探究电力设备中变频节能技术应用

2022-01-17光大环保能源江阴有限公司汪明浩

电力设备管理 2021年15期

光大环保能源（江阴）有限公司汪明浩

电力设备属于系统性的设备工程，在实践阶段中通过变频技术的应用可以提高电力设备的运转能力满足节能减排的需求。因此对变频技术的应用要点进行分析，总结出更为科学有效的技术方案是本文的研究重点。

1 意义分析

对于电力企业而言，在实践的阶段中电力设备运转效率的高低，直接影响到企业的经济效益。根据当前现状分析，随着我国科学技术的不断发展变频技术的出现，给电力设备的运转提供了良好的支持，通过变频节能技术的应用能够提高基础运行工作效率，保证工作质量达到节能要求以及目标要求。同时在实践的阶段中通过变频节能技术的应用可以对现有的机电设备功能完善，使其改善传统的运行方式，在结合新技术背景下，达到电力设备的高效能运转需要，能够在一定的范围内，确保电力设备发电机组的安全运行以及稳定运行，对企业的未来发展有着非常重要的帮助。

2 变频调速技术概述

变频调速系统的组成较为复杂，主要的设备就是变频器、交流电动机、控制系统，该系统一般会进行电动机电源频率调节电动机转速，性能优越，提速效果良好。

2.1 变频器概述

2.1.1 变频器的基本概念

变频器是变频驱动器的简称，一般也可以叫做驱动控制器，这是静态化的电能控制系统，对于电能使用量的控制优势明显。该设备的功能实现是利用改变电力半导体器开关的状态以实现工频电源调整为其他的频率，所以性能比较优越，可以满足多种条件下应用需要。

变频器内包含主回路、控制回路，这是主要的功能部件。主回路内有整流、滤波、逆变等部分，但是要注意，整流的结构部分与逆变的结构部分利用其他功率元件更换使用，也可以达到功能性的要求。根据运行的需要，在中小型的变频器的电路系统内，逆变系统主要组成部分是IGBT 晶体管；容量相对较大的变频器系统内，逆变结构为GTO 晶闸管。

2.1.2 变频器的工作原理

了解变频器运行原理，交流电源通过整流电路调节为直流电源，储能电容元件会达到滤波的稳定性效果，控制回路结合目前的控制要实现逆变器晶闸管的开启和中断。逆变器输出一侧的是电压与频率，为交流电源形式，所以电动机有足够的能量可以运行，应用到控制精度与速度要求相对较低的场景之下。如果系统复杂性较高，控制速度、精度的要求是很高的，采用闭环控制方式。此时，电动机反馈信号能够实现系统电路的控制。

3 变频调速节能控制技术

从电力设备的运行实际情况出发，其会消耗比较多的电力能源以满足系统运行的需要。当前世界范围内电能使用量最多的是风电、太阳能等节能能源，所以新能源电力发电系统的发展速度较快，对于我国电力领域的发展起到一定的促进作用。从电力系统设备的组成分析发现，锅炉风机、汽机水泵等设备是核心部件，其运行的基础设备是交流电动机。因为这种设备在运行中需要达到恒速的标准，所以功率是比较大的，运行中会产生严重的能源消耗。基于此，我们需要及时做出风机与水泵的改造，达到变频运行的效果，对于节能环保效果的提升起到一定的促进作用。

3.1 电动机工作原理

3.1.1 异步电动机的机械特性

要想可以充分了解到电力设备的运行效果，对于电动机实施节能化改造，发挥出变频系统的节能优势，首先就要充分了解异步电动机的运行原理。从电动机的系统组成方面展开分析，异步电动机是通过电力能源驱动负载之下运行。从电动机的机械性能方面分析，其主要是电动机的转速与转矩之间关系是研究的重点。本次主要从这一方面展开分析，以了解异步电动机的运行性能。

