變頻調速技術在主變壓器風冷系統上的應用研究

梁洛耕 許華騁 潘紅靜

（廣西柳州供電局，廣西 柳州545005）

0 引言

目前在電力系統上運行的主變壓器冷卻方式主要是采用自冷式和風冷式兩種，而風冷式又可以分為自然油循環風冷和強迫油循環風冷兩種形式，不論是采用自然油循環風冷或是采用強迫油循環風冷的冷卻形式，冷卻的動力均是利用冷卻風扇實現，應用于風扇控制的冷卻控制系統采用LPC可編程控制器控制，冷卻風扇控制采用分組啟、停方式，即是將整臺主變壓器全部冷卻風扇分成2組或2組以上，冷卻風扇的投切按控制方式1組或多組同時啟動或停止進行。

1 冷卻風扇分組控制存在的問題

冷卻風扇采用分組啟停的控制方式，形成多臺風扇同時啟動或同時停止，這樣的運行控制方式存在如下問題：

1）變壓器產生的熱量主要由空載損耗和負載損耗等引起，負載的變化直接影響發熱量的多少，采用分組控制方式，冷卻容量為階梯變化，不能實時跟蹤變壓器負載變化而實時調整冷卻容量，容易造成冷卻容量過剩和不足，造成變壓器油溫溫差大，影響變壓器絕緣壽命；

2）風扇電機直接啟動，啟動電流是額定電流的5～7倍，對電機絕緣造成沖擊影響；

3）在工頻額定負載下投切風扇電機，由于感性負載的拉弧，影響電機和接觸器的使用壽命，增加維護工作量；

4）變壓器的噪聲主要由風扇噪聲、電磁噪聲和機械噪聲引起，而風扇在工頻狀態下運行時，風扇噪聲很大，對環境造成極大污染。

2 變頻調速技術對冷卻風扇控制研究

針對以上提出的問題，研究的主攻方向是對風扇電機的控制，實現解決繼電器控制方式下冷卻風扇所存在的全部問題。實現對風扇電機的控制可以有以下四種方式：

1）冷卻風扇無級調速可實現變壓器各種損耗所產生的發熱量與散熱量的均衡控制，避免油溫的大幅波動。對冷卻風扇采用無級調速，實時跟蹤變壓器負荷變化及頂層油溫變化，據此控制冷卻容量與發熱量保持基本均衡，可實現油溫在給定量的規定范圍內變化。對于電機的無級調速有：變頻調速，滑差調速等。

2）為了克服電機直接啟動造成的沖擊電流，有多種控制方式：降壓啟動，電機軟啟動，變頻調速啟動等，均可控制冷卻風扇啟動電流在較小的范圍內。

3）采用無觸點開關、變頻調速裝置等控制風扇電機，可避免冷卻風扇在投切時產生拉弧。

4）采用變頻調速裝置控制風扇電機，可實現節能降噪，減少對環境造成污染。

對以上四種有效的控制電機方式展開對變壓器的冷卻風扇電機運行的分析：

1）變壓器負載、油溫與冷卻風量的關系：負載增大，則油溫升高，風量需增加，此時冷卻容量增大；負載減小，則油溫降低，風量需減小，此時冷卻容量降低，即就是冷卻容量應跟隨負載變化而變化，需實時調節冷卻容量，從而實現變壓器油溫在給定范圍內波動。

2）由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。表達式如下：

Q1——風扇轉速為n1時的風量，Q2——風扇轉速為n2時的風量，P1——風扇轉速為n1時的軸功率，P2——風扇轉速為n2時的軸功率。

由式（1）、（2）可知，改變風扇轉速，即可改變冷卻容量。

又據電機學可知，電機的轉速與定子電源頻率、電機極對數和轉差率的關系如下式：

n——電機轉速，P——電機極對數，f——電源頻率，s——轉差率。

由式（3）可知，有三種調速方式：

通過改變極數調速：增多電機極對數，可以降低電機轉數，但電機一但生產，電機極對數就已經確定，不能改變，則電機轉速也已確定，因此不能改變極對數進行調速。

改變轉差率調速：在低速時，轉差率大，損耗也大，效率低。

改變頻率調速：均勻地改變風扇電機定子電源頻率f，則可以平滑地改變風扇電機的速度。頻率可從0～50Hz范圍內進行無級變化，轉速變化區間最大，也就能大幅度改變電機轉速，且目前改變頻率的實現手段比較成熟，可簡單地使用變頻器實現。

3）電機在工頻啟動時，啟動電流大，通常是額定電流的5～7倍，為了避免過大的啟動電流，采用變頻器直接啟動風扇電機，由變頻器原理及伏-頻特性可知，變頻器啟動時，輸出頻率和輸出電壓均從較小值起始，使電機逐步轉動，電機轉動后產生反電勢，隨著頻率的增大，電壓也在升高，反電勢也在增加，這樣就使得風扇電機在啟動過程中電流始終被控制在較小的范圍內，避免了風扇電機啟動時對自身絕緣和其它控制元件造成的影響。同時變頻器輸出驅動電路為半導體可控元件，為無觸點控制，所以控制風扇電機的啟停無電弧產生，可延長電機的使用壽命。

