呂朝剛　于得海

摘要：變頻調(diào)速技術(shù)是目前世界上技術(shù)先進、性能可靠的交流調(diào)速方式。目前變頻器雖然在技術(shù)和價格上還存在一定難題，隨著電力電子技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠的應(yīng)用也將更為廣泛，這一技術(shù)的推廣應(yīng)用將為火力發(fā)電廠在節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟效益、提高上網(wǎng)電價的競爭力方面發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)發(fā)電廠節(jié)能應(yīng)用

1變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介

1.1變頻器的產(chǎn)生背景異步電動機是生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備之一。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率往往不能隨負(fù)荷按比例變化。很多現(xiàn)代工業(yè)工程中需要對設(shè)備的轉(zhuǎn)速進行控制，例如造紙機轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速等等。近年來，隨著變頻器技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，使用變頻器對電動機電源進行技術(shù)改造成為十分有前途的事業(yè)。變頻器可以根據(jù)負(fù)荷的變化或者控制要求隨時改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而起到明顯的節(jié)能效果。目前，這已經(jīng)成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。

1.2變頻器簡介目前的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等部分組成。整流部分一般為三相橋式整流器，逆變部分為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)三相橋式逆變器，且輸出為脈寬調(diào)制(PWM)波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

現(xiàn)在，全世界范圍內(nèi)的變頻器應(yīng)用極為廣泛。主流的變頻器品牌包括：ABB、西門子、丹佛斯、施耐德等，基本上所有著名電氣設(shè)備廠商都有一系列的產(chǎn)品推出。從產(chǎn)品工藝和應(yīng)用技術(shù)上來看，現(xiàn)在的變頻器已經(jīng)非常成熟。

1.3變頻器調(diào)速原理變頻器通過控制電壓和頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

電機學(xué)中有如下公式：n=60f(1－s)/p

(1)

式中：n—異步電動機的轉(zhuǎn)速；

f—異步電動機的頻率；

S—電動機轉(zhuǎn)差率；

P—電動機極對數(shù)。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0—50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。實際應(yīng)用中，如果僅降低頻率，電機繞組的電流將會隨之增大，特別是當(dāng)頻率降到很低時，該問題就非常突出，電機將被燒壞。所以，為了防止電機燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。

2發(fā)電企業(yè)進行變頻調(diào)速節(jié)能改造的意義

現(xiàn)今電力系統(tǒng)改革正在不斷深化，廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)政策開展實施，降低廠用電率、降低發(fā)電成本，提高出廠電價的競爭力，就成為每個電廠的當(dāng)務(wù)之急?，F(xiàn)以裝機總?cè)萘?15.5MW(10.5MW×11)的柴油機發(fā)電廠為例，對其輔機設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)改造進行探討。

該火力發(fā)電廠的各種輔助動力設(shè)備中，風(fēng)機、水泵、油泵類負(fù)載占絕大部分，整個發(fā)電廠最高廠用電負(fù)荷記錄約為2.5MW，輔助動力設(shè)備中主滑油泵總?cè)萘繛?.99MW(0.09MW×11)，占發(fā)電廠廠用電40％，如果能夠采用變頻調(diào)速技術(shù)對輔機設(shè)備進行節(jié)電改造，效果是相當(dāng)明顯的。

3系統(tǒng)現(xiàn)狀描述

3.1設(shè)備簡介在該柴油機發(fā)電廠中，主滑油泵是發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)的重要組成部分，在管路固定的情況下，潤滑系統(tǒng)的滑油壓力為關(guān)鍵受控對象。機組處于運行狀態(tài)時，滑油壓力太低會影響機組潤滑效果，對機組運動部件造成損害；滑油壓力太高則對過濾器、管道及密封膠圈有破壞作用。潤滑系統(tǒng)的主滑油泵為德國萊斯特瑞慈(Leistritz)螺桿泵，由L2型滑油螺桿泵、滑油泵電機(嘯馳防爆90kW電機)和相關(guān)的機械調(diào)壓機構(gòu)等構(gòu)成。

