高压变频技术在电厂的应用分析及运行维护

张鸿

摘 要：本文介绍了高压电机调速节能原理以及调速技术在我公司的应用实例，分析了变频调速安全经济性，同时总结了高压变频器运行维护的注意事项。

关键词：调速变频；经济；运行维护

中图分类号：TM92 文献标识码：A

前言

送引风机、给水泵、循环水泵是电厂主要耗电设备，对其驱动电机实行变频调速的技术改造，使其处于经济运行状态，对实现节能降耗，降低机组的厂用电率，提高电力企业的经济效益具有重要意义。

一、调速节能原理：

从电机拖动及流体力学原理得知风机、水泵属于平方转矩负载，其轴功率、转速、流量之间存在以下数学关系：

Q1/Q2=n1/n2， （1）式

H1/H2=（n1/n2）^2 （2）式

P1/P2=（n1/n2）^3 （3）式

式中：n—转速：

n1—降速前转速

n2—降速后转速

Q—流量：

Q1—降速前流量

Q2—降速后流量

H—压力：

H1—降速前压力

H2—降速后压力

P—电机轴输出功率：

P1—降速前电机轴输出功率

P2—降速后电机轴输出功率

当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低，所以改变风机的转速就可改变电机的功率，调速是节能的重要途径。

根据电学原理交流电机转速：n=60f（1-s）/p

式中：n-电机转速， f-电源频率，p-电机的极对数，s-转差率。

由公式可见，通过调整电源频率、电动机极对数和电动机的转差率均可实现电动机的调速。

二、高压电动机调速技术在我厂的应用

1液力耦合器调速

液力耦合器主要由泵轮、涡轮和旋转内套组成。通过在电机轴和负载轴之间加进叶轮，调节叶轮之间液体（一般为油）的压力，达到调节负载转速的目的。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，是通过纯机械方式进行转速调整的方法，存在一定的机械磨损和机械阻力，其效率随着转速下降越来越低，由于受执行机构和液压机构的限制，调速精度无法保证，自动调整十分困难，若液力偶合器出现故障，必须停机处理。原我公司#5、6、7炉送引风机就是采用此种方式。

2变极调速

通过改变电动机绕组的极对数，达到调速的目的，例如我公司#3机甲循泵。变极调速，接线简单，成本低，但不能实现平滑调速，调速范围窄，在我公司只做为季节变化时切换使用。

3内反馈串接调速

内反馈串级调速电机的调速原理属于绕线式异步电动机转子回路串附加电势进行调速的理论范畴，该附加电势由安装在定子上的调节绕组从主绕组感应过来的电势所提供的，再通过变流装置将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速的目的。同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。

我公司原#1补水循泵、#8炉、#9炉吸风机、送风机及135MW机组#4循环水泵均使用内反馈调速电动机。内反馈串级调速的主要优点是调速的效率高，可以实现平滑无级调速，节能效果好。投资成本较高压变频器低。但它调速范围不大（50%～95%），所用的原件众多，容易损坏，最主要的缺点是需采用特制的内反馈绕线式电机，转子为有刷系统，易发热、维护量大。

4变频调速

变频调速是一种高效调速方式，通过改变电动机定子的频率以实现调速，具有功率因数高（超过0.95），可实现真正的软起动，调速范围大（0～l00%），调速精度高，调速效率高（93%以上），操作简单，易于维护等优点，是近代交流调速发展的必然趋势。

近年来，我公司先后对锅炉送引风机电机进行了高压变频技术改造。

三、变频调速原理及应用分析

我公司#7炉甲乙送风机原来是通过开关直接启停电动机，再通过液压耦合器进行调速。现增设2台高压变频器（北京合康HIVERT系列），实现通过（开关+变频器）实现变频运行或者通过（开关+工频开关）实现工频运行，挡板调节。

1 HIVERT系列变频器原理

HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，是一种串联叠加性高压变频器，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电。变频器本身由变压器柜、功率柜、控制柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

2改造方案

#7炉甲乙送风机各配置一套独立的变频调速装置，即一拖一调速系统，随机组负荷变化实现变频无级调速，改变风机工况，节约功耗。其一次回路具体采用自动旁路的典型方案，它由3个真空接触器KM1、KM2、KM3以及2个高压隔离开关QS1、QS2组成，其中KM1、KM2串接于变频回路，KM3串接于旁路（工频），用于变频和工频的切换。QS1和QS2为变频回路高压隔离开关，一般情况下处于合闸状态，仅在变频器及真空断路器检修时拉开，用于电机工频运行情况下对变频器及真空接触器进行安全检修；并且KM1、KM2与KM3电气互锁，防止电机同时工/变频运行。

