高壓變頻調(diào)速在火電廠鍋爐引風系統(tǒng)中的應用

1、高壓變頻調(diào)速在火電廠鍋爐引風系統(tǒng)中的應用    1引言在火力發(fā)電機組中，風機是配套的主要輔機之一，一般包括送風機、引風機及一次風機。據(jù)資料介紹火電機組配套風機的耗電約占發(fā)電機組發(fā)電量的1.5%3%，對于大型火電機組，配套風機所耗電能十分巨大。目前，我國火力發(fā)電機組的大型配套風機主要是由6kv鼠籠電機直接驅動的。電廠風機目前主要采用進、出口風門擋板，進口軸向導流器，進口靜葉調(diào)節(jié)器等方法進行風門的調(diào)節(jié)以控制流量，其缺點是節(jié)流損失大，增加風機消耗的功率，系統(tǒng)1引言在火力發(fā)電機組中，風機是配套的主要輔機之一，一般包括送風機、引風機及一次風機。據(jù)資料介紹火電機組配

2、套風機的耗電約占發(fā)電機組發(fā)電量的1.5%3%，對于大型火電機組，配套風機所耗電能十分巨大。目前，我國火力發(fā)電機組的大型配套風機主要是由6kv鼠籠電機直接驅動的。電廠風機目前主要采用進、出口風門擋板，進口軸向導流器，進口靜葉調(diào)節(jié)器等方法進行風門的調(diào)節(jié)以控制流量，其缺點是節(jié)流損失大，增加風機消耗的功率，系統(tǒng)振動大、噪聲大、對環(huán)境造成惡劣的影響，同時調(diào)節(jié)閥門有時處于很高的壓力下工作，容易磨損和損壞。另外由于定速風機啟動轉矩大，配置的電動機容量比風機的額定容量大很多，在低負荷區(qū)，電動機工作效率很低，能源浪費嚴重。對于調(diào)峰機組，情況更為突出。調(diào)節(jié)擋板控制風量造成管網(wǎng)內(nèi)氣流紊亂和風量調(diào)節(jié)不準確，導致管網(wǎng)振

3、動發(fā)生和爐膛燃燒不穩(wěn)。統(tǒng)計結果表明約有10%的電動機缺陷是由啟動時的大電流及對繞組的過大電磁力直接引起的，定子繞組接頭開焊、鼠籠斷條等缺陷也都與直接啟動有關。由于以上原因，多年來，人們一直在探求電動機的調(diào)速問題。風機轉速是通過驅動裝置調(diào)節(jié)的，長期以來，對于需要調(diào)速的驅動機械，直流調(diào)速一直占主導地位，如晶閘管直流電機調(diào)速系統(tǒng)。但是由于直流電機本身結構上存在有機械整流器和電刷，給直流調(diào)速驅動系統(tǒng)帶來了3個主要缺點:（1）維護困難;（2）設置環(huán)境受到限制，易燃易爆以及環(huán)境惡劣的地方不能適用;（3）在結構上，制造大容量、高轉速及高電壓的直流電機比較困難。所以也經(jīng)常采用交流滑差離合器電機，交流電機的調(diào)壓

4、、變極、串電阻調(diào)速以及加裝液力耦合器等交流電機調(diào)速方法。但這些交流電機調(diào)速方法在精度、效率、變比、平滑等方面都不夠理想。所以，從電機結構和特性上看，采用改變電源頻率進行調(diào)速是最理想的調(diào)速方法。2控制技術從硬件上講，以往電子裝置的控制手段都是由分立元件組成控制電路。由于使用的硬件數(shù)量大、組裝密度低、連線多，因而可靠性低，控制性能差。隨著技術的進步，出現(xiàn)了新的控制手段:    這里著重介紹一下矢量控制。所謂矢量控制的想法是模擬直流機的控制特點來進行交流電機的控制。大家知道，直流電機所以調(diào)速性能好的根本原因在于直流電機的轉矩控制容易，分別控制電樞電流i和磁通m