4）采用變頻調速控制冷卻風扇，具有明顯的節能效果。對同一臺風扇電機，由式（2）、式（3）得知：

即軸功率與頻率的三次方成正比。例如當風量降低到額定風量的80%時，風扇電機頻率為40Hz，與工頻比較，其節能效果為：

P1——40Hz時風扇電機的軸輸出功率，P2——工頻50Hz時風扇電機的軸輸出功率。

表1 不同風量下的理論計算節能

由式（5）計算得知，風量減少20%，而風扇電機軸功率僅為額定功率的51.2%，由此可知，理論節能為（1-51.2%）=48.8%，考慮到變頻器的自身功耗，變頻運行時的功率是工頻運行時功率的52%，即節能效果可達（1-52%）=48%。

對于變壓器負荷不同，對風量的需求也不同。根據式（4）計算得出，不同風量時的節能效果見表1。

5）在該冷卻風扇變頻調速系統中，變頻器最高頻率設定為48Hz，最低頻率設定為25Hz，同時滿足高負荷時的冷卻要求，低負荷時取得降噪、節能效果。

3 變頻調速應用設計

3.1 電路設計

設定某臺變壓器每組冷卻器風扇為3臺，主回路如圖1示，由1臺變頻器控制1組冷卻器中的3臺風扇，同時，為了保證冷卻風扇的安全可靠運行，在主回路中以工頻驅動作為備用。

圖1 冷卻風扇控制主回路

Q1為變頻器保護及冷卻回路檢修隔離斷路器，KM11為風扇電機變頻運行控制接觸器，KM12為風扇電機工頻運行控制接觸器，KH11，KH12，KH13為熱過載繼電器，MF11，MF12，MF13為風扇電機。

在冷卻風扇變頻運行和工頻運行接觸器KM11、KM12的控制電路設計和控制程序中均為互鎖，以保證變頻器安全運行。

3.2 變頻器選型

負載類型，在該應用中，風扇電機為風機類負載，選用風機泵類專用變頻器。

變頻器容量選定，根據風扇電機容量和風扇電機運行條件選取。該例應用中，每臺變頻器驅動3臺風扇，每臺風扇電機功率為1.2kW，額定電流為3.8A。選擇變頻器時，主要考慮電流因素。

對于風扇電機同時啟動或停止，變頻器的輸出電流需滿足

Io——變頻器輸出電流，1.15——過載能力，Ie——風扇電機額定電流。

該應用中，3臺風扇電機為同時啟動或停止，據式（6）得知

為了確保變頻器的安全可靠工作，選擇ABB變頻器，輸出電流為17A。

由此可知，控制1組冷卻器的3臺風扇，選用風機泵類專用變頻器，其輸出電流為17A即可。

3.3 速度調節

冷卻風扇速度的變化，是根據變壓器頂層油溫和變壓器負荷變化確定變頻器的運行狀態和輸出頻率，由Pt100鉑電阻采集變壓器頂層油溫的實時變化，通過建立多變量輸入單變量輸出的數學模型即頻率與油溫、負荷等變化的關系式，控制變壓器頂層油溫在給定值范圍內變化，其控制由可編程序控制器PLC完成，有關數學模型及控制程序已經非常成熟。

4 總結

變頻調速技術運用可以實現風扇電機的工作狀態由不均衡的工頻模式改為根據變壓器油溫和負載變化，均衡調整轉速的變頻模式。通過實時采集變壓器頂層油溫模擬量信號及負載率變化等運行參量，確定冷卻風扇的優化控制方案，合理安排風扇電機的啟動條件、運行轉速及冷卻器的運行組數等，實現風扇冷卻功率隨變壓器負荷大小、發熱量大小進行實時調節變化，滿足負載增大，油溫升高時，則增加風量，冷卻容量增大；負載減小，油溫降低時，則減小風量，低負荷節能優先，減少熱冗余浪費，經濟運行，綜合節能可達到30%-50%；高負荷控溫優先，迅速提高冷卻能力，一定條件下可提高變壓器負載能力，從而實現變壓器油溫在一定范圍內波動，不存在冷卻容量過大或不足的現象。同時變頻調速技術運用，啟動電機時以低頻啟動，克服電機直接啟動造成的沖擊電流，避免冷卻風扇在投切時產生拉弧，延長電機和接觸器的使用壽命，減少維護工作量；優化控制，最佳運行轉速，風扇在低頻下使用，相對于運行在工頻狀態下可以降低運行噪音10%-30%。因此，變頻調速技術在主變壓器風冷系統上的應用研究可延長變壓器絕緣壽命，提高變壓器負載能力，節能降噪，運行安全可靠。

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［4］JB／T 5777.2—2002.20電力系統二次電路用控制及繼電保護屏(柜、臺)通用技術條件[Z].

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