变频调速技术在主变压器风冷系统上的应用研究

梁洛耕 许华骋 潘红静

（广西柳州供电局，广西 柳州545005）

0 引言

目前在电力系统上运行的主变压器冷却方式主要是采用自冷式和风冷式两种，而风冷式又可以分为自然油循环风冷和强迫油循环风冷两种形式，不论是采用自然油循环风冷或是采用强迫油循环风冷的冷却形式，冷却的动力均是利用冷却风扇实现，应用于风扇控制的冷却控制系统采用LPC可编程控制器控制，冷却风扇控制采用分组启、停方式，即是将整台主变压器全部冷却风扇分成2组或2组以上，冷却风扇的投切按控制方式1组或多组同时启动或停止进行。

1 冷却风扇分组控制存在的问题

冷却风扇采用分组启停的控制方式，形成多台风扇同时启动或同时停止，这样的运行控制方式存在如下问题：

1）变压器产生的热量主要由空载损耗和负载损耗等引起，负载的变化直接影响发热量的多少，采用分组控制方式，冷却容量为阶梯变化，不能实时跟踪变压器负载变化而实时调整冷却容量，容易造成冷却容量过剩和不足，造成变压器油温温差大，影响变压器绝缘寿命；

2）风扇电机直接启动，启动电流是额定电流的5～7倍，对电机绝缘造成冲击影响；

3）在工频额定负载下投切风扇电机，由于感性负载的拉弧，影响电机和接触器的使用寿命，增加维护工作量；

4）变压器的噪声主要由风扇噪声、电磁噪声和机械噪声引起，而风扇在工频状态下运行时，风扇噪声很大，对环境造成极大污染。

2 变频调速技术对冷却风扇控制研究

针对以上提出的问题，研究的主攻方向是对风扇电机的控制，实现解决继电器控制方式下冷却风扇所存在的全部问题。实现对风扇电机的控制可以有以下四种方式：

1）冷却风扇无级调速可实现变压器各种损耗所产生的发热量与散热量的均衡控制，避免油温的大幅波动。对冷却风扇采用无级调速，实时跟踪变压器负荷变化及顶层油温变化，据此控制冷却容量与发热量保持基本均衡，可实现油温在给定量的规定范围内变化。对于电机的无级调速有：变频调速，滑差调速等。

2）为了克服电机直接启动造成的冲击电流，有多种控制方式：降压启动，电机软启动，变频调速启动等，均可控制冷却风扇启动电流在较小的范围内。

3）采用无触点开关、变频调速装置等控制风扇电机，可避免冷却风扇在投切时产生拉弧。

4）采用变频调速装置控制风扇电机，可实现节能降噪，减少对环境造成污染。

对以上四种有效的控制电机方式展开对变压器的冷却风扇电机运行的分析：

1）变压器负载、油温与冷却风量的关系：负载增大，则油温升高，风量需增加，此时冷却容量增大；负载减小，则油温降低，风量需减小，此时冷却容量降低，即就是冷却容量应跟随负载变化而变化，需实时调节冷却容量，从而实现变压器油温在给定范围内波动。

2）由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。表达式如下：

Q1——风扇转速为n1时的风量，Q2——风扇转速为n2时的风量，P1——风扇转速为n1时的轴功率，P2——风扇转速为n2时的轴功率。

由式（1）、（2）可知，改变风扇转速，即可改变冷却容量。

又据电机学可知，电机的转速与定子电源频率、电机极对数和转差率的关系如下式：

n——电机转速，P——电机极对数，f——电源频率，s——转差率。

由式（3）可知，有三种调速方式：

通过改变极数调速：增多电机极对数，可以降低电机转数，但电机一但生产，电机极对数就已经确定，不能改变，则电机转速也已确定，因此不能改变极对数进行调速。

改变转差率调速：在低速时，转差率大，损耗也大，效率低。

改变频率调速：均匀地改变风扇电机定子电源频率f，则可以平滑地改变风扇电机的速度。频率可从0～50Hz范围内进行无级变化，转速变化区间最大，也就能大幅度改变电机转速，且目前改变频率的实现手段比较成熟，可简单地使用变频器实现。

3）电机在工频启动时，启动电流大，通常是额定电流的5～7倍，为了避免过大的启动电流，采用变频器直接启动风扇电机，由变频器原理及伏-频特性可知，变频器启动时，输出频率和输出电压均从较小值起始，使电机逐步转动，电机转动后产生反电势，随着频率的增大，电压也在升高，反电势也在增加，这样就使得风扇电机在启动过程中电流始终被控制在较小的范围内，避免了风扇电机启动时对自身绝缘和其它控制元件造成的影响。同时变频器输出驱动电路为半导体可控元件，为无触点控制，所以控制风扇电机的启停无电弧产生，可延长电机的使用寿命。