5、兩個參數(shù)就能控制轉矩。電流和磁通之間互成直角且獨立，可互不影響地分別進行調(diào)節(jié)。而異步機的轉矩不僅與轉子電流i和磁通m有關，且與轉速有關。電流i和磁通m兩個參數(shù)既不成直角又不是兩個獨立變量。轉矩的這種復雜性是異步機難于控制的根本原因。如果通過坐標變換理論將交流電機的定子電流i分解成磁場定向坐標的磁場電流分量id和與之相垂直的坐標轉矩電流分量iq，由于id、iq在同一個同步旋轉坐標系上，其相對關系是靜止的，相當于直流量，因此對這種直流量進行控制就同于直流機了，如圖1所示。圖2是異步電機矢量控制框圖。（a）三相坐標系下的三相交流繞組（b）在同步旋轉坐標系下的兩相直流繞組（c）兩相靜止坐標系下的兩相交

6、流繞組圖1交流電機在不同坐標系下的等效繞組圖2異步電機矢量控制框圖磁通矢量法不僅能精確地分解出電機的轉矩分量和磁通分量，還能精確地控制，使異步電機可得到良好的轉矩特性和速度控制特性，在當前計算機控制技術中已得到充分實現(xiàn)。3交流變頻調(diào)速可能產(chǎn)生的問題在發(fā)展交流變頻調(diào)速技術的初級階段，存在一些技術問題，使交流變頻調(diào)速技術的應用受到了影響。（1） 產(chǎn)生諧波電流變頻器產(chǎn)生的諧波電流除倍頻諧波外，還有旁頻諧波。這些諧波電流將使電機的損耗和溫升增加，產(chǎn)生轉矩脈動、振動和噪聲。諧波電流還會對電網(wǎng)和其它設備造成影響。（2）沖擊電壓及絕緣強度由于換流時產(chǎn)生沖擊電壓，這一沖擊電壓迭加在電動機的運行電壓上

7、，其過電壓將對繞組的對地絕緣構成威脅。（3）振動和噪聲逆變器輸出中包含的各種時間高次諧波與異步電機電磁部份固有的空間高次諧波相干涉，便引起各種磁激振力。因頻率變化范圍和轉速變化范圍都很大，故很難避免不與電動機機械結構部件產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在低速傳動時，出現(xiàn)明顯的旋轉不穩(wěn)定現(xiàn)象。（4）低速起動時不能很好的保持正常油膜（5）軸電壓和軸電流與正弦波供電時相比，軸與大地之間的電壓峰值有所增加。對于采用逆變器控制定子頻率的異步電機，所施加的各相電壓在正常情況下是平衡的，但若在某一瞬間各相電壓失去平衡便會在該瞬間產(chǎn)生很大的軸電壓。另外在變頻器供電時，改變異步電機的中性點電位時，也會因靜電感應而產(chǎn)生軸電壓。4現(xiàn)

8、代電力電子技術在高壓交流電力拖動領域的應用以tmeic的mv系列高壓變頻器為例，介紹電力電子技術在電力拖動領域的應用。mv系列變頻器是以“為電源提供優(yōu)質(zhì)使用環(huán)境，為電動機提供優(yōu)質(zhì)動力源”為宗旨，集東芝三菱電機公司最先端的電力電子技術為一體的高壓igbt變頻裝置。改變從前的依靠擋板，閥門來控制排風機，風扇，泵等平方轉矩負載流量的傳統(tǒng)方法，實現(xiàn)了對高壓電動機的直接驅動調(diào)速控制。4.1多段電平pwm控制圖3tmeicmv的輸出波形 mv變頻器采用多段電平pwm（pulse width modulation）脈沖寬度調(diào)制控制方式。使輸出電壓波形實現(xiàn)了階段狀的近似正弦波形輸

