力系统即将步入竞价上网的今天，对厂用辅机进行变频调速改造，实现节能降耗，降低机组的厂用电率，提高电厂竞价上网的能力具有较大的积极作用。 该厂 125机组共有 10台 700kW引风机，目前有 8台 Y4-73-11-28D风机已安装液力偶合器，实现了机组不同工况下的调速节能改造。由于 #1 炉甲引风机位置空间较小，无法安装液力偶合器，唯一的节能途径就是将电机进行变频调速改造。 2 变频调速的控 制理论 交流异步电机的输出功率为： P=Mz*w，其中， Mz 为电动机的负载转矩， w 为电动机的旋转角频率。而风机的负载特性为： Mz Kw2，所以， P Kw3。
3、 上式表明，对于风机一类的负载而言，电动机的输出功率正比于电机旋转角频率的三次方，其中 K 为比例系数，对于一定的风机而言，它为一常数。因此，电机输出频率的控制可以根据锅炉某一参数（如风压）来实现。通过实测的锅炉参数转换成的控制量，控制变频器，就可以准确地调节电动机的电源频率，改变电机转速，以达到节约能源的目的。实现变频控制原理如图 1所示： 图 1 变频 调速控制原理图 3 引风机变频改造方案 3.1 中压变频调速可供选择的三种实施方案 3.1.1 Y-变换 该种方法是通过降压变压器将 6000V 的电压降低到一定的电压等级，要求异步电动机必须采用连接，在保证输出功率不变的情况下，该种连接方
4、式虽能满足电压和电流的要求，但它对 dv/dt和共模电压的承受能力较差，容易形成环流，增加电机损耗。由于电厂一般风机电机的温升为 115 C 左右，绝缘等级为 F 级，接线方式为 Y形，若选用此方案的变频器，电机定子线圈接线要由 Y 形改变为，而线圈截面保持不变，有可能会由于电流 增加而导致电机的温度急剧上升，以至损坏电机。 3.1.2 高 -低 -高变频调速系统 此种调速控制方案是将高压通过降压变压器，使变频器的输入电压降低，这样可以采用各大 公司一般的交流变频器，然后，将变频器的输出电压通过升压变频变压器将输出电压再提高到 6kV，以满足交流电动机的电压要求。但据资料介绍此方案存在着以下问
5、题： (1) 此高 -低 -高变频系统需要用两个变压器，从而降低了节能效率，且降压、升压变压器不能互换，升压变压器需要特制，以减弱高次谐波的影响。 (2) 高 -低 -高调速系统输出波形畸变较大，高次谐 波含量比较高，对电机的绝缘要求很高。 (3) 高 -低 -高变频调速系统中的变频器整流部分普遍采用可控硅桥式整流电路，相应变频器的功率因数比较低（ 0.2 0.92）。由于引风机经常工作在低转速状态，可控硅的导通角较小，使系统的功度因数很小，系统需消耗大量的无功功率，致使 6kV 母线电压下降。为使系统稳定需加装一套自动无功补偿装置。同时可控硅整流在送风机低速运行时，导通角很小，波形畸变很大，
6、逆变部分大多采用 6脉冲或 12脉冲，输出波形失真较大，有大量高次谐波存在（对周围设施造成电磁干扰，并且影响电源电压电流波形）， 使之不能维持稳定正弦波，为解决谐波影响，必须加装谐波滤波器。 高 -低 -高变频调速系统的变频器整流部分采用可控硅桥式整流，逆变部分采用可控硅桥式逆变，较先进的采用 IGBT桥式逆变，需要二套控制部分进行控制，系统比较复杂，而且可控硅元件存在容易失控的问题。 高 -低 -高变频调速系统中的变频器工作在低电压状态，为满足功率输出的要求，工作电流会很大，往往要求变频器元件进行并联运行，为此必须进行元件配对，加均流措施，检修要求比较高。 该系统需要 2台变压器，变压器需要
7、装设相应的保护，成本会有所上升，由于设备环节比较多，使 用高 -低 -高变频系统占地面积比较大，不适合 #1炉甲引风机的改造。 3.1.3 直接高压变频调速系统 直接高压变频系统（简称高 -高）是 90 年代针对高 -低 -高变频调速系统缺陷研制成功的新一代变频调速系统。该系统从根本上解决了高 -低 -高变频调速系统存在的问题，是一种性能优越的变频调速设备。它的优势在： (1) 普遍采用了桥式整流电路， GTO 或 SGCT 管桥式逆变电路。此系统一般使用一台变压器与电网隔离，变频器输出直接到电机。由于采用了桥式整流电路，在整个调速过程中功率因数很高， cosj0.85，不需要装设无功 补偿装
