光大環(huán)保能源（江陰）有限公司 汪明浩

電力設備屬于系統(tǒng)性的設備工程，在實踐階段中通過變頻技術(shù)的應用可以提高電力設備的運轉(zhuǎn)能力滿足節(jié)能減排的需求。因此對變頻技術(shù)的應用要點進行分析，總結(jié)出更為科學有效的技術(shù)方案是本文的研究重點。

1 意義分析

對于電力企業(yè)而言，在實踐的階段中電力設備運轉(zhuǎn)效率的高低，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益。根據(jù)當前現(xiàn)狀分析，隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展變頻技術(shù)的出現(xiàn)，給電力設備的運轉(zhuǎn)提供了良好的支持，通過變頻節(jié)能技術(shù)的應用能夠提高基礎運行工作效率，保證工作質(zhì)量達到節(jié)能要求以及目標要求。同時在實踐的階段中通過變頻節(jié)能技術(shù)的應用可以對現(xiàn)有的機電設備功能完善，使其改善傳統(tǒng)的運行方式，在結(jié)合新技術(shù)背景下，達到電力設備的高效能運轉(zhuǎn)需要，能夠在一定的范圍內(nèi)，確保電力設備發(fā)電機組的安全運行以及穩(wěn)定運行，對企業(yè)的未來發(fā)展有著非常重要的幫助。

2 變頻調(diào)速技術(shù)概述

變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成較為復雜，主要的設備就是變頻器、交流電動機、控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般會進行電動機電源頻率調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，性能優(yōu)越，提速效果良好。

2.1 變頻器概述

2.1.1 變頻器的基本概念

變頻器是變頻驅(qū)動器的簡稱，一般也可以叫做驅(qū)動控制器，這是靜態(tài)化的電能控制系統(tǒng)，對于電能使用量的控制優(yōu)勢明顯。該設備的功能實現(xiàn)是利用改變電力半導體器開關(guān)的狀態(tài)以實現(xiàn)工頻電源調(diào)整為其他的頻率，所以性能比較優(yōu)越，可以滿足多種條件下應用需要。

變頻器內(nèi)包含主回路、控制回路，這是主要的功能部件。主回路內(nèi)有整流、濾波、逆變等部分，但是要注意，整流的結(jié)構(gòu)部分與逆變的結(jié)構(gòu)部分利用其他功率元件更換使用，也可以達到功能性的要求。根據(jù)運行的需要，在中小型的變頻器的電路系統(tǒng)內(nèi)，逆變系統(tǒng)主要組成部分是IGBT 晶體管；容量相對較大的變頻器系統(tǒng)內(nèi)，逆變結(jié)構(gòu)為GTO 晶閘管。

2.1.2 變頻器的工作原理

了解變頻器運行原理，交流電源通過整流電路調(diào)節(jié)為直流電源，儲能電容元件會達到濾波的穩(wěn)定性效果，控制回路結(jié)合目前的控制要實現(xiàn)逆變器晶閘管的開啟和中斷。逆變器輸出一側(cè)的是電壓與頻率，為交流電源形式，所以電動機有足夠的能量可以運行，應用到控制精度與速度要求相對較低的場景之下。如果系統(tǒng)復雜性較高，控制速度、精度的要求是很高的，采用閉環(huán)控制方式。此時，電動機反饋信號能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)電路的控制。

3 變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)

從電力設備的運行實際情況出發(fā)，其會消耗比較多的電力能源以滿足系統(tǒng)運行的需要。當前世界范圍內(nèi)電能使用量最多的是風電、太陽能等節(jié)能能源，所以新能源電力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展速度較快，對于我國電力領域的發(fā)展起到一定的促進作用。從電力系統(tǒng)設備的組成分析發(fā)現(xiàn)，鍋爐風機、汽機水泵等設備是核心部件，其運行的基礎設備是交流電動機。因為這種設備在運行中需要達到恒速的標準，所以功率是比較大的，運行中會產(chǎn)生嚴重的能源消耗?；诖?，我們需要及時做出風機與水泵的改造，達到變頻運行的效果，對于節(jié)能環(huán)保效果的提升起到一定的促進作用。

