大功率高壓變頻器節能數據解析

朱家斌?孫明皓?姚博

摘? 要：通過對某電廠一次風機變頻器工作原理的介紹，在工頻方式運行和變頻方式運行時電流、有功功率、無功功率等數據的分析，表明變頻器投入運行后可為負荷提供大量無功補償、提高變頻器輸入側功率因數，在降低的運行電流中無功分量較多，單純以負載運行電流降低的數值作為變頻器節能量的計算依據不準確。為變頻器節能量計算提供實際數據。

關鍵詞：變頻器;節能;有功功率;無功功率;電流

中圖分類號：TN773? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0060-03

Abstract： Through the introduction of the working principle of the once primary fan frequency converter in a power plant and the analysis of the current， active power， reactive power and other data during the operation of the power frequency mode and frequency conversion mode， it is shown that the frequency converter can provide a large amount of reactive power compensation for the load after being put into operation， improve the input power factor of the frequency converter. There are many reactive components in the reduced operating current， so it is inaccurate to simply take the value of the reduced load operating current as the calculation basis of the energy saving of the frequency converter. Provide actual data for energy conservation calculation of frequency converter.

Keywords： frequency converter; energy conservation; active power; reactive power; current

0? 引? 言

變頻器以其良好的節能效果、優異的調節特性被應用于各個生產領域，尤其是大功率高壓變頻器的應用更加廣泛。對于變頻器節能量的認定，有的用電度表（即有功功率）作為計算依據，有的用負載運行電流降低的數值作為計算依據。本文通過對某電廠一次風機節能數據的解析，為今后變頻器節能量計算提供實際數據。

1? 設備介紹

1.1? 一次風機電機簡介

某電廠鍋爐使用的兩臺一次風機為上海電氣集團上海電機廠有限公司生產的型號為STMKK560-4S電機，其額定參數如下：功率為3000kW、電壓6000V、電流為332A、功率因數為0.91。為降低廠用電率、提高經濟效益，電廠于2012年對一次風機進行變頻改造，為每臺電機增加一套大功率高壓變頻器。

1.2? 變頻器簡介

改造用的變頻器選用的是由東方日立（成都）電控設備有限公司生產的DHVECTOL系列變頻器，其型號為DHVECTOL-DI03550/06。變頻器額定參數如下：額定容量為3 550 kVA、額定輸入電壓為6 kV、額定輸入電流341.6 A、輸入頻率50 Hz、輸出頻率0～50 Hz、輸出電壓0～6 kV、輸出電流0～341.6 A。

1.3? 變頻器工作原理簡介

電廠內6 kV電源開關經電纜直接將電源與DHVECTOL系列大功率高壓變頻器內的移相變壓器連接，移相變壓器將6kV電壓分別變換成不同相角的低壓電后分別供給各個功率單元。每相由多個功率單元構成串聯多電平的拓撲結構。每個功率單元輸出的交流低電壓經過疊加后轉變為所需的交流輸出高電壓。主回路的拓撲結構如圖1所示。圖1中顯示的結構為每相5個功率單元。

由移相變壓器變換成不同相角的低壓三相交流電經熔斷器進入功率單元，通過三相全橋整流器整流變換成直流電、再經過電容器組濾波后進入IGBT元件，IGBT元件逆變后輸出單相交流電壓。由于電機額定電壓時確定的，因此變頻器輸出的額定相電壓也是一定的，每個功率單元輸出的單相交流電壓由每一相的功率單元數量所確定，功率單元數量越多、單臺功率單元輸出的電壓越小。電廠一次風機的額定電壓為6 000 V，其相電壓為3 464 V。變頻器每相有8個功率單元，每個功率單元輸出的單相交流電壓約為433V。三相功率單元的一端經過短接形成中性點，三相的另外三個端口直接與電動機相連。這種連接方式的主回路拓撲結構又常常稱為“單元串聯多電平”直接高壓變頻器結構。

功率單元主要由電源側A、C兩相的熔斷器、負責將三相交流電變換成直流電的三相全橋整流器、濾波電容器組、直流母線、IGBT逆變橋和旁通回路構成;同時每個功率單元還有一套電子控制部件，包括電源、驅動板、保護監測、通訊等組件組成。其結構如圖2所示。