9、出，輸出電流呈正弦波。tosvertmv系列變頻器采用了具有高頻轉換開關調(diào)整控制技術，使各igbt的開閉時點不僅在相間，且在線間也不會出現(xiàn)重疊現(xiàn)像，將電動機絕緣的“大敵”尖脈沖雜波控制在最小值。即使是原設電動機也可實現(xiàn)可變速控制。圖3為mv的輸出波形。4.2對高次諧波的限制專用的輸入變壓器次極的多重化，減少了電源端高次諧波電流。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)機械中電力電子器件使用的普及，這些機械對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響也越來越明顯。高次諧波電流流入電網(wǎng)造成電力系統(tǒng)電壓的畸變，對其它負載形成潛在性的威脅。mv按照為電源提供優(yōu)質(zhì)使用環(huán)境的基本方針，利用專用變壓器次極的多重化（相當于18相整流）將流入電源的高次諧波電流降

10、低到最低值，實現(xiàn)了“電源使用環(huán)境的優(yōu)質(zhì)化”的變頻器。與以前的機種相比高諧波電流大幅度減少，達到ieee519（1992）所規(guī)定的高次諧波電流輸出限制標準。圖4和表1為mv的抑制高次諧波電流的特性和參數(shù)。不需要設置單獨的高次諧波濾波器。圖4tmeicmv抑制高次諧波電流特性表1mv的電源端高次諧波含有率（1800kva實負載下的實測值）4.3轉矩波動值減少到最低由于高次諧波電流成分極小，故幾乎消除了轉矩波動值。如前所述，電動機電流中如含有高次諧波電流成分時，電動機軸輸出轉矩會發(fā)生波動，給驅動軸及負載附加上扭動轉矩，當這一轉矩波動的頻率與軸機械系統(tǒng)的固有轉動頻率吻合時，會發(fā)生共振現(xiàn)象。這一共振現(xiàn)象

11、使振動轉矩成倍增大，甚至可造成電動機以及負載機械的損壞。由于tosvertmv的輸出電流中幾乎不含有高次諧波成分，使這一轉矩波動所帶來的影響減少到了可以忽略不計的程度。4.4穩(wěn)定的控制系統(tǒng)mv實現(xiàn)了不設速度檢測器的穩(wěn)定控制速度運行。簡易型無檢測器矢量運算的v/f控制，實現(xiàn)了強力，平穩(wěn)的運行。mpu（集中控制系統(tǒng)）采用了toshiba公司最新開發(fā)，生產(chǎn)的大型電力電子控制專用的32bit微機系統(tǒng)，具有極高的可靠性。圖5是mv的系統(tǒng)控制框圖。圖5mv的邏輯控制框圖4.5高效率、高功率的可變速運行mv通過采用toshiba公司研制生產(chǎn)的高壓igbt（額定電壓1700v），以及獨特的多段電平pwm控制，

12、使主回路部件數(shù)量大幅減少。部件本身的高頻損失大幅降低，加之變頻器特有的電源端高諧波成分少，輸入變壓器一次線圈的高諧波損失少等因素，使運行效率達到97%以上。與需設高次諧波濾波器，改善功率因數(shù)的電容等的驅動系統(tǒng)相比，既避免了這些設備所造成的損失，又提高了系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的效率。mv的主回路以單相輸出的pwm變頻器的多段串聯(lián)構成。采用二極管橋式整流方式，因此即使不設功率因數(shù)改善電容，也能達到高功率運行。另外，使用mv即使是低功率的多極電動機，也可達到電源端的高功率運行。如圖6所示。圖6tmeic-mv的效率和功率因數(shù)特性圖7tmeicmv的標準接線圖4.6電氣接線和結構特點圖7為mv的標準線路圖。由圖

13、可以看出，tosvertmv變頻器的電氣接線非常簡單明了，使安裝接線工作變的極為方便。結構上充分考慮到日常維護保養(yǎng)的結構設計。維護方便的正面（前面）保養(yǎng)型結構，輸入變壓器柜同變頻器柜為同列構造（不需要外接電纜）。采用風冷卻方式，使igbt部件得到有效的冷卻，且維護方便;采用可抽出式的三層結構的單元變頻器，單元變頻器由控制部，元件部，電容部三層組成，更換部件方便，可以以各部層為單位進行更換。5高壓變頻調(diào)速在火電廠鍋爐引風系統(tǒng)中的應用實例    大慶油田熱電廠有3臺200mw汽輪發(fā)電機組，每臺機組配670t/h的鍋爐，鍋爐配有y47312n031.5f型，通

