高壓變頻技術在電廠的應用分析及運行維護

張鴻

摘 要：本文介紹了高壓電機調速節能原理以及調速技術在我公司的應用實例，分析了變頻調速安全經濟性，同時總結了高壓變頻器運行維護的注意事項。

關鍵詞：調速變頻；經濟；運行維護

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A

前言

送引風機、給水泵、循環水泵是電廠主要耗電設備，對其驅動電機實行變頻調速的技術改造，使其處于經濟運行狀態，對實現節能降耗，降低機組的廠用電率，提高電力企業的經濟效益具有重要意義。

一、調速節能原理：

從電機拖動及流體力學原理得知風機、水泵屬于平方轉矩負載，其軸功率、轉速、流量之間存在以下數學關系：

Q1/Q2=n1/n2， （1）式

H1/H2=（n1/n2）^2 （2）式

P1/P2=（n1/n2）^3 （3）式

式中：n—轉速：

n1—降速前轉速

n2—降速后轉速

Q—流量：

Q1—降速前流量

Q2—降速后流量

H—壓力：

H1—降速前壓力

H2—降速后壓力

P—電機軸輸出功率：

P1—降速前電機軸輸出功率

P2—降速后電機軸輸出功率

當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率亦可相應降低，所以改變風機的轉速就可改變電機的功率，調速是節能的重要途徑。

根據電學原理交流電機轉速：n=60f（1-s）/p

式中：n-電機轉速， f-電源頻率，p-電機的極對數，s-轉差率。

由公式可見，通過調整電源頻率、電動機極對數和電動機的轉差率均可實現電動機的調速。

二、高壓電動機調速技術在我廠的應用

1液力耦合器調速

液力耦合器主要由泵輪、渦輪和旋轉內套組成。通過在電機軸和負載軸之間加進葉輪，調節葉輪之間液體（一般為油）的壓力，達到調節負載轉速的目的。這種調速方法實質上是轉差功率消耗型的做法，是通過純機械方式進行轉速調整的方法，存在一定的機械磨損和機械阻力，其效率隨著轉速下降越來越低，由于受執行機構和液壓機構的限制，調速精度無法保證，自動調整十分困難，若液力偶合器出現故障，必須停機處理。原我公司#5、6、7爐送引風機就是采用此種方式。

2變極調速

通過改變電動機繞組的極對數，達到調速的目的，例如我公司#3機甲循泵。變極調速，接線簡單，成本低，但不能實現平滑調速，調速范圍窄，在我公司只做為季節變化時切換使用。

3內反饋串接調速

內反饋串級調速電機的調速原理屬于繞線式異步電動機轉子回路串附加電勢進行調速的理論范疇，該附加電勢由安裝在定子上的調節繞組從主繞組感應過來的電勢所提供的，再通過變流裝置將該電勢串入電機的轉子繞組，改變其串入電勢的大小即可實現調速的目的。同時調節繞組吸收轉子的轉差功率，并通過與轉子旋轉磁場相互作用產生正向的拖動轉矩，使電機從電網吸收的有功功率減少，主繞組的有功電流隨轉速正比變化，達到調速節能的目的。

我公司原#1補水循泵、#8爐、#9爐吸風機、送風機及135MW機組#4循環水泵均使用內反饋調速電動機。內反饋串級調速的主要優點是調速的效率高，可以實現平滑無級調速，節能效果好。投資成本較高壓變頻器低。但它調速范圍不大（50%～95%），所用的原件眾多，容易損壞，最主要的缺點是需采用特制的內反饋繞線式電機，轉子為有刷系統，易發熱、維護量大。

4變頻調速

變頻調速是一種高效調速方式，通過改變電動機定子的頻率以實現調速，具有功率因數高（超過0.95），可實現真正的軟起動，調速范圍大（0～l00%），調速精度高，調速效率高（93%以上），操作簡單，易于維護等優點，是近代交流調速發展的必然趨勢。

近年來，我公司先后對鍋爐送引風機電機進行了高壓變頻技術改造。

三、變頻調速原理及應用分析

我公司#7爐甲乙送風機原來是通過開關直接啟停電動機，再通過液壓耦合器進行調速。現增設2臺高壓變頻器（北京合康HIVERT系列），實現通過（開關+變頻器）實現變頻運行或者通過（開關+工頻開關）實現工頻運行，擋板調節。

1 HIVERT系列變頻器原理

HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，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。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改造方案

#7爐甲乙送風機各配置一套獨立的變頻調速裝置，即一拖一調速系統，隨機組負荷變化實現變頻無級調速，改變風機工況，節約功耗。其一次回路具體采用自動旁路的典型方案，它由3個真空接觸器KM1、KM2、KM3以及2個高壓隔離開關QS1、QS2組成，其中KM1、KM2串接于變頻回路，KM3串接于旁路（工頻），用于變頻和工頻的切換。QS1和QS2為變頻回路高壓隔離開關，一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器及真空斷路器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器及真空接觸器進行安全檢修；并且KM1、KM2與KM3電氣互鎖，防止電機同時工/變頻運行。

