SH-HVF高压变频器在135MW机组一次风机上的应用与研究

    试中：f——电源频率（Hz）；p——电机的极对数；s——转差率
    由此可见，交流异步电动机的基本调速方法有三种：改变电机的极对数p、转差率s及电源频率f。为满足现场运行参数（流量、压力、转速等）的需要，除了传统的齿轮调速及液耦调速装置外，并针对不同的调速原理，从电机学的角度，目前市场上也推出了不同的调速装置：1）变极电机；2）高压斩波内溃调速装置；3）高压变频调速装置；4）电磁调速装置。所有这些调速方法，在工业上均得到了不同程度的应用。但因为节能降耗的客观要求，其中对节能降耗有重大意义的高压变频和斩波内溃装置近年来获得了长足的发展，其技术不断完善，节能效果也相当显著。拒统计，如果以调速传动代替原有的恒速传动，通过改变转速来调节流量和压力，取代传统的用风挡板和阀门调节的方法，平均可节约电力30%左右，估计全国全年可节电数百亿度。根据目前市场上的应用普极程度及发展潜力，本文仅对高压变频及高压斩波内溃两种调速原理进行分析比较。
    1、高压变频调速节能原理
    高压变频器是在低压变频器已成功应用的基础上发展起来的，从功率控制角度来讲，高压变频调速是典型的控制定子电磁功率从而间接控制转子电磁功率的调速的调速，进而实现了异步机机械功率控制，达到调节转速的目的。其功率控制原理如图1所示。

    图1 变频调速的功率控制原理

    一言以概之，高压变频器的节能原理就是：改变风机的转速来实现对风机的风量调节。根据风机相似理论：

    
    式中：Q—风机流量； H—风机全压；n—转速；P— 轴功率。
    风量Q与电机转速n成正比，Q∝n；风压H与电机转速n的平方成正比，H∝n2；轴功率P与电机转速n的立方成正比，P∝n3。 可见电机转速对其轴功率的影响是相当大的。
    传统上对风机风量的调节，是通过改变管网特性即改变风门开度来实现，风机保持恒转速运转，通过调速风机档板的开度，管网的特性参数将发生变化，输出流量发生变化，这样就达到了在定速运行时调节风机输出流量的目标。因为在工程建设过程中，风机及其电机的选型要考虑到最大出力并留有一定的裕度，因而运行中风机的实际出力比起设计值来说偏小很多，调节风门的开度一般都小于40%，从而在档板上消耗了大量的无效轴功率，极大地降低了风机的转换效率，浪费了大量的能源。
    高压变频器则是通过改变风机的转速来实现对风机的风量调节从而达到节能的目标，这种方法不必对风机及其电机本身进行改造，转速由外部调节，风机档板可处于全开位置保持不变，并能实现无级线性调节风量，完全消除风机挡板造成的节流损失。
    2、高压斩波内溃调速的节能原理
    所谓内馈调速是一种将调速电机的部分转子功率（即电转差功率）移出来，以电能的形式反馈给电机内部的调节绕组的特殊调速方式，是转子电磁功率控制的调速。其功率控制原理如图2所示。

    图2 内馈调速的功率控制原理

    根据电机调速的P理论，内馈调速的实质在于将转子的部分电磁功率移出，使余下的转子功率转化为机械功率，因此移出的功率越多，转化的机械功率越少，电机转速则越低。因此，改变移出功率的多少，即可控制机械功率大小，电机转速便得以调节。当反馈绕组功率为零时，机械功率几乎和转子功率相等，电机转速最高。
    斩波实际是变流主电路的数字控制，从而使内馈调速摆脱了移相控制的束缚，形成斩波+内馈的优化组合。
    高压变频调速与斩波内馈调速最大的不同在于高压变频是立足于电机定子的功率控制，而斩波内馈调速则是立足于转子的功率控制。因此，高压变频最大的优势是适用于鼠笼型与绕线型异步机，而斩波内馈则仅适用于绕线型异步机。
    二、设备主要技术规范

