摘要：本文介紹了國(guó)產(chǎn)多電平高壓變頻器的原理及其在建設(shè)兵團(tuán)奎屯電廠中的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，對(duì)電廠循環(huán)泵設(shè)備進(jìn)行變頻改造后，節(jié)能效果非常明顯，并提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性，改善了水泵和電機(jī)的使用壽命。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 節(jié)能
Application of High Voltage Inverter
In KuiTun Thermal Power Plant of XinJiang
Abstract: This paper describes the chief principle of high voltage inverter and introduces its application in KuiTun Thermal Power Plant of XinJiang. The result shows that the power plant can acquire obvious benefit by using high voltage inverter, such as saving a lot of energy, improving the reliability of the system, and the operating life of the water pump and motor.
Keywords: High Voltage Inverter, Energy Saving
1 引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源問(wèn)題日益的突出，節(jié)能問(wèn)題愈來(lái)愈受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)各類電機(jī)年耗電量約占全國(guó)總發(fā)電量的65%，而其中大功率風(fēng)機(jī)、泵類是年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%，最大限度地降低風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備的耗電量對(duì)于節(jié)能具有重要意義。
建設(shè)兵團(tuán)新疆奎屯電廠二廠裝機(jī)容量為2×250MW。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的，經(jīng)熱交換后的熱水進(jìn)入冷卻設(shè)施進(jìn)行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復(fù)將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用。由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚(yáng)程也基本穩(wěn)定，而其容量按計(jì)算水量確定。兩臺(tái)機(jī)組使用共有循環(huán)水管供水，配備4臺(tái)功率為176KW循環(huán)水泵，配套電機(jī)為250KW/6KV及220KW/6KV各兩臺(tái)。
在變頻改造前，水量調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)水泵閥門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，水泵及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效率工作區(qū)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)由于奎屯電廠屬于獨(dú)立電網(wǎng)，工頻直接啟動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊都很大，并容易造成電機(jī)籠條松動(dòng)、有開(kāi)焊斷條的危險(xiǎn)。
基于以上原因，奎屯電廠決定對(duì)機(jī)組循環(huán)水泵進(jìn)行了變頻改造，通過(guò)考察，最后選擇廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰拘吞?hào)為MLVERT-D06/320的變頻器對(duì)兩臺(tái)250KW/6KV電機(jī)進(jìn)行“一拖二”改造。
2 高壓變頻器的組成和原理
MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰旧a(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，無(wú)電網(wǎng)污染的調(diào)速系統(tǒng)，采用的結(jié)構(gòu)為多單元串聯(lián)，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風(fēng)機(jī)、泵類工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認(rèn)可。下面以6kV系列為例說(shuō)明其原理，變頻器主電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。
圖1 高壓變頻器主電路原理圖
該高壓變頻器具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。
2.1 輸入變壓器
MLVERT-D06系列高壓變頻器的輸入側(cè)隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分成6個(gè)不同的相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)。每個(gè)副邊繞組接一個(gè)功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 功率單元
如圖1，電網(wǎng)送來(lái)的三相6KV/50HZ交流電經(jīng)輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來(lái)，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個(gè)額定電壓為580V的功率單元串聯(lián)得到，輸出相電壓 3480V，線電壓可達(dá)6kV。
每個(gè)功率單元采用電壓源型結(jié)構(gòu)，直流環(huán)節(jié)為濾波電容，電機(jī)所需的無(wú)功功率由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，可保持在0.96以上，且在整個(gè)速度范圍段內(nèi)基本保持不變，不需采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。
每個(gè)功率單元通過(guò)光纖通訊接收主控系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載電機(jī)需要的電壓和頻率，而功率單元的狀態(tài)信息也通過(guò)光纖反饋給主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。該光纖是模塊與主控系統(tǒng)之間的唯一連接，因而每個(gè)功率單元與主控系統(tǒng)是完全電氣隔離的。
2.3 高壓變頻器PWM技術(shù)
高壓變頻器的PWM技術(shù)是變頻器研究中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅決定功率變換的實(shí)現(xiàn)與否，而且對(duì)變頻器輸出電壓波形的質(zhì)量，電路中有源和無(wú)源器件的應(yīng)力，系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高等方面都有直接的影響。
MLVERT-D06系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術(shù)，它是傳統(tǒng)的兩電平PWM技術(shù)的擴(kuò)展，它的本質(zhì)是PWM技術(shù)與多重化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這里以2單元串聯(lián)的高壓變頻器為例說(shuō)明其基本原理，圖2給出了2單元串聯(lián)高壓變頻器其中一相的串聯(lián)示意圖。
圖2 兩個(gè)功率單元串聯(lián)示意圖
圖3給出了移相式多電平PWM調(diào)制的波形圖。圖中兩個(gè)功率單元的載波互差180度相位角，2個(gè)載波調(diào)制同一信號(hào)波，調(diào)制方法是，當(dāng)信號(hào)波大于三角載波時(shí)，給出導(dǎo)通控制信號(hào)；相反則給出關(guān)斷控制信號(hào)。圖3中每個(gè)功率單元兩個(gè)半橋上下橋臂開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、由此產(chǎn)生的兩個(gè)功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖所示。
圖3 載波移相多電平PWM調(diào)制