3经济性分析

#7炉送风机自变频改造后，在调节上稳定性有了明显提高，节约厂用电效果显著，经济效益明显。以下为#7炉送风机变频改造前后的数据对比见表1、表2。

从以上数据可以看出，自#7炉送风机变频改造后，#7炉的送风单耗下降比较明显，下降了近0.34kWh/t汽，根据公式：辅机用电量=辅机单耗×本炉主蒸汽流量，按照锅炉主蒸汽流量198.56t/h计算，则每天可以节约厂用电量=0.34×198.56×24=1620.25kWh。根据公式：标煤量（T）=电量×3600/（4.1868×7000×1000），代入电量数据，计算得到，每天可以节约标煤量0.199t。

4安全可靠性分析

（1）减少电机启动时的电流冲击。电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的5-7 倍，高压变频器带电机启动时，电机电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。

（2）延长设备寿命。使用变频器可使电机转速变化沿风机的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。同时有关数据表明，机械寿命与转速成反比，降低转速可成倍地提高风机寿命，运行维护费用自然降低。

（3） 调速精度高，降低噪音。高压变频器具有高度的智能化水平，调速精度高，调节手段简单。降低转速运行的同时，噪音大幅度地降低，同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声。

（4）改变运行方式轻易，可靠性高。当变频器故障时，电机可以通过旁路柜切换到工频状态继续运转。但目前吸风机变频器故障时旁路开关自投方案仍需研究，因为当凤机变频运行时，风机挡板在全开位置，风机转速根据炉膛负压自动调整风机转速，当变频器故障时，技术上完全可以实现旁路开关自投，风机工频运行。但此时由于挡板在全开位置，如工频运行，吸风量必然增大，容易造成锅炉灭火。

四、变频器运行及维护注意事项

1变频器故障分类

HIVERT系列高压变频器具有完善的故障监测和保护功能，故障分为轻故障和重故障。

轻故障包括变压器超温报警（变压器温度超过130℃）、单元柜超温报警（柜温超过55℃）、柜门打开、单元旁路、电机过载等。系统发生轻故障时，系统给出间歇光报警，对于轻故障的发生，系统不作记忆处理，仅在故障指示中显示。故障存在时报警，故障消失，则报警自动取消。系统运行时如果发生这类故障，变频器并不立即停机。在停机状态下，如果存在这类故障，也还能进行启动操作。轻故障发信后，运行人员应检查变压器柜、单元柜风机工作是否正常，过滤网是否堵塞，环境温度是否过高，所有柜门是否关闭，必要时联系检修人员处理。

重故障包括：外部故障、变压器过热、电机过流、柜温过热、单元故障、变频器过流、高压失电、外设故障、控制器不通讯、外设不通讯。其中单元故障包括：熔断器故障、过热、IGBT故障、电源故障、过压、光纤故障。系统发生重故障时，系统给出连续的报警信号和故障指示，发出高压分断指令。系统保持故障指示及高压分断指令，并作故障记忆处理。如果故障消失，故障指示、高压分断等指令也都一直保持。只有故障彻底排除，并且系统复位后才能使变频器恢复到系统待机状态，并允许重新开机。重故障发生时，高压电源将自动分断。如果因为其它原因没有分断，运行人员可以用柜门的高压分断按钮将高压电源强行手动分断。发生重故障后，运行人员应及时联系检修人员处理。

2变频器启停及切换注意事项

以送风机为例，一般情况下，风机停运，挡板处于全关状态。此时启动变频器，首先将电机高压开关合闸，其次将风机变频器调速输出调至预先给定值，然后将变频器合闸启动。若出现启动困难（原因是变频器低速启动时电压比较低，启动力矩相对于高速时要小，容易过电流），可以加大给定。只有等到变频器速度等于调速给定值时，表明此时变频器启动已经结束，才可以打开送风机调节挡板调至100%。如果送风机电机电流超过额定值，则应该降低变频器的速度。变频器停止时，必须逐步减少风机挡板开度至全关，然后将变频器分闸，最后将高压开关分闸。

风机工频启动电流比较大，容易发生过电流跳闸，因此挡板必须全关至0%，才能启动。首先将高压开关合闸，然后将风机工频合闸。由于启动时间比较长，一定要在风机电流到达稳定时，表明启动结束，才可以调节挡板开度。