3.1 電動機工作原理

3.1.1 異步電動機的機械特性

要想可以充分了解到電力設備的運行效果，對于電動機實施節(jié)能化改造，發(fā)揮出變頻系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，首先就要充分了解異步電動機的運行原理。從電動機的系統(tǒng)組成方面展開分析，異步電動機是通過電力能源驅(qū)動負載之下運行。從電動機的機械性能方面分析，其主要是電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系是研究的重點。本次主要從這一方面展開分析，以了解異步電動機的運行性能。

（1）額定轉(zhuǎn)矩TN

該參數(shù)和機械特性曲線b 點存在關(guān)系。從電機理論學方面展開分析，其具體的相應關(guān)系可見下式：

電動機在正常的運行中，負載處于變化的階段，要結(jié)合具體的情況隨時做出調(diào)整和處理，可以突破負載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩的平衡關(guān)系。比如電動機運行中負載增加的條件下，負載轉(zhuǎn)矩和電磁占據(jù)的平衡被突破，新出現(xiàn)的負載轉(zhuǎn)矩會超出電磁轉(zhuǎn)矩的要求，導致轉(zhuǎn)動速度逐步的降低，轉(zhuǎn)子和磁場的相對速度也會他提升，所以內(nèi)部電流參數(shù)會明顯的升高，電磁轉(zhuǎn)矩也會有所提高。在電磁轉(zhuǎn)矩升高到和負載轉(zhuǎn)矩一致的情況下，電動機就會從原先的低速運行的狀態(tài)逐步的進入到全新平衡狀態(tài)[1]。

（2）最大轉(zhuǎn)矩TMAX

該參數(shù)可根據(jù)圖1的c 點對應分析。異步電機的正常工作環(huán)節(jié)，電磁轉(zhuǎn)矩會有上限值，電磁轉(zhuǎn)矩就會處于相對恒定的狀態(tài)，不會再增大，電動機的運行速度也會降低。隨著系統(tǒng)繼續(xù)運行，負載轉(zhuǎn)矩也會有所的升高，電動機的運行速度會明顯的下降，甚至還會出現(xiàn)完全不轉(zhuǎn)的情況。這樣的情況之下，電動機轉(zhuǎn)子電流會升高，如果長期的運行極易造成熱量的升高，甚至還會出現(xiàn)燒毀的情況。通常來說，應用過載系數(shù)λm 表示過載能力，可見下式：

通常來說，三項異步電動機啟動時，參數(shù)λst=1～1.2。

3.1.2 電動機的控制原理

經(jīng)過計算公式分析發(fā)現(xiàn)，電動機的運行效率和電源頻率、電動機極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率有著一定的關(guān)聯(lián)。電動機運行的情況下，極對數(shù)通常是恒定的，這樣的情況下電機轉(zhuǎn)速和電源頻率是正比關(guān)系存在。為了對于電動機原理有充分了解，得出如下電機等效電路圖,見圖1。

圖1 電機等效電路圖

綜合分析上述的基本知識，電機在工作環(huán)節(jié)，最大電磁轉(zhuǎn)矩用下式計算：

由于r1<<（x1σ+σ1x2a），上述公式可以簡化為以下公式：

式中，Mm——電動機最大電磁轉(zhuǎn)矩；

ml——電動機繞組的相數(shù)（一般ml=3）；

ul——電動機供電電壓；

σ1——等效電路中的校正系數(shù)，σ1=1+x1/xm。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)計算分析，可以得出如下結(jié)論：電動機工作環(huán)節(jié)，電源電壓降低的情況下，也會導致工作效率降低；通常來說，電動機的運行效果和質(zhì)量，對于漏抗有直接影響；電機電源變化不定的情況下，電動機運行效果和電源頻率是反比，即電源頻率較高時，工作效率和能力較低。

