高压变频器在热电厂引风机的成功应用

　　1 引言

　　我国的电动机用电量约占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量约占全国电力消耗的1/3，造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调节方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量地消耗在挡板、阀门的截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率一般为20％～50％，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此推广交流变频调速装置效益显著。

　　2 改造前引风机运行能耗分析

　　某热电厂为2台410t/h循环流化床（cfb）锅炉，总装机容量为100mw汽轮发电机组，主要向某大型化工厂提供热电供应，供电标煤耗为360g/kw·h，高于行业平均水平。2台cfb锅炉各挂有2台高压引风机，型号为ykk630-6w-1250kw，变频改造前，额定1250kw的引风机电机正常运行负荷为830kw左右，其输出功率通过风门开度进行调节，正常状况下，风门开度基本维持在40%左右，相当大的一部分电能消耗在风门挡板上，能源浪费严重，节能潜力巨大。

　　3 节能改造原理分析

　　3.1 通用高压变频器简介

　　在交流异步电机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。通用变频器的工作原理如图1所示。

　　图1中，整流器的作用是把三相（或单相）的交流电整流成直流电。逆变器的作用是有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的变换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。控制电路：常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。

　　3.2 西门子罗宾康完美无谐波变频器原理

　　本次设备改造选用了西门子罗宾康完美无谐波变频器，型号为ph-6-6-1250，变频器的电路图如图2所示。输入隔离变压器t1的每一个次级仅供给一个功率单元，每个功率单元通过光纤接收调制信息以产生负载所需要的输出电源频率，每个功率单元可分为整流部分、直流环节和逆变部分。

　　单个功率单元原理图如图3所示，igbt工作原理如图4。当igbt q1、q4同时闭合时，电机上的电压为a点高，b点低；igbt其重要q2、q3同时闭合时，则电机上的电压为a点低b点高。这样和连续不断地交替开合，在电机两端就形成了一交变电压，也就是交流电。西门子完美无谐波变频器通过将多个低压功率单元（690v）的输出叠加起来得到近似于正弦波的中压（6kv）波形。图5为3个功率单元叠加后输出的近似正弦波波形。

　　3.3 引风机变频调速节电原理的计算

　　以2#炉引风机作为例，先分析改造前2＃cfb炉2台引风机（2a、2b）的运行工况和基本参数，如表1所示。

　　（1）2a引风机改造前工频运行功率

　　p1 =u×i×1.732×cosφ

　　＝6.3×90×1.732×0.85

　　＝835kw

　　其中运行功率因数cosφ取0.85。

　　（2）2a引风机改造后变频运行预计功率

　　按当地0.72元/kw·h平均外购电价（含税）和全年330天运行时间计算：

　　2a引风机每年节约电费约（835-436）×24×330×0.72＝227.5万元

　　将2a引风机改造前后的用电消耗数据对比，列表如表2所示。

4 工程应用

　　4.1 引风机变频控制方案的确定

　　基于上节分析，该热电厂对2台炉的各一台引风机进行变频改造。同时，为满足化工厂连续供热供电的要求，该引风机高压变频器应具备在线工、变频互相切换功能，即变频器故障可以自动切到工频运行，变频修复后，可以人工切回变频运行，而不影响锅炉连续正常运行。

　　引风机变频改造后的一次系统图如图6所示，dl是厂用变电所732#柜断路器；j1、j2、j3是与变频器配合使用实现工频/变频互相切换的断路器，变频控制方案如下：

　　（1）j1和j2闭合，j3断开为变频状态；j1和j2断开，j3闭合为工频状态。

　　（2）可通过dcs控制变频器输出频率。当选择自动时，按炉膛负压设定值自动调节输出；选择手动时，输出值由操作人员手动输入，输入值为0～100％，对应于变频器输出0～50hz。

　　（3）人工变频转工频：由dcs发信号，使j1和j2跳闸后，再使j3合闸，完成后，需要人工在dcs画面对变频转工频复位，变频转工频完成。

　　（4）变频器故障时转工频：出现变频器故障时dcs系统立即发出报警，把入口风门回关到一定开度（40%），同时变频器故障时发信号使j1和j2跳闸以及时间继电器sj得电，延时使j3合闸，变频转工频完成。此时炉膛负压会有一定波动，操作人员可以进行人工干预，确保锅炉压力平稳。

　　（5）工频转变频：由dcs发信号使j3分闸，j1合闸。延时2s后，j2合闸（躲开电机反电动势的影响），工频转变频完成。

　　（6）引风机变频控制操作流程方案，如图7所示。

　　4.2 调试情况

　　4.2.1 第一次调试（电机空载）

　　（1）变频切工频试验：人工从远方dcs发变频切工频命令，j1、j2断路器跳闸，j3断路器合闸，电机由变频转入工频运行，切换成功，电机运转正常。

　　（2）工频切变频试验（第一次）：dcs发工频切变频命令，j3跳闸，j1、j2合闸，j1、j2合闸后，变频器的过电流（ioc）报警动作，再次跳开j1、j2后合j3切回工频运行。工频切变频不成功。

　　（3）我们考虑可能是电动机的反电势与j1上侧电源不同期，造成变频器ioc动作，于是将j2合闸辅助触点串入j1，使j2合闸后j1才能合闸。

　　（4）工频切变频试验（第二次）：电机启动后，人工跳j3，合j2，此时未合上j1，随即变频器输出“ioc”报警，因变频故障自动回切工频，因此可以证明，“ioc”来自j1合闸及变频器启动之前。

　　（5）经过上一步可以确认，ioc报警是由于电动机的反向电动势造成的，为躲开电机反电势的影响，我们对控制回路进行改造，串入时间继电器sj，即j3跳闸后，延时合j1、j2，初步整定延时时间为4s。

　　（6）工频切变频试验（第三次）：由dcs发工频切变频命令，切换成功，由于是此时电机为旋转负载，变频器对运转的电机进行捕捉再起动，时间较长，经过约50s，电机才达到了正常额定转速1000r/min，不能满足炉膛压力（±2.5kpa）的需要。

　　（7）工频切变频试验（第四次）：将sj延时时间调整为5s，第四次dcs发工频切变频命令，切换成功，但变频器捕捉再起动时间更长，经过约100s，电机才达到了正常额定转速1000r/min，不能满足炉膛压力的需要。

　　4.2.2 第二次调试（电机空载）

　　经过研究变频器的说明书，变频器具有应对旋转负载的特性，允许变频器测定已经处于运转状态的电机的速度，变频器可以向电机提供与旋转电机频率相同的输出电压，使得变频器供电时对电机的冲击最