3.2存在節(jié)能空間目前，此潤滑系統(tǒng)采用機械調(diào)壓機構(gòu)保證機組滑油壓力控制在允許的范圍內(nèi)，超出正常范圍的壓力全部由機械調(diào)壓機構(gòu)回流管道排放回油柜，這樣一來，電機輸出功率的很大一部分被排放掉，浪費了大量能源。根據(jù)滑油泵廠家資料顯示，滑油泵輸出壓力設(shè)計在0.8MPa，而該發(fā)電廠柴油機只需要0.6MPa就可滿足工況需要，滑油泵在0.6MPa、運動黏度15mm²/S、溫度85％℃寸所需要的功率為48KW，而滑油泵電動機功率為90KW，證明余量很大。咨詢生產(chǎn)廠家后得知，設(shè)計時選用大功率電動機的原因是由于螺桿泵起動時需要較大扭矩，如果起動方式是直接起動而電機儲量不夠時易燒毀電機，變頻技術(shù)在當(dāng)時還未能推廣，故選用大功率電動機來達(dá)到工況要求?，F(xiàn)在只需要配備比滑油泵功率稍大的電動機，通過變頻器實現(xiàn)高起動轉(zhuǎn)矩，并且用平滑無沖擊的軟起動就可以了。

3.3現(xiàn)有系統(tǒng)的弊端現(xiàn)有系統(tǒng)存在以下弊端：一是直接起動的交流電機因起動電流大(通常為額定電流的5—7倍)，在很短的起動過程中，籠型繞組或阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，致使籠條(或?qū)l)和端環(huán)在很高的應(yīng)力作用下疲勞斷裂；二是直接起動時的大電流還會在繞組端部產(chǎn)生很大電磁力，使繞組端部變形和振動，造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿；三是直接起動時的大電流還會造成鐵心振動，使鐵心松弛，引起電動機的發(fā)熱：四是機械調(diào)壓方式經(jīng)常導(dǎo)致滑油泵出口壓力變化偏大，不符合發(fā)電機需要出口壓力平穩(wěn)的技術(shù)特點，影響發(fā)電機設(shè)備壽命。

4改造措施

4.1改造方案①異步電動機采用軟起動方式在火力發(fā)電廠中，大容量交流異步電動機應(yīng)用非常廣泛，由于直接起動所造成的電動機燒毀和轉(zhuǎn)子斷條事故屢屢發(fā)生，給主機設(shè)備的安全經(jīng)濟運行帶來很大的威脅，因此大容量異步電動機采用軟起動方式，對于延長電動機使用壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證正常生產(chǎn)是非常必要的。②在潤滑系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)在潤滑系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器以及配套的控制系統(tǒng)根據(jù)滑油壓力來調(diào)節(jié)滑油泵的電機轉(zhuǎn)速，避免了電機頻率恒定、滿負(fù)荷輸出而帶來的電能浪費。而且，每次起?；捅脮r，變頻器使電機按照一定的斜率加速，對電機本身和相關(guān)的機械機構(gòu)的沖擊都大大減少，從而延長了設(shè)備的使用壽命。

4.2改造所需設(shè)備每改造1臺機組的滑油系統(tǒng)，就需要配套使用如下設(shè)備：1臺110KV變頻器、斷路器、電抗器、綜合保護器、變頻器柜、變頻控制器、2臺接觸器及相關(guān)的通信軟件。

4.3控制策略一般情況下，滑油泵電機的進線電源來自變頻器，另有旁路電源作為故障備用。當(dāng)運行人員啟動滑油泵時，變頻器驅(qū)動滑油泵電機以一定斜率增速起動。滑油壓力傳感器將滑油系統(tǒng)當(dāng)前的滑油壓力數(shù)值反饋回變頻器系統(tǒng)的控制裝置，控制裝置根據(jù)反饋的壓力數(shù)值和操作人員預(yù)先設(shè)定的滑油系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)壓力值進行比較運算，然后變頻器向滑油泵電機輸出一個特定的頻率，使滑油泵電機以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從而使滑油系統(tǒng)當(dāng)前的滑油壓力數(shù)值維持在一個最合適的壓力范圍內(nèi)。這樣，通過泄壓裝置回流的潤滑油非常

