【摘要】
本文結(jié)合引風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況，介紹了國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻器在淮北發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用。
【Abstract】
This text combines the actual work condition of lead the breeze machine, introducing the strong power of domestic high pressure to change the machine of inverter in the huai-bei power plant leads the on board application of breeze.
【鍵詞】
高壓變頻器 風(fēng)機(jī) 節(jié)能
【Key words】
high-voltage inverter Fan Energy saving
一、概述
中國(guó)大唐集團(tuán)公司淮北發(fā)電廠位于淮北市相山西南麓，興建于1970年。先后建成2×50MW 、2×125MW、3×200MW共7臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)950MW，經(jīng)增容改造現(xiàn)總裝機(jī)容量達(dá)1022.5MW。
高壓變頻技術(shù)隨著功率元器件耐壓等級(jí)的提高和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，在電廠的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，節(jié)能效果及控制水平已被電力系統(tǒng)所認(rèn)識(shí)。但在高電壓、大功率的設(shè)備上應(yīng)用，淮北發(fā)電廠之前沒有嘗試，基本沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)。2004年淮北發(fā)電廠組織各個(gè)專業(yè)人員對(duì)國(guó)內(nèi)外高電壓、大功率的變頻器這一新技術(shù)進(jìn)行了考查、論證。既考察了國(guó)產(chǎn)的高壓大功率變頻器應(yīng)用情況，也考察、論證了進(jìn)口的高電壓大功率的變頻器應(yīng)用業(yè)績(jī)。最后得出結(jié)論：國(guó)產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，完全能夠適應(yīng)，具體如下幾點(diǎn)：
1、產(chǎn)品售后服務(wù)及時(shí)、周到、服務(wù)成本低，能夠滿足生產(chǎn)的及時(shí)性。
2、產(chǎn)品備件采購(gòu)方便、備件成本低。
3、 變頻器操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面簡(jiǎn)單，易于掌握。
4、 通過近多年來國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的努力，應(yīng)該說國(guó)產(chǎn)大功率變頻器并不比進(jìn)口的性能差，有的方面還優(yōu)于進(jìn)口的變頻器。
5、 國(guó)產(chǎn)造價(jià)比進(jìn)口的低：
所以公司決定對(duì)#5、#6機(jī)組共四臺(tái)引風(fēng)機(jī)和#6機(jī)組的凝結(jié)水泵采用高壓變頻器調(diào)速裝置，并且大唐集團(tuán)公司在國(guó)際上公開招標(biāo)采購(gòu)高壓變頻器。我公司為國(guó)內(nèi)唯一中標(biāo)單位，并一舉中標(biāo)我公司5臺(tái)高壓變頻器。
二、高壓變頻器的節(jié)能原理過去，我們對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵采用擋板、閥門進(jìn)行流量控制、造成了大量的能源浪費(fèi)?，F(xiàn)在國(guó)際上普遍采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式進(jìn)行節(jié)能，雖然有多種方式，但是其中應(yīng)用效果最好的為變頻調(diào)速方式。
采用直接高壓控制電動(dòng)機(jī)定子的電壓源型變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)水泵等機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)速控制來控制風(fēng)量、流量的方法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流技術(shù)，應(yīng)用得非常廣泛，大量采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行節(jié)能，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。
風(fēng)機(jī)和水泵雖然是兩類不同的機(jī)械裝置，但是均屬于“平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載”，分析的方法也基本相同。下面就以風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行說明。
2.1風(fēng)機(jī)的參數(shù)和特征
2.1.1風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)
風(fēng)量Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過風(fēng)機(jī)的空氣量（m3/s）；
風(fēng)壓H：空氣流過時(shí)產(chǎn)生的壓力。其中風(fēng)機(jī)給予每立方米空氣的總能量稱為風(fēng)機(jī)的全壓Ht（Pa），它是由靜壓Hg和動(dòng)壓Hd組成，即Ht＝Hg+Hd；
功率P：風(fēng)機(jī)工作有效總功率Pt＝QHt（W）。如風(fēng)機(jī)用有效靜壓Hg，則Pg＝QHg；
效率η：風(fēng)機(jī)的軸功率因有部分損耗而不能全部傳給空氣，因此可以用風(fēng)機(jī)效率這一參數(shù)衡量風(fēng)機(jī)工作的優(yōu)劣，按照風(fēng)機(jī)的工作方式及參數(shù)的不同，效率分別有：
全壓效率ηt＝QHt/P
靜壓效率ηg＝QHg/P
2.1.2風(fēng)機(jī)的特性曲線
表示風(fēng)機(jī)性能的特性曲線有：
H-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，風(fēng)壓與風(fēng)量間的關(guān)系特性
P-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，功率與風(fēng)量間的關(guān)系特性
η-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率特性
對(duì)于同類型的風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的H-Q曲線如圖1
根據(jù)風(fēng)機(jī)相似方程：
