朱家斌?孫明皓?姚博

摘? 要：通過(guò)對(duì)某電廠一次風(fēng)機(jī)變頻器工作原理的介紹，在工頻方式運(yùn)行和變頻方式運(yùn)行時(shí)電流、有功功率、無(wú)功功率等數(shù)據(jù)的分析，表明變頻器投入運(yùn)行后可為負(fù)荷提供大量無(wú)功補(bǔ)償、提高變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)，在降低的運(yùn)行電流中無(wú)功分量較多，單純以負(fù)載運(yùn)行電流降低的數(shù)值作為變頻器節(jié)能量的計(jì)算依據(jù)不準(zhǔn)確。為變頻器節(jié)能量計(jì)算提供實(shí)際數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：變頻器;節(jié)能;有功功率;無(wú)功功率;電流

中圖分類號(hào)：TN773? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）02-0060-03

Abstract： Through the introduction of the working principle of the once primary fan frequency converter in a power plant and the analysis of the current， active power， reactive power and other data during the operation of the power frequency mode and frequency conversion mode， it is shown that the frequency converter can provide a large amount of reactive power compensation for the load after being put into operation， improve the input power factor of the frequency converter. There are many reactive components in the reduced operating current， so it is inaccurate to simply take the value of the reduced load operating current as the calculation basis of the energy saving of the frequency converter. Provide actual data for energy conservation calculation of frequency converter.

Keywords： frequency converter; energy conservation; active power; reactive power; current

0? 引? 言

變頻器以其良好的節(jié)能效果、優(yōu)異的調(diào)節(jié)特性被應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是大功率高壓變頻器的應(yīng)用更加廣泛。對(duì)于變頻器節(jié)能量的認(rèn)定，有的用電度表（即有功功率）作為計(jì)算依據(jù)，有的用負(fù)載運(yùn)行電流降低的數(shù)值作為計(jì)算依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)某電廠一次風(fēng)機(jī)節(jié)能數(shù)據(jù)的解析，為今后變頻器節(jié)能量計(jì)算提供實(shí)際數(shù)據(jù)。

1? 設(shè)備介紹

1.1? 一次風(fēng)機(jī)電機(jī)簡(jiǎn)介

某電廠鍋爐使用的兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)為上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為STMKK560-4S電機(jī)，其額定參數(shù)如下：功率為3000kW、電壓6000V、電流為332A、功率因數(shù)為0.91。為降低廠用電率、提高經(jīng)濟(jì)效益，電廠于2012年對(duì)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，為每臺(tái)電機(jī)增加一套大功率高壓變頻器。

1.2? 變頻器簡(jiǎn)介

改造用的變頻器選用的是由東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DHVECTOL系列變頻器，其型號(hào)為DHVECTOL-DI03550/06。變頻器額定參數(shù)如下：額定容量為3 550 kVA、額定輸入電壓為6 kV、額定輸入電流341.6 A、輸入頻率50 Hz、輸出頻率0～50 Hz、輸出電壓0～6 kV、輸出電流0～341.6 A。

1.3? 變頻器工作原理簡(jiǎn)介

電廠內(nèi)6 kV電源開(kāi)關(guān)經(jīng)電纜直接將電源與DHVECTOL系列大功率高壓變頻器內(nèi)的移相變壓器連接，移相變壓器將6kV電壓分別變換成不同相角的低壓電后分別供給各個(gè)功率單元。每相由多個(gè)功率單元構(gòu)成串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)功率單元輸出的交流低電壓經(jīng)過(guò)疊加后轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧慕涣鬏敵龈唠妷?。主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中顯示的結(jié)構(gòu)為每相5個(gè)功率單元。