变频器的“工切变”操作。送风机已经在工频运行，挡板开度在合适位置，首先将变频器调速给定值设定为≥90%。这是因为工频运行时电动机速度为100%，当“工切变”时，电动机从工频过渡到变频运行期间，将有10秒左右的按惯性自由惰走，速度将从100%跌落至80%左右，为了防止电动机实际速度>变频器调速给定值，从而切换到变频时使变频器产生制动状态，造成变频器直流母线过电压而故障跳闸，因此必须将变频器给定值≥90%，甚至给定值=100%都可以，以足够保证变频器对于电机尚处于启动状态。由于“工切变”时，从工频KM3分闸到变频KM1/KM2合闸，对变压器进行充电，到高压就绪，再变频器启动，直至启动到90%，整个过程需要10秒时间。等到变频器速度稳定在90%，才可以逐步打开挡板开度至100%，同时降低变频器的速度。以发挥变频器的节能效果。“工切变”的操作为特殊操作。一般只有在变频器故障修理好了以后，才能“工切变”，以保证送风机不停机的情况下实行变频运行。

变频器的“变切工”操作。变频器在变频运行，此时挡板全开100%。首先必须将变频器调速逐步上升至100%，同时协调挡板开度从100%逐步关小，保证送风机风量不变。在挡板已经关小了，变频器速度已经到100%时，才可以实行“变切工”操作。目的是从变频到工频时电动机的按惯性自由惰走速度尽量接近全速，减少对电动机的冲击。然后进行“变切工”，送风机从变频切换到工频运行，整个过程从变频器停止、到变频KM1/KM2分闸、到工频KM3合闸，整个过程需要4秒时间。“变切工”是特殊的操作。一般只有变频器发出“变频器轻故障”以及其他原因，需要不停机地将变频器停止运行，而切换到工频运行的情况下，才能操作。

3变频器的日常维护及巡视

（1）经常检查室内温度，通风情况，注意室内温度不要超过45℃。

（2）保持室内清洁卫生。

（3）经常检查变频器是否有异常声响，异味，柜体是否发热；排风口是否有异味。

（4）变频器的运行环境中灰尘较多，长时间运行会影响单元柜上的金属滤网过滤器的通风效果。正常运行时，过滤器气流方向从柜外到柜内，将用一张A4纸放在柜的进风口，纸张应吸附在柜上，从而证明变频器通风正常。滤网积尘较多时，会造成变频器内温度升高。因此应根据运行环境的情况，将清洁变频器滤网作为一项定期工作。在夏季高温天气，应缩短变频器滤网的清洁周期。

（5）定期记录变频器运行情况，发生故障跳闸时，要记录故障情况，查明原因并排除后方可再次上电。

（6）为了使高压变频器能长期稳定运行，避免因变频器故障造成设备停运等异常，应结合电动机的大小修，对变频器进行预防性检查维护。在每次的预防性检查维护时，应打开变压器及功率单元的柜门，清理柜内灰尘，紧固变压器进出线电缆、功率单元进出线电缆、控制电缆。

1变频器其它注意事项

（1）变频器运行时，除二次室柜门外，不要打开其它柜门。

（2）操作时，要穿戴安全防护鞋，并保持单手操作。

（3）操作人员离开时，一定要防止无关人员误操作。

（4）主电源切断后，必须等单元LED熄灭或10分钟后，才能切断控制电源。

（5）加强对变频器工作电源的维护，防止其动力电源及控制电源一起失电。

（6）在变频器有高压电源供电的情况下，一般不要切断控制电源，否则有可能导致单元损坏。

（7）变频器发生故障跳闸后，必须查明原因并排除故障后，方能重新上高压电和启动。

（8）测量电动机绝缘时，要将变频器停电，拉开其输入输出刀闸（QS1、 QS2），防止带变频器摇测电机绝缘而损坏变频器。

（9）变频器控制柜面板上有一紧急停止按钮，只有在出现“人身安全”、“变频器内部绝缘击穿、爆炸、着火”等紧急情况下，才能操作“紧急停止按钮”，将变频器分闸。正常运行时，严防人员误碰。

结语

综上所述， 装设高压变频调速装置， 是目前电厂电机节能最优的解决方式。目前国产高压变频器技术可靠、性能稳定、价格合理。大型火力发电厂的用电辅机推广使用高压变频器调速装置，可以大幅度降低厂用电率，是企业提高经济效益的重要途径。同时正确使用和维护，保证高压变频器高效、稳定运行，也是保证电厂安全经济运行的重要措施。

参考文献

[1] HIVERT系列高压变频器用户手册2.3[Z].