    三、SH-HVF-Y6K/1250高压变频装置介绍
    SH-HVF-Y6K/1250高压变频器由湖北三环发展股份有限公司研制生产，该产品是采用直接高高变换方式，多电平串联倍压技术方案，优化的PWM控制算法，从而实现优质的可变频变压（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出的电压型变频器。通过对该型产品在该公司的两台一次风机上的节能效果测试，节能效果显著，是理想的节能装置。
    与同类产品相比，该产品除了满足当前高压变频器行业标准外，还具有以下技术特点：
    1、机械旁路设计（国内唯一）
    为了保证变频器和现场设备的正常运行，SH-HVF系列高压变频器为用户提供了功率单元机械旁路功能，当单元故障时，可在线实时自动将输出清除并同时触发旁路单元将其旁路，不需重新启动，不影响整个系统的正常工作，整个系统由原来的串联可靠性结构变成为并联可靠性结构。见图3

    图3 功率单元机械旁路示意图

    传统的功率单元电子式旁路设计采用晶体管方式，其设计与功率单元采用一体化设计，其电子旁路能否动作取决于功率单元的故障状态；而该产品功率单元机械式旁路采用机械式接触器方式，并且专门为其设计了一套功率单元旁路控制系统，一旦功率单元故障，不管故障多么严重，旁路系统均能正确安全的旁路。
    变频装置功率单元采用冗余设计，每相1单元故障旁路后仍能不停机连续额定运行，每相2单元故障旁路后输出额定功率的76％。当故障单元数大于6后跳机处理，通过自动工频旁路柜切换至外部工频运行。当故障排除后，具备由工频运行方式切换到变频运行方式的功能。
    2、冗余单元设计
    根据现场需要，用户可采用一单元冗余配置方案，从而可以满足运行中最多三单元故障时，变频器仍可以50Hz,6KV输出，保证辅机出力不降低。
    3、无谐波设计
    采用多电平技术，通过多重叠加来降低谐波幅度和提高谐波次数，使谐波远小于国家要求。纯净的无谐波输入对电网不存在任何干扰； 保护各类电子设备免受谐波干扰；让用户无需考虑昂贵的谐波滤波器及由电网参数变化带来的相关的谐振问题。SH-HVF无谐波系列变频器能满足IEEE519-1992和GB/T14549-93对电压失真最严格的要求，完全符合供电部门最严格的要求。
    4、线电压均衡技术
    变频器某相有单元故障后，为了使电压平衡，传统的方法是使另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。因而常规方式该情况只能输出60%的电压，采用此技术后可以输出80%。
    四、项目实际节能测试
    因CFB锅炉一次风机风量随发电量的变化幅度不是很大，故将一次风机进行工/变频分别运行72小时，录取电度表读数，可以直观地看出变频器的节能效果。
    电表倍率：2400

    五、高压变频器的应用意义
    1、直接收益：节能降耗，两台高压变频器年节电约370万kwh，投资回收期小于1.5年。
    2、间接效益：
    （1）变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
    （2）电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果。大大减少了对设备的维护量，节约了人力物力资源。
    （3）由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
    （4）功率因数由原来的0.918左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗。
    （5）厂房设备噪声污染将降低。
    （6）能提高整个系统的自动化水平和工艺水平。
    （7）节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境。
    （8）负载改变频后，由于变频器采用单元串联移相技术，因此在理论上可以消除35次以下谐波。由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2％以内，电流谐波总含量小于2％。延长了电机的使用寿命。
    （9）变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于1％，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求，延长了电机的使用寿命。
    七、结束语
    随着电力行业改革的不断深化，厂网分开、竞价上网等政策的不断实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价的竞争力，成为各火力发电厂追求的目标，也为交流变频调速技术的推广应用提供了广阔的空间，湖北三环发展股份有限公司研发生产的SH-HVF系列高压变频器运行稳定，其独特的机械旁路、单元冗余设计及线电压均衡技术更符合国内生产企业的要求，相信在当前高压变频器百家争雄的时代，会有所建树。