由移相變壓器變換成不同相角的低壓三相交流電經(jīng)熔斷器進(jìn)入功率單元，通過(guò)三相全橋整流器整流變換成直流電、再經(jīng)過(guò)電容器組濾波后進(jìn)入IGBT元件，IGBT元件逆變后輸出單相交流電壓。由于電機(jī)額定電壓時(shí)確定的，因此變頻器輸出的額定相電壓也是一定的，每個(gè)功率單元輸出的單相交流電壓由每一相的功率單元數(shù)量所確定，功率單元數(shù)量越多、單臺(tái)功率單元輸出的電壓越小。電廠一次風(fēng)機(jī)的額定電壓為6 000 V，其相電壓為3 464 V。變頻器每相有8個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元輸出的單相交流電壓約為433V。三相功率單元的一端經(jīng)過(guò)短接形成中性點(diǎn)，三相的另外三個(gè)端口直接與電動(dòng)機(jī)相連。這種連接方式的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又常常稱為“單元串聯(lián)多電平”直接高壓變頻器結(jié)構(gòu)。

功率單元主要由電源側(cè)A、C兩相的熔斷器、負(fù)責(zé)將三相交流電變換成直流電的三相全橋整流器、濾波電容器組、直流母線、IGBT逆變橋和旁通回路構(gòu)成;同時(shí)每個(gè)功率單元還有一套電子控制部件，包括電源、驅(qū)動(dòng)板、保護(hù)監(jiān)測(cè)、通訊等組件組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個(gè)功率單元控制系統(tǒng)在接收到主控系統(tǒng)發(fā)送的 PWM 信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算、通過(guò)控制IGBT的觸發(fā)角度調(diào)整其工作狀態(tài)，將整流后的直流電逆變輸出 PWM 電壓波形。將每相N個(gè)功率單元輸出的PWM電壓波形進(jìn)行疊加，產(chǎn)生出2N+1個(gè)電壓階梯的多重化相電壓波形。F3521F5E-FEDC-48F0-9D92-299061994CD7

監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控功率單元狀態(tài)，并反饋回主控系統(tǒng)。當(dāng)某一個(gè)功率單元運(yùn)行期間出現(xiàn)異常、發(fā)生重故障時(shí)，該級(jí)功率單元進(jìn)入旁通狀態(tài)、停止工作。單臺(tái)功率單元旁通不影響變頻器整體運(yùn)行，當(dāng)引起旁通的故障原因消失之后，功率單元退出旁通運(yùn)行方式，自動(dòng)恢復(fù)到原工作狀態(tài)。

2? 節(jié)能數(shù)據(jù)解析

2.1? 一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流數(shù)據(jù)分析

分別選取鍋爐蒸發(fā)量基本一致情況下一次風(fēng)機(jī)在工頻、變頻兩種不同運(yùn)行方式時(shí)電機(jī)運(yùn)行電流進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1的數(shù)據(jù)中，主蒸汽流量均值為選取的時(shí)間段內(nèi)鍋爐產(chǎn)出蒸汽的平均值，電機(jī)電流均值為選取時(shí)間段內(nèi)兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)電流和的平均值。通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)鍋爐產(chǎn)出的蒸汽相近情況下，一次風(fēng)機(jī)變頻方式下的運(yùn)行電流比工頻方式的運(yùn)行電流下降很多，如果用鍋爐每產(chǎn)生一噸蒸汽所消耗的電機(jī)電流進(jìn)行節(jié)電率計(jì)算的話，如下列公式所示：

則一次風(fēng)機(jī)變頻器節(jié)電率為：

2.2? 一次風(fēng)機(jī)電度表數(shù)據(jù)分析

電廠在每臺(tái)一次風(fēng)機(jī)6 kV電源斷路器側(cè)安裝一臺(tái)多功能電度表，通過(guò)調(diào)取ECS系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以得到有功功率、無(wú)功功率電度表的表碼，進(jìn)而可以計(jì)算出一次風(fēng)機(jī)具體的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2、數(shù)據(jù)中，有功功率、無(wú)功功率均為單臺(tái)一次風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，計(jì)算是按小時(shí)計(jì)算的，即利用每小時(shí)電度表表碼的差值乘以電度表的倍率得出;視在功率和功率因數(shù)是利用下列計(jì)算得出。