少，避免了能源浪費。

變頻器自動調(diào)節(jié)需要的壓力反饋信號從機組的傳感器設(shè)備中直接獲得，控制邏輯由控制設(shè)備內(nèi)部的軟件實現(xiàn)，可以通過編程，按照經(jīng)驗值設(shè)定調(diào)節(jié)范圍，選擇合理的控制參數(shù)?；趶S內(nèi)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，可以使變頻系統(tǒng)通過控制網(wǎng)絡(luò)與其無縫集成，變頻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、運行模式選擇、起停等既可就地進行操作也可在主控室遙控，運行值班人員可以在主控室的電腦畫面上實時監(jiān)控變頻系統(tǒng)狀態(tài)。

5改造方案的特點

5.1與現(xiàn)有工藝完全配合，無技術(shù)風(fēng)險只改動電氣驅(qū)動部分，對現(xiàn)有滑油系統(tǒng)工藝無影響，不會因為變頻改造而產(chǎn)生任何不可靠因素。當(dāng)變頻系統(tǒng)進行檢修時，運行人員只需稍做操作，就可以將系統(tǒng)切換成原來的狀態(tài)，使原有的機械調(diào)節(jié)裝置能夠重新發(fā)揮作用，做到了平滑切換、無風(fēng)險整合。

5.2可靠性好使用國際名牌變頻器，技術(shù)成熟，類似的解決方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。而且，在參數(shù)設(shè)置時，充分考慮了廣州地區(qū)高溫、高濕的環(huán)境特性，將變頻器電流限幅為低于額定電流的狀態(tài)，以保證設(shè)備長期良好運行。除了變頻器涉及的基本電氣回路外，對廠里的一次回路沒有改動，基本不會因為變頻系統(tǒng)的安裝和運行而對其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使系統(tǒng)的可靠性進一步提高。

5.3與現(xiàn)有控制系統(tǒng)緊密集成該廠現(xiàn)有的主要控制系統(tǒng)是用于機組控制的控制系統(tǒng)、相關(guān)的控制網(wǎng)絡(luò)及上位機軟件系統(tǒng)。改造時，我們將變頻系統(tǒng)和現(xiàn)有的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成，使其與機組控制系統(tǒng)直接通信，以實現(xiàn)全自動控制和調(diào)節(jié)。經(jīng)過編程和組態(tài)，變頻系統(tǒng)的相關(guān)運行參數(shù)可以直接顯示到上位機控制軟件的監(jiān)控畫面上，不僅便于運行人員監(jiān)控和遙控，而且便于檢修人員維護，管理人員也能夠通過遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)了解變頻系統(tǒng)的相關(guān)信息。

6其他技術(shù)細(xì)節(jié)探討

6.1相關(guān)的傳感器和控制系統(tǒng)

變頻器自動調(diào)節(jié)需要的壓力反饋信號從機組的傳感器設(shè)備中直接獲得，控制邏輯由控制設(shè)備內(nèi)部的軟件實現(xiàn)，可以通過編程，按照經(jīng)驗值設(shè)定調(diào)節(jié)范圍，選擇合理的控制參數(shù)。

6.2遠(yuǎn)程監(jiān)控改造中變頻器采用施耐德公司產(chǎn)品，與發(fā)電機控制系統(tǒng)為同一公司生產(chǎn)，其通信功能易與發(fā)電機現(xiàn)有工控網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成，直接采集現(xiàn)有滑油系統(tǒng)壓力值調(diào)節(jié)變頻器，達(dá)到發(fā)電機工況要求，避免因另外設(shè)點而導(dǎo)致采集值與原值有差異，造成發(fā)電機保護誤動作或不動作。變頻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、運行模式選擇、起停等既可就地操作也可在主控室遙控，運行值班人員可以在主控室的電腦畫面上實時監(jiān)控變頻系統(tǒng)狀態(tài)。

6.3高次諧波抑制由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負(fù)載。變頻器在現(xiàn)場通常與其它設(shè)備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。

在清楚地了解詣波產(chǎn)生的原因之后，治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑等方法?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了無源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補混合使用的方式，可充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補償性能好的優(yōu)點，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點。兩者結(jié)合使用，從而使整個系統(tǒng)獲得良好的性能，力求將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社.2005.