8、置；又因为高 -高变频调速系统采用多重化脉宽控制，通过模块输出串联迭加消除高次谐波的影响，不需要再装谐波滤波器。最新型的高-高变频器更采用直接转矩控制使调速精度有进一步提高。 (2) 简化了主电路和控制电路的结构，变频器在中间处理器调节器控制下，调整整流及逆变部分的控制量，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出电压频率，既实现调压，又实现调频，在处理器中集成了新精度的电机理论模型，高速采集变频器和电机的状态参数，进行优化处理，调节器进行无偏差的前馈控制，使控制误差降到了最小，从而使装置的体积小，重量轻，造价低 ，可靠性高，占地面积小。 (3) 改善了系统的动态特性，变频器中逆变器的输出频率和电压，都在
9、逆变器内控制和调节，因此，调节速度快，调节过程中频率和电压的配合好，系统的动态性能好。 (4) 高 -高变频调速系统有很好的对负载供电的波形。变频器的逆变器输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电机发热和转矩降低问题，改善了电动机的运行性能，高 -高变频系统适用于常规电机和电缆的绝缘要求，现有的引风机电机、电缆可以继续使用。 (5) 高 -高变频调速系统变频器工作在高压状态，功率模块均封装在绝 缘板箱使拆装方便，用户可以安全方便的对每个单元进行诊断和查找故障，系统的检查和调正可以在变频器运行中进行，操作人员可以在线调整参数。 (6) 采用高精度、高速度和光纤数字通讯控制
10、技术，保证了低压控制电源部分和高压电机部分可靠电压隔离。 3.2选用方案分析 上述三种风机变频节能的实施方案，归纳起来是要确定变频器主回路和主控回路是选用“高-低 -高”方式，还是选用“高 -高”方式。选用“高 -低 -高”方式工作的变频器需要增加变压器、无功补偿器、谐波滤波器，变频实现控制复杂，可靠性较低，检修比较困难，价格比较低廉。但由于所选用的设备较多，设备占地面积和体积较大，系统的整体节能效果较差，设备的维护费用和故障均会相应提高，不适合 #1炉甲引风机的改造。 美国 AB-ROCKWELL POWERFLEX7000 中压变频器（简称 7000系列）系采用高 -高变频调速方式，具有
11、90年代先进的技术，如光纤数字控制模块化设计、电脑自动监测及故障报警、四象限运行功能、人机接口采用汉化软件、专利性通风设计、占地面积小和维护简单 等特点，是高 -低 -高变频调速的更新换代产品，具有较高的科技含量，有极高的可靠性，是变频调速的发展方向。 图 2 PowerFlex7000中压变频器的基本工作原理图 7000 系列中压变频器对高次谐波和 dv/dt 以及共模电压有很强的抑制作用，满足 IEEE519及 GB/T14549-93标准，能更好的保证电源质量。它可驱动任何三相鼠笼式异步电动机，对于一些旧型号的电机可以直接使用，无需进行改造。并且可以根据用户要求配置内部电路，实现最优化控
12、制，提供各种不同的输入输出控制量，可以和外围电路实现极佳的配合，具有很 大的灵活性，适合对老设备进行配套改造。因此，选用高 -高变频调速方式较为合适。 4 POWERFLEX7000系列变频器工作原理 图 3 引风机变频改造后一次接线图 7000系列变频器的基本原理如图 2所示。 6kV高压电源，通过 18脉冲隔离变压器，送入变频器，经由 18 个可控硅 (SCR)组成的整流回路，将进线 3 相 6000V 交流变换为直流，再经直流电抗器到达逆变回路，逆变回路由 6 组对称门极转换晶闸管 (SGCT)大功率元件组成，以脉宽调制方式，将几乎完美的正弦电流电压波形送给电机，根据负荷、速度给定的大小
13、，来 调整电压及频率，实现节能的目的。变频器由微处理器 (计算机 )控制，通过光纤把控制信号送到高压元件驱动回路。 5 #1炉甲引风机变频改造的施工方案及调试 (1) 主接线（图 3） (2) 主要组成 系统由电源断路器、隔离变压器、变频器装置、输出接触器和三相异步电动机组成。 (3) 改造后保护及控制回路 如图 4 所示，虚框内为增加设备， 5LJ、 4LJ 型号为 DL-11/10A，其定值为 7.5A（二次值，按躲过隔离变的励磁涌流计算 4Ie）。 ZJ 外引一对常开接点、 6kV 开关外引一对常开辅助接点至变频器。事故按钮改接 至保护出口继电器；集控室跳闸按钮引出一对常闭接点至变频器。