3.2 變頻調(diào)速節(jié)能原理

電力設備內(nèi)，高壓泵類、風機等設備的能耗量是最大的。從實際情況分析，需要提供充足的能源才能滿足運行的標準。基于此，本文重點分析水泵、風機等負載結(jié)構(gòu)的特性[2]。

3.2.1 水泵類

電廠內(nèi)水泵負載是比較多的，主要是從水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵的方面展開分析。通常情況下，水泵輸出的單位流量時，電動機的運行功率對于水泵的節(jié)能性存在直接的關(guān)系。當前比較常用的分析方式時出口閥調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)，其中出口閥調(diào)節(jié)是重要的調(diào)節(jié)方式。該方式在具體的使用環(huán)節(jié)，通過水泵輸出管道上設置調(diào)節(jié)閥門的方式進行調(diào)整，可以改變閥門的開啟程度以保證流量處于合理的范圍內(nèi)。操作效果比較明顯，運行也比較穩(wěn)定可靠，根據(jù)實際情況需要對于電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，電動機功率較大的情況下，經(jīng)濟性較低。變速調(diào)節(jié)方式時主流節(jié)能操作方式，利用調(diào)整水泵葉輪的轉(zhuǎn)動速度以實現(xiàn)流量的調(diào)整。根據(jù)目前的技術(shù)規(guī)范和標準，具體通過下式計算確定：

式中，KQ——流量比例常數(shù)。對于水泵負載，阻轉(zhuǎn)矩TL 與電動機轉(zhuǎn)速n 之間的計算表達式如下：

由于損耗T0通常是很小的，所以一般不會考慮，這樣的情況下，阻轉(zhuǎn)矩TL 確定為和電動機轉(zhuǎn)速的平方是正比的關(guān)系。電動機運行之下，其運行功率PL 通過下式計算：

上式得出的數(shù)據(jù)帶入下式：

式中，KP——功率比例常數(shù)。如果不計算P0的情況，電動機的運行功率和流量是正比的關(guān)系，所以要結(jié)合實際情況展開分析。具體分析各個數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，表示變頻調(diào)速方式在電廠水泵電流控制中，可以發(fā)揮出系統(tǒng)節(jié)能效果，總體運行效果良好。

3.2.2 風機類

在電廠內(nèi)，風機負載也是比較大的，比如送風機、引風機等，所以這類設備的節(jié)能空間也是巨大的。當前的風機的風量調(diào)節(jié)方式包含風機轉(zhuǎn)速以及風口閥門進行調(diào)整，其運行工況特點曲線可見圖3。曲線1可以發(fā)現(xiàn)其額定轉(zhuǎn)速是風壓—風量特點，曲線2為閥門全部開啟之后的管網(wǎng)的風阻特點。上述兩條曲線的交叉點A 式風機自然運行工況特點，這樣的情況相應的風壓與風量為H1和Q1。在風量比Q2小的情況下，如果應用風門調(diào)整的方式保證風量處于合理范圍內(nèi)，就可以降低風阻，其形成曲線3，與曲線1相交在B 點，這樣出現(xiàn)的風壓與風量是H2和Q2。

圖2 電動機耗用功率-流量圖

圖3 風機節(jié)能效果示意圖

選擇應用調(diào)速的方式進行風量的調(diào)整，根據(jù)相應風機比例參數(shù)做出調(diào)整，得到風機特性曲線4，和曲線2的交點為C，這樣就可以得到風壓與風量為H3和Q3。從理論數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，了解圖3中A、B、C 三個工況正常工作的情況下，電網(wǎng)的電動機運行功率PA、PB、PC 分別與A、B、C 三點風壓與風量乘積為正比，即與圖3中矩形AH1OQ1、BH2OQ2、CH3OQ2的面積成正比。從圖中可以明顯看出，PB 略小于PA，而PC 遠小于PA。與風門調(diào)整控制風量的方法對比分析，調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)風量的全面控制，提高總體的節(jié)能效果和質(zhì)量。