（1）额定转矩TN

该参数和机械特性曲线b 点存在关系。从电机理论学方面展开分析，其具体的相应关系可见下式：

电动机在正常的运行中，负载处于变化的阶段，要结合具体的情况随时做出调整和处理，可以突破负载转矩与电磁转矩的平衡关系。比如电动机运行中负载增加的条件下，负载转矩和电磁占据的平衡被突破，新出现的负载转矩会超出电磁转矩的要求，导致转动速度逐步的降低，转子和磁场的相对速度也会他提升，所以内部电流参数会明显的升高，电磁转矩也会有所提高。在电磁转矩升高到和负载转矩一致的情况下，电动机就会从原先的低速运行的状态逐步的进入到全新平衡状态[1]。

（2）最大转矩TMAX

该参数可根据图1的c 点对应分析。异步电机的正常工作环节，电磁转矩会有上限值，电磁转矩就会处于相对恒定的状态，不会再增大，电动机的运行速度也会降低。随着系统继续运行，负载转矩也会有所的升高，电动机的运行速度会明显的下降，甚至还会出现完全不转的情况。这样的情况之下，电动机转子电流会升高，如果长期的运行极易造成热量的升高，甚至还会出现烧毁的情况。通常来说，应用过载系数λm 表示过载能力，可见下式：

通常来说，三项异步电动机启动时，参数λst=1～1.2。

3.1.2 电动机的控制原理

经过计算公式分析发现，电动机的运行效率和电源频率、电动机极对数、转差率有着一定的关联。电动机运行的情况下，极对数通常是恒定的，这样的情况下电机转速和电源频率是正比关系存在。为了对于电动机原理有充分了解，得出如下电机等效电路图,见图1。

图1 电机等效电路图

综合分析上述的基本知识，电机在工作环节，最大电磁转矩用下式计算：

由于r1<<（x1σ+σ1x2a），上述公式可以简化为以下公式：

式中，Mm——电动机最大电磁转矩；

ml——电动机绕组的相数（一般ml=3）；

ul——电动机供电电压；

σ1——等效电路中的校正系数，σ1=1+x1/xm。

经过上述数据计算分析，可以得出如下结论：电动机工作环节，电源电压降低的情况下，也会导致工作效率降低；通常来说，电动机的运行效果和质量，对于漏抗有直接影响；电机电源变化不定的情况下，电动机运行效果和电源频率是反比，即电源频率较高时，工作效率和能力较低。

3.2 变频调速节能原理

电力设备内，高压泵类、风机等设备的能耗量是最大的。从实际情况分析，需要提供充足的能源才能满足运行的标准。基于此，本文重点分析水泵、风机等负载结构的特性[2]。

3.2.1 水泵类

电厂内水泵负载是比较多的，主要是从水泵、凝结水泵、循环水泵的方面展开分析。通常情况下，水泵输出的单位流量时，电动机的运行功率对于水泵的节能性存在直接的关系。当前比较常用的分析方式时出口阀调节和变速调节，其中出口阀调节是重要的调节方式。该方式在具体的使用环节，通过水泵输出管道上设置调节阀门的方式进行调整，可以改变阀门的开启程度以保证流量处于合理的范围内。操作效果比较明显，运行也比较稳定可靠，根据实际情况需要对于电动机转速进行调整，电动机功率较大的情况下，经济性较低。变速调节方式时主流节能操作方式，利用调整水泵叶轮的转动速度以实现流量的调整。根据目前的技术规范和标准，具体通过下式计算确定：

式中，KQ——流量比例常数。对于水泵负载，阻转矩TL 与电动机转速n 之间的计算表达式如下：

由于损耗T0通常是很小的，所以一般不会考虑，这样的情况下，阻转矩TL 确定为和电动机转速的平方是正比的关系。电动机运行之下，其运行功率PL 通过下式计算：

上式得出的数据带入下式：

式中，KP——功率比例常数。如果不计算P0的情况，电动机的运行功率和流量是正比的关系，所以要结合实际情况展开分析。具体分析各个数据分析发现，表示变频调速方式在电厂水泵电流控制中，可以发挥出系统节能效果，总体运行效果良好。