14、 (4) 变频装置的安装 由于 #1 炉厂房内设备较多，老厂改造可利用空间狭小，且环境较差，为了满足变频器运行条件，我们选用青岛四海公司提供的型箱式变电站。该箱站为可移动式、分体组装模式，由底座、骨架、装饰面、上盖及冷却系统等部分组成，设计结构合理，占地面积小，可防水、防潮、防尘、防辐射，同时针对变频器的通风要求设计了独特的风道。隔离变及变频器柜直接焊接在箱站内的钢板上，电缆孔已经在箱站底板预制，配置起来非常灵活。 图 4 改造后保护及控制回路 图 (5) 变频器的调试 静态调试 静态调试项目包括装置外观检查、插件检查及调整、 SCR 和 SGCT 检查测试、驱动电路检查测试，弱电上电试验、装
15、置绝缘检查及耐压试验、电源断路器、隔离变、电机检查，高压上电、联锁传动试验，变频器参数整定等。变频器参数参见表 1。 表 1 空载试验 解除风机靠背轮，变频器带电机空载运行。在就地、集控室控制变频器启动电机，同时试验仪器记录电机启动电流、电压波形。电机启动时，零速上升，冲击较小，转速上升平稳，电压波形平滑， 6kV母线电压无降压。在就地、集控室调整转速升降 正常。 带负荷试验 带风机运行。由运行人员在集控室控制变频器输出频率，改变风机转速，调节风量，检查 控制、保护、信号功能良好，测试最低频率 6Hz，最大频率 50Hz。测试启动时间最长 20秒，最高转速 745r/min。 6 改造后的运行
16、情况及效益分析 (1) 经济效益 #1 炉引风机变频器 2001 年 7 月 25 日投运后，一直运行正常，其产生的谐波对厂用电系统正常运行无影响，仪表、保护特性无明显变化。 改造后，根据现场运行资料，对 2000年和 2001年 910两个月十里泉发电厂 #1炉引风机的耗电情况进行了对比 分析，参见表 2（两年的 910月份都是单引风机运行，具有可比性）。 表 2 2000年 #1机组全年发电量： 根据两个月的统计表，以 2000年 #1机组全年发电量为基数，可计算出一年的节电量约为： 584777700(1.04%-0.9%+1.04%-0.92%)2= 2001年 7月 25日正式投运至
17、 11 月 15日共正常运行 112天，按 0.35元 计算，节支： 760211 112 365 0.35=81644(元 ) 由于 #1炉乙吸已加装了 液力耦合器，其具有一定的节能效果，运行资料证明其节能约为 8%，因此，节电量应为 760211+584777700 1.04% 8%= ，年节约费用 43.6万元。 (2) 延长电动机寿命 一般电机启动时，启动电流为额定电流的 6 8 倍，电机绕组承受的冲击转距很大，严重影响电机的机械寿命（该厂 7台机组每年烧毁高压电机 2 3台，修复直接费用几十万元），变频调速可以实现轻启动，电机从零转速缓慢升到起始转速，然后通过变频器输出频率的变化来改
18、变电机转速，避免了启动时对电机的机械冲击，延长电机使用 寿命。 (3) 减少对设备的磨损 由于空气中含有粉尘，对高速转动中的风机及档板磨损很大，按以往检修记录。每年检修及维护费用需十几万元，改变频调速后，电机转速一般比较低，负荷 75MW 以下两台风机运行，档板全开，甲吸转速在 400转以下，磨损大大减小，延长了使用年限，降低了检修费用，通过改变频调速，每年可以节约设备磨损及设备检修费用 10万元。 (4) 提高了机组的自动化水平 变频调速装置配有计算机接口，可以很方便的与工业标准通讯系统、能源管理系统和其它系统联接，极大的提高了机组的自动控制水平。 (5) 减轻 操作人员的劳动强度 机组负荷发生变化，改变引风机挡板来调节风量，控制比较困难，而变频调速可以直接通过增减频率来调整，操作非常简单、灵活。 高 -高中压变频调速装置调速范围大、效率高，占地面积小，节能效果显著，适合老厂锅炉风机节能改造。 AB-POWERFLEX7000中压变频器性能优良，使用型箱式变电站安装简单、施工量小，调试简便、维护量少。