3經濟性分析

#7爐送風機自變頻改造后，在調節上穩定性有了明顯提高，節約廠用電效果顯著，經濟效益明顯。以下為#7爐送風機變頻改造前后的數據對比見表1、表2。

從以上數據可以看出，自#7爐送風機變頻改造后，#7爐的送風單耗下降比較明顯，下降了近0.34kWh/t汽，根據公式：輔機用電量=輔機單耗×本爐主蒸汽流量，按照鍋爐主蒸汽流量198.56t/h計算，則每天可以節約廠用電量=0.34×198.56×24=1620.25kWh。根據公式：標煤量（T）=電量×3600/（4.1868×7000×1000），代入電量數據，計算得到，每天可以節約標煤量0.199t。

4安全可靠性分析

（1）減少電機啟動時的電流沖擊。電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的5-7 倍，高壓變頻器帶電機啟動時，電機電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。

（2）延長設備壽命。使用變頻器可使電機轉速變化沿風機的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數據表明，機械壽命與轉速成反比，降低轉速可成倍地提高風機壽命，運行維護費用自然降低。

（3） 調速精度高，降低噪音。高壓變頻器具有高度的智能化水平，調速精度高，調節手段簡單。降低轉速運行的同時，噪音大幅度地降低，同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲。

（4）改變運行方式輕易，可靠性高。當變頻器故障時，電機可以通過旁路柜切換到工頻狀態繼續運轉。但目前吸風機變頻器故障時旁路開關自投方案仍需研究，因為當鳳機變頻運行時，風機擋板在全開位置，風機轉速根據爐膛負壓自動調整風機轉速，當變頻器故障時，技術上完全可以實現旁路開關自投，風機工頻運行。但此時由于擋板在全開位置，如工頻運行，吸風量必然增大，容易造成鍋爐滅火。

四、變頻器運行及維護注意事項

1變頻器故障分類

HIVERT系列高壓變頻器具有完善的故障監測和保護功能，故障分為輕故障和重故障。

輕故障包括變壓器超溫報警（變壓器溫度超過130℃）、單元柜超溫報警（柜溫超過55℃）、柜門打開、單元旁路、電機過載等。系統發生輕故障時，系統給出間歇光報警，對于輕故障的發生，系統不作記憶處理，僅在故障指示中顯示。故障存在時報警，故障消失，則報警自動取消。系統運行時如果發生這類故障，變頻器并不立即停機。在停機狀態下，如果存在這類故障，也還能進行啟動操作。輕故障發信后，運行人員應檢查變壓器柜、單元柜風機工作是否正常，過濾網是否堵塞，環境溫度是否過高，所有柜門是否關閉，必要時聯系檢修人員處理。

重故障包括：外部故障、變壓器過熱、電機過流、柜溫過熱、單元故障、變頻器過流、高壓失電、外設故障、控制器不通訊、外設不通訊。其中單元故障包括：熔斷器故障、過熱、IGBT故障、電源故障、過壓、光纖故障。系統發生重故障時，系統給出連續的報警信號和故障指示，發出高壓分斷指令。系統保持故障指示及高壓分斷指令，并作故障記憶處理。如果故障消失，故障指示、高壓分斷等指令也都一直保持。只有故障徹底排除，并且系統復位后才能使變頻器恢復到系統待機狀態，并允許重新開機。重故障發生時，高壓電源將自動分斷。如果因為其它原因沒有分斷，運行人員可以用柜門的高壓分斷按鈕將高壓電源強行手動分斷。發生重故障后，運行人員應及時聯系檢修人員處理。

2變頻器啟停及切換注意事項

以送風機為例，一般情況下，風機停運，擋板處于全關狀態。此時啟動變頻器，首先將電機高壓開關合閘，其次將風機變頻器調速輸出調至預先給定值，然后將變頻器合閘啟動。若出現啟動困難（原因是變頻器低速啟動時電壓比較低，啟動力矩相對于高速時要小，容易過電流），可以加大給定。只有等到變頻器速度等于調速給定值時，表明此時變頻器啟動已經結束，才可以打開送風機調節擋板調至100%。如果送風機電機電流超過額定值，則應該降低變頻器的速度。變頻器停止時，必須逐步減少風機擋板開度至全關，然后將變頻器分閘，最后將高壓開關分閘。

風機工頻啟動電流比較大，容易發生過電流跳閘，因此擋板必須全關至0%，才能啟動。首先將高壓開關合閘，然后將風機工頻合閘。由于啟動時間比較長，一定要在風機電流到達穩定時，表明啟動結束，才可以調節擋板開度。