14、風量843000m3/h，壓頭3.727×10-3mpa，轉速730r/min，慣性力矩22291kg.m2的引風機2臺，其風機配套型號為yks63048型，額定功率1600kw，額定電壓6000v，額定電流188a，額定頻率50hz，轉速740 r/min，慣性力矩689kg.m2電動機2臺。    據(jù)統(tǒng)計，我廠引風機年耗電大約平均在39301724kw.h，占我廠發(fā)電量和廠用電量的1.32%和16.46%?？梢娨L機系統(tǒng)的耗電是相當可觀的，降低引風機系統(tǒng)耗電是減少廠用電的有效辦法。5.1變頻調(diào)速用于風機調(diào)節(jié)的節(jié)能原理由電機學和拖動

15、原理可知，如果降低供電電源頻率，但還保持電源電壓額定不變，則隨著供電電源頻率f1下降，磁通m增加，電動機磁路本來就剛進入飽和狀態(tài)，m增加，磁路過飽和，勵磁電流會急劇增加，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源電壓u1主要有兩種控制方法。其一是保持e1/ f1=常數(shù)，降低頻率f1調(diào)速，保持e1/f1=常數(shù)，則m=常數(shù)，這是恒磁通控制方式。其二是保持u1/f1=常數(shù)，降低頻率f1調(diào)速，保持u1/f1=常數(shù)，也就是保持磁通m常數(shù)，這是近似恒轉矩控制方式。由拖動原理可以證明以上兩種控制方式下電機最大轉矩mm和最大轉矩處的轉速降落nm都為常數(shù)，如圖8是變頻調(diào)速的機械

16、特性。變頻調(diào)速時，若保持e1/ f1=常數(shù)，機械特性mm=常數(shù)，與頻率無關;并且最大轉矩處轉速降落相等，也就是不同頻率的各條機械特性是平行的，硬度相同。目前為止，籠形感應電動機的風扇，泵的驅動大多利用商用電源的定速控制，其流量，壓力等的控制大多由擋板，閥門進行控制，能源的流失嚴重。變頻器對風機，泵等平方轉矩負載的可變速控制運行，可獲得相當大的節(jié)能效果。如圖9所示。圖8保持e/f=常數(shù)時，變頻調(diào)速的機械特性圖9 風機、泵定速和變速下的qh曲線由圖9的qh曲線可知，系統(tǒng)在定速運行和變速運行過程中，是通風阻抗r（風機機械特性）和揚程曲線h之間的相對變化，控制系統(tǒng)工作點的不同，使所

17、得曲線下功率積分面積的變化，既系統(tǒng)軸功率的變化。由風機、泵等特性可知如下關系:    電機轉速n=60f（1-s）/p    風機流量qn    風機壓力hn2軸功率pn3（軸功率p=qh）n電動機轉速，f電源頻率，p極對數(shù)，s轉差率例如:要求風量（流量）在80%的情況下，采用可變速運行控制時需要的動力p=（80%）351%，可見，微小的風量（流量）變化便可帶來大幅度的節(jié)能效果。5.2實施前、后的對比我廠在2001年的#3機組大修中，對#3鍋爐系統(tǒng)的2臺引風機電動機進行了變頻

18、控制改造。根據(jù)歷年引風機電動機運行平均功率統(tǒng)計，我廠引風機電動機在最大運行方式下其出力也沒有超過1250kw，原設計1600kw是從其它角度考慮的容量，在正常運行中就存在一個利用效率低的問題。所以，在進行變頻改造的調(diào)研和設計中充分考慮了我廠的實際情況，選擇了2臺容量為1800kva、158a、6.6kv的tosvertmv變頻器（軸功率為1400kw）。經(jīng)近一段時間運行效果良好，以下是改造前后的運行數(shù)據(jù)。（1） 2000年發(fā)電機組運行小時數(shù)和引風機耗電統(tǒng)計表22000年發(fā)電機組及引風機運行數(shù)據(jù)如表2所示，我廠發(fā)電機組的年平均運行小時數(shù)為5830.12h。扣除一些其它不確定因素，3臺發(fā)