式中，S為視在功率，P為有功功率，Q為無(wú)功功率，cosφ為功率因數(shù)。

2.2.1? 有功功率數(shù)據(jù)分析

通過(guò)表2中有功功率可以看出，一次風(fēng)機(jī)在變頻方式運(yùn)行時(shí)的有功功率與工頻方式運(yùn)行時(shí)的有功功率相比有明顯下降。在日常生產(chǎn)生活中，一般按照有功功率的多少作為設(shè)備耗電量計(jì)算的依據(jù)，根據(jù)公式1的計(jì)算原理將一次風(fēng)機(jī)有功功率帶入公式得出的節(jié)電率為：

2.2.2? 其他數(shù)據(jù)分析

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)可以看出，一次風(fēng)機(jī)在變頻方式運(yùn)行時(shí)，無(wú)功功率出現(xiàn)大幅下降、電源側(cè)的功率因數(shù)有了顯著的提高。通過(guò)圖2可以看出，變頻器功率單元內(nèi)有大量電容元件。這些電容元件不僅起到濾波、儲(chǔ)能的作用，也可以為負(fù)載提供無(wú)功補(bǔ)償，因此在變頻器投入運(yùn)行后可以大幅降低電源側(cè)的無(wú)功功率，進(jìn)而提高了電源側(cè)的功率因數(shù)。無(wú)功功率在電氣回路中起到建立電磁場(chǎng)、能量傳輸?shù)淖饔?，不能起到能量轉(zhuǎn)換的作用（即轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能等），因此在日常生產(chǎn)生活中無(wú)功功率不作為能量損耗的計(jì)算依據(jù)。

綜上所述，通過(guò)兩種不同方式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，以運(yùn)行電流降低的數(shù)值作為計(jì)算依據(jù)得出的變頻器節(jié)電率偏高。原因在于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流是通過(guò)電流變送器轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的，只顯示電動(dòng)機(jī)電流的有效值，其中包含了有功分量和無(wú)功分量;而通過(guò)電度表進(jìn)行節(jié)電率計(jì)算時(shí)，只計(jì)算有功功率降低的數(shù)值，無(wú)功功率的減少?zèng)]有計(jì)算。

在日常的生產(chǎn)生活中，無(wú)論是耗電量的分析、還是電費(fèi)的結(jié)算，均是以有功功率作為計(jì)算的依據(jù)。因此在進(jìn)行變頻器經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，以有功功率作為節(jié)能量計(jì)算的依據(jù)比較準(zhǔn)確。

3? 結(jié)? 論

無(wú)論是用設(shè)備運(yùn)行電流變化數(shù)值作為計(jì)算的依據(jù)，還是用有功功率的變化值作為計(jì)算的依據(jù)，均能反映出變頻器的節(jié)能效果。設(shè)備運(yùn)行電流數(shù)據(jù)容易提取，利用電流變化來(lái)進(jìn)行分析變頻器的性能比較直觀和方便;而設(shè)備的有功功率需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取電度表的表碼，在經(jīng)過(guò)計(jì)算才能得出數(shù)據(jù)，不利于日常的運(yùn)行分析。但是如果需要對(duì)變頻器的節(jié)能效果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、分析的時(shí)候，采用有功功率作為計(jì)算的依據(jù)是較為準(zhǔn)確的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 邵丙衡.電力電子技術(shù) [M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

[3] 馮楊東.基于西門子S7-300T型CPU和S120變頻器對(duì)鋸鉆床系統(tǒng)的改造 [J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（18）：155-156.

[4] 白皓然.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)（第2版） [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017.8.

[5] 董峰.通用變頻器在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用中的問(wèn)題及對(duì)策 [J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（21）：56-57.

作者簡(jiǎn)介：朱家斌（1984.04—），男，漢族，遼寧鐵嶺人，高級(jí)工程師，發(fā)電部電氣運(yùn)行高級(jí)主管，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，本科，方向：電氣運(yùn)行管理工作。F3521F5E-FEDC-48F0-9D92-299061994CD7