變頻器的“工切變”操作。送風機已經在工頻運行，擋板開度在合適位置，首先將變頻器調速給定值設定為≥90%。這是因為工頻運行時電動機速度為100%，當“工切變”時，電動機從工頻過渡到變頻運行期間，將有10秒左右的按慣性自由惰走，速度將從100%跌落至80%左右，為了防止電動機實際速度>變頻器調速給定值，從而切換到變頻時使變頻器產生制動狀態，造成變頻器直流母線過電壓而故障跳閘，因此必須將變頻器給定值≥90%，甚至給定值=100%都可以，以足夠保證變頻器對于電機尚處于啟動狀態。由于“工切變”時，從工頻KM3分閘到變頻KM1/KM2合閘，對變壓器進行充電，到高壓就緒，再變頻器啟動，直至啟動到90%，整個過程需要10秒時間。等到變頻器速度穩定在90%，才可以逐步打開擋板開度至100%，同時降低變頻器的速度。以發揮變頻器的節能效果。“工切變”的操作為特殊操作。一般只有在變頻器故障修理好了以后，才能“工切變”，以保證送風機不停機的情況下實行變頻運行。

變頻器的“變切工”操作。變頻器在變頻運行，此時擋板全開100%。首先必須將變頻器調速逐步上升至100%，同時協調擋板開度從100%逐步關小，保證送風機風量不變。在擋板已經關小了，變頻器速度已經到100%時，才可以實行“變切工”操作。目的是從變頻到工頻時電動機的按慣性自由惰走速度盡量接近全速，減少對電動機的沖擊。然后進行“變切工”，送風機從變頻切換到工頻運行，整個過程從變頻器停止、到變頻KM1/KM2分閘、到工頻KM3合閘，整個過程需要4秒時間。“變切工”是特殊的操作。一般只有變頻器發出“變頻器輕故障”以及其他原因，需要不停機地將變頻器停止運行，而切換到工頻運行的情況下，才能操作。

3變頻器的日常維護及巡視

（1）經常檢查室內溫度，通風情況，注意室內溫度不要超過45℃。

（2）保持室內清潔衛生。

（3）經常檢查變頻器是否有異常聲響，異味，柜體是否發熱；排風口是否有異味。

（4）變頻器的運行環境中灰塵較多，長時間運行會影響單元柜上的金屬濾網過濾器的通風效果。正常運行時，過濾器氣流方向從柜外到柜內，將用一張A4紙放在柜的進風口，紙張應吸附在柜上，從而證明變頻器通風正常。濾網積塵較多時，會造成變頻器內溫度升高。因此應根據運行環境的情況，將清潔變頻器濾網作為一項定期工作。在夏季高溫天氣，應縮短變頻器濾網的清潔周期。

（5）定期記錄變頻器運行情況，發生故障跳閘時，要記錄故障情況，查明原因并排除后方可再次上電。

（6）為了使高壓變頻器能長期穩定運行，避免因變頻器故障造成設備停運等異常，應結合電動機的大小修，對變頻器進行預防性檢查維護。在每次的預防性檢查維護時，應打開變壓器及功率單元的柜門，清理柜內灰塵，緊固變壓器進出線電纜、功率單元進出線電纜、控制電纜。

1變頻器其它注意事項

（1）變頻器運行時，除二次室柜門外，不要打開其它柜門。

（2）操作時，要穿戴安全防護鞋，并保持單手操作。

（3）操作人員離開時，一定要防止無關人員誤操作。

（4）主電源切斷后，必須等單元LED熄滅或10分鐘后，才能切斷控制電源。

（5）加強對變頻器工作電源的維護，防止其動力電源及控制電源一起失電。

（6）在變頻器有高壓電源供電的情況下，一般不要切斷控制電源，否則有可能導致單元損壞。

（7）變頻器發生故障跳閘后，必須查明原因并排除故障后，方能重新上高壓電和啟動。

（8）測量電動機絕緣時，要將變頻器停電，拉開其輸入輸出刀閘（QS1、 QS2），防止帶變頻器搖測電機絕緣而損壞變頻器。

（9）變頻器控制柜面板上有一緊急停止按鈕，只有在出現“人身安全”、“變頻器內部絕緣擊穿、爆炸、著火”等緊急情況下，才能操作“緊急停止按鈕”，將變頻器分閘。正常運行時，嚴防人員誤碰。

結語

綜上所述， 裝設高壓變頻調速裝置， 是目前電廠電機節能最優的解決方式。目前國產高壓變頻器技術可靠、性能穩定、價格合理。大型火力發電廠的用電輔機推廣使用高壓變頻器調速裝置，可以大幅度降低廠用電率，是企業提高經濟效益的重要途徑。同時正確使用和維護，保證高壓變頻器高效、穩定運行，也是保證電廠安全經濟運行的重要措施。

參考文獻

[1] HIVERT系列高壓變頻器用戶手冊2.3[Z].