4）采用变频调速控制冷却风扇，具有明显的节能效果。对同一台风扇电机，由式（2）、式（3）得知：

即轴功率与频率的三次方成正比。例如当风量降低到额定风量的80%时，风扇电机频率为40Hz，与工频比较，其节能效果为：

P1——40Hz时风扇电机的轴输出功率，P2——工频50Hz时风扇电机的轴输出功率。

表1 不同风量下的理论计算节能

由式（5）计算得知，风量减少20%，而风扇电机轴功率仅为额定功率的51.2%，由此可知，理论节能为（1-51.2%）=48.8%，考虑到变频器的自身功耗，变频运行时的功率是工频运行时功率的52%，即节能效果可达（1-52%）=48%。

对于变压器负荷不同，对风量的需求也不同。根据式（4）计算得出，不同风量时的节能效果见表1。

5）在该冷却风扇变频调速系统中，变频器最高频率设定为48Hz，最低频率设定为25Hz，同时满足高负荷时的冷却要求，低负荷时取得降噪、节能效果。

3 变频调速应用设计

3.1 电路设计

设定某台变压器每组冷却器风扇为3台，主回路如图1示，由1台变频器控制1组冷却器中的3台风扇，同时，为了保证冷却风扇的安全可靠运行，在主回路中以工频驱动作为备用。

图1 冷却风扇控制主回路

Q1为变频器保护及冷却回路检修隔离断路器，KM11为风扇电机变频运行控制接触器，KM12为风扇电机工频运行控制接触器，KH11，KH12，KH13为热过载继电器，MF11，MF12，MF13为风扇电机。

在冷却风扇变频运行和工频运行接触器KM11、KM12的控制电路设计和控制程序中均为互锁，以保证变频器安全运行。

3.2 变频器选型

负载类型，在该应用中，风扇电机为风机类负载，选用风机泵类专用变频器。

变频器容量选定，根据风扇电机容量和风扇电机运行条件选取。该例应用中，每台变频器驱动3台风扇，每台风扇电机功率为1.2kW，额定电流为3.8A。选择变频器时，主要考虑电流因素。

对于风扇电机同时启动或停止，变频器的输出电流需满足

Io——变频器输出电流，1.15——过载能力，Ie——风扇电机额定电流。

该应用中，3台风扇电机为同时启动或停止，据式（6）得知

为了确保变频器的安全可靠工作，选择ABB变频器，输出电流为17A。

由此可知，控制1组冷却器的3台风扇，选用风机泵类专用变频器，其输出电流为17A即可。

3.3 速度调节

冷却风扇速度的变化，是根据变压器顶层油温和变压器负荷变化确定变频器的运行状态和输出频率，由Pt100铂电阻采集变压器顶层油温的实时变化，通过建立多变量输入单变量输出的数学模型即频率与油温、负荷等变化的关系式，控制变压器顶层油温在给定值范围内变化，其控制由可编程序控制器PLC完成，有关数学模型及控制程序已经非常成熟。

4 总结

变频调速技术运用可以实现风扇电机的工作状态由不均衡的工频模式改为根据变压器油温和负载变化，均衡调整转速的变频模式。通过实时采集变压器顶层油温模拟量信号及负载率变化等运行参量，确定冷却风扇的优化控制方案，合理安排风扇电机的启动条件、运行转速及冷却器的运行组数等，实现风扇冷却功率随变压器负荷大小、发热量大小进行实时调节变化，满足负载增大，油温升高时，则增加风量，冷却容量增大；负载减小，油温降低时，则减小风量，低负荷节能优先，减少热冗余浪费，经济运行，综合节能可达到30%-50%；高负荷控温优先，迅速提高冷却能力，一定条件下可提高变压器负载能力，从而实现变压器油温在一定范围内波动，不存在冷却容量过大或不足的现象。同时变频调速技术运用，启动电机时以低频启动，克服电机直接启动造成的冲击电流，避免冷却风扇在投切时产生拉弧，延长电机和接触器的使用寿命，减少维护工作量；优化控制，最佳运行转速，风扇在低频下使用，相对于运行在工频状态下可以降低运行噪音10%-30%。因此，变频调速技术在主变压器风冷系统上的应用研究可延长变压器绝缘寿命，提高变压器负载能力，节能降噪，运行安全可靠。

［1］李明辉,焦联国.变频调速系统的抗干扰分析[J].电机与控制应用,2010(08).

［2］郭清滔.小电流接地系统故障选线方法综述[J].电力系统保护与控制,2010,38(2)：146-152.

［3］GB 1094.2—1996电力变压器第2部分温升[S].

［4］JB／T 5777.2—2002.20电力系统二次电路用控制及继电保护屏(柜、台)通用技术条件[Z].

［5］JB／T 8315—2007变压器用强迫油循环风冷却器标准[S].