當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎變到n’，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H及軸功率P的變化關(guān)系：
Q’=Q（n’/ n） (1)
H’=H（n’/ n）
2 (2)
P’=P（n’/ n）
3 (3)
上面的公式說明，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比。風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。
2.2管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線 當(dāng)管網(wǎng)的風(fēng)阻R保持不變時(shí)，風(fēng)量與通風(fēng)阻力之間的關(guān)系是確定不變的，即風(fēng)量與通風(fēng)阻力K按阻力定律變化，即
K=RQ
2式中： K－通風(fēng)阻力，Pa；
R－風(fēng)阻，（kg/m
2）
Q－風(fēng)量，（m
3/s）
K－Q的拋物線關(guān)系稱為風(fēng)阻特性曲線，如圖2-2所示。顯然，風(fēng)阻越大曲線越陡。
風(fēng)阻的K－Q曲線與管網(wǎng)阻力曲線相交的工作點(diǎn)成為工況點(diǎn)M。同一風(fēng)機(jī)兩種不同轉(zhuǎn)速n、n’時(shí)的K－Q曲線與R風(fēng)阻特性曲線相交的工況點(diǎn)分別為M及M’，與R1風(fēng)阻曲線相交的工況點(diǎn)為M1及M1’。
2.3電動(dòng)機(jī)容量計(jì)算 拖動(dòng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)所需的輸出軸功率為：
式中：ηb——風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)的效率
ηc——傳動(dòng)裝置效率。
2.4風(fēng)機(jī)的節(jié)電方法及節(jié)能原理 從以上的介紹可知，風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此我們可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)（或水泵）的轉(zhuǎn)速來節(jié)電。
2.4.1采用擋板控制風(fēng)量和變頻調(diào)速控制風(fēng)量的對(duì)比圖
下面我們對(duì)采用擋板閥門及變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)流量的能量消耗進(jìn)行分析，以便對(duì)變頻調(diào)速方式下的節(jié)能原理有一個(gè)理論上的了解。
如果設(shè)備的配置都滿足設(shè)備的最佳運(yùn)行狀態(tài)，從圖上看到：
2.4.1.1當(dāng)流量Q＝1時(shí)，采用風(fēng)機(jī)擋板和采用變頻器時(shí)使用的功率將會(huì)一致，這是因?yàn)樗鼈兊妮斎牍β识紴锳H0K所包圍的面積；
2.4.1.2當(dāng)流量從Q=1下降到Q=0.7時(shí)，采用風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)的輸入功率為BI0L所包圍的面積，而采用變頻調(diào)速后，其功率下降為DG0L包圍的面積，從圖上看，這個(gè)面積比BI0L包圍的面積小很多；
2.4.1.3當(dāng)流量進(jìn)一步下降到Q=0.5時(shí)，采用風(fēng)機(jī)擋板調(diào)節(jié)時(shí)的輸入功率為CJ0P包圍的面積，而采用變頻調(diào)速時(shí)的輸入功率為EF0P包圍的面積，從圖上看到，這個(gè)面積與CJ0P相比，其值更小。
所以我們可以從直觀的圖形上看到采用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)比采用風(fēng)門擋板時(shí)會(huì)節(jié)約大量的能量，也就是說：采用變頻調(diào)速是一種節(jié)能的好辦法。
那么，其計(jì)算方法怎么得到？
根據(jù)風(fēng)機(jī)理論，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)在需要流量變化時(shí)，可以采用閥門或者擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸入功率的計(jì)算公式為：
Pnn=P×Hnn×Qnn
其中：Hnn＝U-(U-1) Q
2nn U為系統(tǒng)流量為零時(shí)壓力極值
所以，采用風(fēng)門擋板時(shí)的風(fēng)機(jī)輸入功率為：
Pnn=P×Hnn×Qnn＝P×[U-(U-1) Q
2nn]×Qnn
式中：Pnn為某個(gè)狀態(tài)下的輸入功率標(biāo)么值；Hnn為某個(gè)狀態(tài)下的壓力標(biāo)么值；Qnn為某個(gè)狀態(tài)下的流量標(biāo)么值；P為額定狀態(tài)下的輸入功率。
2.5采用變頻調(diào)速時(shí)的功率計(jì)算：
2.5.1異步電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為：
轉(zhuǎn)數(shù)n=60f(1-s)/p
2.5.2 風(fēng)機(jī)泵類流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速n關(guān)系為：
流量 Q∝n；
壓力 H∝n
2 功率 P∝n
3假設(shè)：額定流量為Q0，額定功耗為P0；所需流量為Q1，功耗為Pg.in；由上述正比關(guān)系得出下式：
P0：n0
3 =Pg.in：n1
3
2.5.3 不同負(fù)荷情況下節(jié)能效果曲線圖（圖3）
橫坐標(biāo)代表水泵的負(fù)荷狀態(tài)。①為調(diào)節(jié)閥門時(shí)電機(jī)輸入功率的曲線，②為調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)輸入功率的曲線，③為采用變頻調(diào)速方法時(shí)，相對(duì)于調(diào)節(jié)閥門而帶來的節(jié)能效益曲線。
曲線③沒有考慮調(diào)速裝置本身的效率，也忽略調(diào)速后水泵本身的效率變化情況，綜合考慮這兩個(gè)因素后，曲線③將略微下降。
三、DHVECTOL-DI變頻器的原理
DHVECTOL-DI變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，6kV系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV變頻裝置有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖4，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖5所示的波形。輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)功率單元等效為一臺(tái)單相低壓變頻器。輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖6所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
四、主要技術(shù)特點(diǎn)a. 輸入諧波小
DHVECTOL-DI變頻器使用了“多重化移相整流技術(shù)和單元電平串連疊加技術(shù)”，符合GB/T14549－2002及IEEE519-1992對(duì)電壓、電