19、電機組年平均運行小時數(shù)完全可以達到6000h以上，在以下的計算中取發(fā)電機組年運行小時數(shù)為6000h。同時也可以看出，在機組年運行達5000h以上，引風機系統(tǒng)的耗電費就在300萬元以上，其數(shù)額是相當巨大的。（2）改變頻控制與沒有改變頻控制的發(fā)電機組和引風機電動機日運行數(shù)據(jù)對比，如表3所示。表32001年10月24日發(fā)電機組及引風機運行數(shù)據(jù)由以上數(shù)據(jù)我們可以得到，加裝變頻控制和沒有加裝變頻控制的系統(tǒng)運行參數(shù)對比圖形。圖10、11分別記錄了2001年10月24日0時至24時的發(fā)電機有功功率和鍋爐蒸汽量的變化情況，通過參數(shù)的比較，可以得出當日發(fā)電機組的運行工況基本上是相同的，當日的鍋爐蒸汽量分別為#1

20、爐12311t、#2爐12493t、#3爐12113t;發(fā)電量分別為#1機381.2萬kw·h、#2機384.5萬kw·h、#3機389.7萬kw·h。既在當日全天范圍內(nèi)#1、2、3鍋爐的引風機系統(tǒng)的運行工況是相當?shù)?，除個別情況下，全年發(fā)電機組的運行工況在不同季節(jié)也都是基本相同的。圖12、13改變頻控制后的引風機電機運行電流和電壓明顯的低于沒有改變頻控制的引風機電機的電流和電壓，且在發(fā)電機組的不同運行參數(shù)下，改變頻控制的電機電流和電壓在調(diào)速過程中是按v/f為常數(shù)的控制原則變化的，節(jié)電能力很大。而沒有改變頻控制的電機其運行參數(shù)，在全日不同負荷下的參數(shù)變化是通過擋板調(diào)

21、節(jié)的，其變化當微小的，造成很高的功率損失。 圖10024小時發(fā)電機有功曲線圖11024小時鍋爐蒸汽量曲線圖12014小時引風機電流曲線圖13014小時引風機電壓曲線圖14014小時引風機頻率曲線圖15014小時引風機功率曲線圖14記錄了當日變頻器輸出的電源頻率的全過程，其被拖動負載的轉速是隨著機組負荷的變化而變化的，而沒有改變頻控制的電機一直運行在額定轉速上。圖15記錄了引風機電動機在當日不同負荷下，電機有功功率的變化。從圖5中可以明顯看出，改變頻控制后的節(jié)能效果。5.3節(jié)省電能筆者對2001年10月10日至17日，8天發(fā)電機發(fā)電量和#1、2、3鍋爐引風機電機耗電量進行了統(tǒng)計見表4。

22、表4發(fā)電機發(fā)電量及引風機耗電量統(tǒng)計從表4中可得，在鍋爐蒸汽量和發(fā)電機輸出有功功率基本相當?shù)那闆r下，通過對#1、2、3鍋爐引風機系統(tǒng)電動機耗電的統(tǒng)計，可以推算出改變頻調(diào)速后的年節(jié)能效果。取#1、2爐引風機電機耗電量的平均值（376920+382320）/2=379620kw.h，8天內(nèi)#1、2爐引風機電機較#3爐引風機電機多耗電379620-214560=165060kw.h。8天引風機系統(tǒng)運行小時數(shù)為8×24=192小時，取發(fā)電機組年運行小時數(shù)為6000h，可計算出全年#1、2爐引風機電機較#3爐引風機電機多耗電165060×6000/192=5158125kw.h，多耗電費為5158125×0.22=1134787.5元。根據(jù)2000