3.3 高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應用

高壓電動機的運行電壓是比較大的，因為其功率較大，具備極高的抗沖擊效果，所以被大量的應用到發(fā)電企業(yè)內(nèi)，可以滿足系統(tǒng)運行標準。和高壓電動機配套使用的高壓電動機變頻器為高壓變頻器。我國電子技術(shù)的高速發(fā)展背景之下，高壓邊坡調(diào)速技術(shù)在不斷的成熟，對于電力領域的節(jié)能效果有著重要的影響。變頻器的加入，增加運行功率是發(fā)展的主要方向。

但是因為單個變頻器的電壓是很小的，在變頻器功率增加到一定參數(shù)后，電流較高，甚至超出系統(tǒng)的承載能力。因此，高壓變頻器在安裝時應該使用多個低壓變頻單元串聯(lián)形成整體結(jié)構(gòu)，電壓輸出達到正?；献畲蠊β实淖兓?。高壓變頻器在以往的設計中，主要是通過和IGBT 串聯(lián)應用，其直流部分利用大電容進行濾波和儲能的使用。這種形式的高壓變頻器正常運行中，所有串聯(lián)橋臂的IGBT 功率元件都可以互為備用，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。因為這種方式的運行和變頻器拓撲結(jié)構(gòu)是一致的，這樣就可以通過矢量控制方式保證正常運行，且和低壓變頻器的功能性相同，在四個象限都可以運行。

這種設備的缺陷就是運行環(huán)節(jié)存在均壓的情況，為了消除這一問題，在線路內(nèi)增加緩沖電路和驅(qū)動電路即可。同時，在IGBT 驅(qū)動電路工作的過程中，延時要求很高，如果沒有做好開通、關(guān)斷的控制，會導致元件損壞嚴重。我國近年來研發(fā)和應用的高頻變壓器拓撲結(jié)構(gòu)形式，其系統(tǒng)內(nèi)部的主要組成結(jié)構(gòu)是隔離變壓器、串聯(lián)功率單元、控制單元等。這種形式的變頻器設計為模塊的形式，將傳統(tǒng)的IGBT 串聯(lián)調(diào)整為功率單元相互串聯(lián)的方式，利用驅(qū)動電動機正常工作，沒有濾波器、變壓器等設施。以6kV 變頻器為例，通常來說其系統(tǒng)內(nèi)包含15個或18個功率單元，即每相包括5個或者6個功率單元，在系統(tǒng)內(nèi)采用星型方式連接，交流電動機可以正常的運行。

各個功率電源內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)是一致的，相互可以作為備用使用，其可以滿足政策的運行需要。變頻器采用多重PWM 控制，脈沖為30或36，功率相對比較低，諧波也不高，輸出波形和正弦波是基本相似的。這種變頻器的主要應用技術(shù)是光纖通信，產(chǎn)品運行效果良好，抗干擾能力較高。變頻器的功率單元內(nèi)設置有旁路通電運行功能，在故障運行的條件下可以確保變頻器的連續(xù)運行，確保系統(tǒng)的各項功能不會受到任何的影響，總體來說運行效率較高，節(jié)能性良好，不會出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題。

4 結(jié)語

綜合以上敘述，在電力設備中通過變頻節(jié)能技術(shù)的應用，不僅能夠提高電力設備的運轉(zhuǎn)效率。同時還能夠達到節(jié)能減排的要求，所以在變頻節(jié)能技術(shù)應用時需要綜合電力設備的實際需求，做好技術(shù)應用方案的選擇，保證變頻節(jié)能技術(shù)的作用價值能夠發(fā)揮出來，如此才能夠提高電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率。