每個功率單元控制系統在接收到主控系統發送的 PWM 信號后，經過計算、通過控制IGBT的觸發角度調整其工作狀態，將整流后的直流電逆變輸出 PWM 電壓波形。將每相N個功率單元輸出的PWM電壓波形進行疊加，產生出2N+1個電壓階梯的多重化相電壓波形。F3521F5E-FEDC-48F0-9D92-299061994CD7

監控電路實時監控功率單元狀態，并反饋回主控系統。當某一個功率單元運行期間出現異常、發生重故障時，該級功率單元進入旁通狀態、停止工作。單臺功率單元旁通不影響變頻器整體運行，當引起旁通的故障原因消失之后，功率單元退出旁通運行方式，自動恢復到原工作狀態。

2? 節能數據解析

2.1? 一次風機運行電流數據分析

分別選取鍋爐蒸發量基本一致情況下一次風機在工頻、變頻兩種不同運行方式時電機運行電流進行對比，具體數據如表1所示。

表1的數據中，主蒸汽流量均值為選取的時間段內鍋爐產出蒸汽的平均值，電機電流均值為選取時間段內兩臺一次風機電流和的平均值。通過表1的數據可以看出，當鍋爐產出的蒸汽相近情況下，一次風機變頻方式下的運行電流比工頻方式的運行電流下降很多，如果用鍋爐每產生一噸蒸汽所消耗的電機電流進行節電率計算的話，如下列公式所示：

則一次風機變頻器節電率為：

2.2? 一次風機電度表數據分析

電廠在每臺一次風機6 kV電源斷路器側安裝一臺多功能電度表，通過調取ECS系統數據可以得到有功功率、無功功率電度表的表碼，進而可以計算出一次風機具體的有功功率、無功功率、功率因數等數據，具體數據如表2所示。

表2、數據中，有功功率、無功功率均為單臺一次風機數據，計算是按小時計算的，即利用每小時電度表表碼的差值乘以電度表的倍率得出;視在功率和功率因數是利用下列計算得出。

式中，S為視在功率，P為有功功率，Q為無功功率，cosφ為功率因數。

2.2.1? 有功功率數據分析

通過表2中有功功率可以看出，一次風機在變頻方式運行時的有功功率與工頻方式運行時的有功功率相比有明顯下降。在日常生產生活中，一般按照有功功率的多少作為設備耗電量計算的依據，根據公式1的計算原理將一次風機有功功率帶入公式得出的節電率為：

2.2.2? 其他數據分析

通過表2的數據可以看出，一次風機在變頻方式運行時，無功功率出現大幅下降、電源側的功率因數有了顯著的提高。通過圖2可以看出，變頻器功率單元內有大量電容元件。這些電容元件不僅起到濾波、儲能的作用，也可以為負載提供無功補償，因此在變頻器投入運行后可以大幅降低電源側的無功功率，進而提高了電源側的功率因數。無功功率在電氣回路中起到建立電磁場、能量傳輸的作用，不能起到能量轉換的作用（即轉變為機械能、熱能等），因此在日常生產生活中無功功率不作為能量損耗的計算依據。

綜上所述，通過兩種不同方式計算結果的對比，以運行電流降低的數值作為計算依據得出的變頻器節電率偏高。原因在于電動機的運行電流是通過電流變送器轉換過來的，只顯示電動機電流的有效值，其中包含了有功分量和無功分量;而通過電度表進行節電率計算時，只計算有功功率降低的數值，無功功率的減少沒有計算。

在日常的生產生活中，無論是耗電量的分析、還是電費的結算，均是以有功功率作為計算的依據。因此在進行變頻器經濟性分析時，以有功功率作為節能量計算的依據比較準確。

3? 結? 論

無論是用設備運行電流變化數值作為計算的依據，還是用有功功率的變化值作為計算的依據，均能反映出變頻器的節能效果。設備運行電流數據容易提取，利用電流變化來進行分析變頻器的性能比較直觀和方便;而設備的有功功率需要從數據庫中調取電度表的表碼，在經過計算才能得出數據，不利于日常的運行分析。但是如果需要對變頻器的節能效果進行經濟性評價、分析的時候，采用有功功率作為計算的依據是較為準確的方式。

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作者簡介：朱家斌（1984.04—），男，漢族，遼寧鐵嶺人，高級工程師，發電部電氣運行高級主管，畢業于遼寧工程技術大學電力系統及其自動化專業，本科，方向：電氣運行管理工作。F3521F5E-FEDC-48F0-9D92-299061994CD7