3.2.2 风机类

在电厂内，风机负载也是比较大的，比如送风机、引风机等，所以这类设备的节能空间也是巨大的。当前的风机的风量调节方式包含风机转速以及风口阀门进行调整，其运行工况特点曲线可见图3。曲线1可以发现其额定转速是风压—风量特点，曲线2为阀门全部开启之后的管网的风阻特点。上述两条曲线的交叉点A 式风机自然运行工况特点，这样的情况相应的风压与风量为H1和Q1。在风量比Q2小的情况下，如果应用风门调整的方式保证风量处于合理范围内，就可以降低风阻，其形成曲线3，与曲线1相交在B 点，这样出现的风压与风量是H2和Q2。

图2 电动机耗用功率-流量图

图3 风机节能效果示意图

选择应用调速的方式进行风量的调整，根据相应风机比例参数做出调整，得到风机特性曲线4，和曲线2的交点为C，这样就可以得到风压与风量为H3和Q3。从理论数据分析发现，了解图3中A、B、C 三个工况正常工作的情况下，电网的电动机运行功率PA、PB、PC 分别与A、B、C 三点风压与风量乘积为正比，即与图3中矩形AH1OQ1、BH2OQ2、CH3OQ2的面积成正比。从图中可以明显看出，PB 略小于PA，而PC 远小于PA。与风门调整控制风量的方法对比分析，调节风机转速可以实现风量的全面控制，提高总体的节能效果和质量。

3.3 高压变频调速节能技术应用

高压电动机的运行电压是比较大的，因为其功率较大，具备极高的抗冲击效果，所以被大量的应用到发电企业内，可以满足系统运行标准。和高压电动机配套使用的高压电动机变频器为高压变频器。我国电子技术的高速发展背景之下，高压边坡调速技术在不断的成熟，对于电力领域的节能效果有着重要的影响。变频器的加入，增加运行功率是发展的主要方向。

但是因为单个变频器的电压是很小的，在变频器功率增加到一定参数后，电流较高，甚至超出系统的承载能力。因此，高压变频器在安装时应该使用多个低压变频单元串联形成整体结构，电压输出达到正常化，符合最大功率的变化要求。高压变频器在以往的设计中，主要是通过和IGBT 串联应用，其直流部分利用大电容进行滤波和储能的使用。这种形式的高压变频器正常运行中，所有串联桥臂的IGBT 功率元件都可以互为备用，以保证系统运行的稳定性与安全性。因为这种方式的运行和变频器拓扑结构是一致的，这样就可以通过矢量控制方式保证正常运行，且和低压变频器的功能性相同，在四个象限都可以运行。

这种设备的缺陷就是运行环节存在均压的情况，为了消除这一问题，在线路内增加缓冲电路和驱动电路即可。同时，在IGBT 驱动电路工作的过程中，延时要求很高，如果没有做好开通、关断的控制，会导致元件损坏严重。我国近年来研发和应用的高频变压器拓扑结构形式，其系统内部的主要组成结构是隔离变压器、串联功率单元、控制单元等。这种形式的变频器设计为模块的形式，将传统的IGBT 串联调整为功率单元相互串联的方式，利用驱动电动机正常工作，没有滤波器、变压器等设施。以6kV 变频器为例，通常来说其系统内包含15个或18个功率单元，即每相包括5个或者6个功率单元，在系统内采用星型方式连接，交流电动机可以正常的运行。

各个功率电源内部的组成结构是一致的，相互可以作为备用使用，其可以满足政策的运行需要。变频器采用多重PWM 控制，脉冲为30或36，功率相对比较低，谐波也不高，输出波形和正弦波是基本相似的。这种变频器的主要应用技术是光纤通信，产品运行效果良好，抗干扰能力较高。变频器的功率单元内设置有旁路通电运行功能，在故障运行的条件下可以确保变频器的连续运行，确保系统的各项功能不会受到任何的影响，总体来说运行效率较高，节能性良好，不会出现严重的质量问题。