由圖3得出，對(duì)于6功率單元串聯(lián)高壓變頻器，各單元采用共同的調(diào)制波信號(hào)，各載波的相位相互錯(cuò)開(kāi)載波周期的1/6，對(duì)每個(gè)功率單元進(jìn)行SPWM控制，通過(guò)載波的移相，使得每個(gè)功率單元輸出的PWM脈沖相互錯(cuò)開(kāi)，這樣在疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓13種電平，線電壓25種電平輸出），同時(shí)輸出波形的等效開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到單元開(kāi)關(guān)頻率的6倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時(shí)輸出電壓的每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對(duì)電機(jī)沒(méi)有危害，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用原有的電機(jī)。其輸出波形如圖4所示。
圖4 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形
3 循環(huán)水泵變頻改造方案
3.1 變頻器選型
改造的循環(huán)水泵是兩臺(tái)雙側(cè)布置，甲乙兩臺(tái)水泵均采用調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度的方式控制流量，由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)冗余較大，加上流量控制采用閥門調(diào)節(jié)引起的阻力損耗，電能的浪費(fèi)特別嚴(yán)重，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
一般情況下，變頻器容量應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)容量，這樣能滿足電機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工作中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況來(lái)選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施?？碗姀S循環(huán)水泵的配套電機(jī)功率為6KV/250KW，為了滿足50Hz時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行要求，為其配備了容量為320kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。
3.2 系統(tǒng)方案
對(duì)電廠循環(huán)水泵的變頻改造遵循了“最小改動(dòng)，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”原則，為兩臺(tái)循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行了“一拖二”改造，此方案的優(yōu)點(diǎn)是兩臺(tái)電機(jī)可以其中任何一臺(tái)變頻運(yùn)行，另外一臺(tái)工頻運(yùn)行或工頻備用，電機(jī)的變頻方案示意圖如圖5所示。
圖5 循環(huán)水泵變頻方案示意圖
圖5中工頻旁路系統(tǒng)由兩個(gè)高壓柜組成，每個(gè)高壓柜內(nèi)有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，其中刀閘QS1、QS2 與QS3，QS4、QS5與QS6 有機(jī)械互鎖，不能同時(shí)合；QS1與QS4、QS5，QS4與QS1、QS2 有電氣互鎖，不能同時(shí)合。進(jìn)行變頻改造后，循環(huán)水泵的閥門開(kāi)度保持全開(kāi)，基本不需要改變。根據(jù)實(shí)際所需的水量，由DCS系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)節(jié)，輸出4～20mA模擬電流信號(hào)送給變頻器，變頻器通過(guò)調(diào)節(jié)輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，滿足運(yùn)行工況的要求。
同時(shí)，變頻改造后電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，沒(méi)有出現(xiàn)任何沖擊電流，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、主機(jī)及管道的沖擊應(yīng)力，大大降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
4 節(jié)能分析
4.1 節(jié)能原理
根據(jù)水泵工作原理與運(yùn)行曲線，我們可以得到圖6中的100％轉(zhuǎn)速運(yùn)行曲線，這條曲線配合水泵在不同流量運(yùn)行時(shí)的特性曲線（阻抗曲線）可以得到在未應(yīng)用變頻調(diào)速情況下使用閥門調(diào)節(jié)控制流量、壓力。
理論上，全流量工作時(shí)，采用變頻器和閥門調(diào)節(jié)時(shí)，輸入的功率一致，其功率為AI0K包圍的面積，當(dāng)水泵運(yùn)行點(diǎn)由A（100％流量）點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)（80％流量）時(shí)，如果采用閥門調(diào)節(jié)控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率為BH0L包圍的面積，但是采用變頻器拖動(dòng)水泵后，由于特性的改變，其輸入功率為EJ0L包圍的面積，其節(jié)能效果為：BHJE包圍的面積。因此在理論上，采用變頻器改造水泵后，將會(huì)取得很好的節(jié)能效果。
圖6 水泵閥門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行曲線圖
由流體力學(xué)可知流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n2，Ps ∞ n3。
當(dāng)所需要的流量減少，水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需流量為額定流量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，那么水泵的軸功率將下降為額定功率的51.2%；當(dāng)所需要流量為額定流量的50%時(shí)，水泵的軸功率將下降為其額定功率的12.5%。當(dāng)然轉(zhuǎn)速降低時(shí)，效率也會(huì)有所降低，同時(shí)還應(yīng)考慮控制裝置的附加損耗等影響。
4.2 效益
MLVERT-D06/320.A變頻器自2005年在建設(shè)兵團(tuán)新疆奎屯電廠投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行良好，達(dá)到了改造的目的。
根據(jù)變頻改造前后的運(yùn)行記錄，在變頻改造前，每一班8小時(shí)，耗電為2000KWh；變頻改造后，每一班8小時(shí)，耗電為1400KWh，變頻改造后相比改造前節(jié)能達(dá)30％。按照年平均運(yùn)行300天計(jì)算，年節(jié)電可達(dá)：（2000－1400）×3×300＝54萬(wàn)度，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
變頻改造以后，循環(huán)泵調(diào)節(jié)閥門一直處于全開(kāi)狀態(tài)，對(duì)其維護(hù)量大大減少。變頻啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?逐漸平穩(wěn)的升到所需轉(zhuǎn)速，沒(méi)有任何沖擊，電流從零開(kāi)始上升，不會(huì)超過(guò)額定電流，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，延長(zhǎng)了電機(jī)、水泵壽命。
5 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)奎屯電廠1＃機(jī)組循環(huán)水泵實(shí)施了變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過(guò)程，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少維修量，取得了預(yù)期的效果。
“十一五”規(guī)劃中明確提出了要“突出抓好在電廠等行業(yè)中的節(jié)能工作”及重點(diǎn)工程“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能 在煤炭等行業(yè)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)優(yōu)化改造”。高壓變頻器的推廣使用對(duì)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有重大意義。