高壓變頻調(diào)速技術(shù)及其在電廠中的應(yīng)用
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1 引言
在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵是主要的耗能設(shè)備，通常情況下其輸入能量的15～20％被電機(jī)和風(fēng)機(jī)或水泵本身所消耗，約35～50％的輸入能量被檔板或閥門節(jié)流所消耗，因此對發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行節(jié)能改造具有很大的潛力。如果用電動機(jī)調(diào)速裝置來代替原來的風(fēng)門、檔板、閥門來調(diào)節(jié)流量，將取得顯著的節(jié)能效果。
變頻調(diào)速是用變頻電源改變電動機(jī)定子繞組的頻率，從而改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。變頻系統(tǒng)首先將電網(wǎng)中的交流電整流成直流電，再通過逆變器逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，供給交流電動機(jī)，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方法具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，規(guī)格系列齊全可以滿足各種不同需求，因而被廣泛采用，是最具發(fā)展前途的理想調(diào)速方法。特別是電流源型高壓變頻器在動態(tài)精度要求高的地方具有明優(yōu)勢，適用于軋機(jī)、提升設(shè)備的應(yīng)用。三電平高壓變頻裝置，由于其器件較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，較適合于3.3kv或4.16kv的電機(jī)應(yīng)用。功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，適合于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，但不適合用在對動態(tài)要求很高的地方。
2 高壓變頻器選用的技術(shù)因素
高壓變頻器除了應(yīng)具備通用變頻器所具有的基于拖動系統(tǒng)要求的各項(xiàng)技術(shù)性能之外，由于其大功率的緣故，在一些低壓小功率變頻器中并不重要的問題，在這里卻顯得很重要，主要包括：
2.1諧波對廠用電系統(tǒng)的影響
高壓變頻器的整流和逆變電路都使用了電力電子器件的開關(guān)特性，在其輸入和輸出端都會產(chǎn)生波形畸變。由于高壓變頻器一般功率較大，其功率可能占廠用電系統(tǒng)容量的相當(dāng)大一部分，因此，這種畸變對于供電線路和負(fù)載電機(jī)兩方面都會造成有害的影響，如變頻器輸出電流諧波可能會造成電機(jī)過熱，產(chǎn)生過大的噪聲，影響電機(jī)的壽命；而且電機(jī)必須“降額”使用。這一點(diǎn)與低壓變頻器有很大的不同。
降低高壓變頻器諧波電流對電源電壓的影響，最根本的方法是盡可能減少以至消除高壓變頻器本身電流的波形畸變。高壓變頻器輸入諧波畸變必須控制在ieee-519和gb12668標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，不應(yīng)對廠用電系統(tǒng)中其他負(fù)載的正常工作造成影響。
2.2共模電壓和dv/dt的影響
變頻器的共模電壓和dv/dt會使電機(jī)的絕緣受到“疲勞”損害，影響到使用壽命，如果處理不好，還會損壞變頻器本身。
2.3對所接母線電壓的影響
高壓電動機(jī)在不帶變頻器時(shí)，母線電壓按式（1）計(jì)算：
（1）式中um為電動機(jī)正常起動的母線電壓（標(biāo)么值）；u0為廠用母線上的空載電壓（標(biāo)么值）；x為變壓器或電抗器的電抗；s為合成負(fù)荷（標(biāo)么值），可按式（2）計(jì)算：
s=s1+sq （2）
式中s1為電動機(jī)起動前，廠用母線上的已有負(fù)荷（標(biāo)么值），sq為起動電動機(jī)的起動容量。
式中kq為電動機(jī)的起動電流倍數(shù)；σpe為電動機(jī)的額定功率（kw）；ηdcosd為電動機(jī)的額定效率和額定功率因數(shù)的乘積。
未裝設(shè)高壓變頻器時(shí)，kq一般在工程中取6～7；裝設(shè)高壓變頻器后，由于高壓變頻器的軟啟動特性，kq一般低于1.6。這樣，sq值將是未裝設(shè)高壓變頻器的1/4～1/5。
另一方面，目前所采用的高壓變頻器一般都裝設(shè)移相變壓器，在高壓變頻器、電動機(jī)組啟動瞬間會產(chǎn)生4～6倍啟動過電流。這樣，由于移相變壓器的作用，sq值會增加4～6倍。
由于以上兩方面的共同作用，在裝設(shè)了高壓變頻器的電動機(jī)，在整組啟動瞬間，sq值基本上和未裝設(shè)高壓變頻器的電動機(jī)啟動一樣，對所接母線電壓影響也相似。因此，在廠用電設(shè)計(jì)時(shí)，選擇高壓廠用電容量和校驗(yàn)?zāi)妇€電壓時(shí)，可不計(jì)及變頻器的影響。
2.4對廠用電二次保護(hù)的影響
當(dāng)高壓變頻器不裝設(shè)在對應(yīng)回路的高壓斷路器旁邊時(shí)，對應(yīng)于該回路，將有二段電纜回路和二個(gè)電氣設(shè)備。因此，在二次保護(hù)方面，應(yīng)兩段分別裝設(shè)保護(hù)。
對于小于2000kw的電動機(jī)，高壓變頻器以上部分，保護(hù)配置可按6kv饋線回路配置，但同時(shí)考慮該回路電動機(jī)的重要性。
高壓變頻器以下部分，一般高壓變頻器本身配置以下保護(hù)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、超頻保護(hù)、失速保護(hù)、變頻器過載、電機(jī)過載保護(hù)、半導(dǎo)體器件過熱保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)等。用戶可以根據(jù)需要選擇聯(lián)跳該回路斷路器。
2.5廠用電源切換對高壓變頻器的影響
廠用電源在事故狀態(tài)下切換到備用廠用電源，目前采用的廠用電源快切裝置在切換過程停電時(shí)間約為50ms~150ms，高壓變頻器瞬時(shí)停電超過100ms，變頻器可能會停止工作，因此在選型時(shí)應(yīng)注意這一問題。
2.6高壓變頻器型式的選擇
高壓變頻器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是采用升、降壓變壓器稱之為“高-低-高式變頻器；另一種采用高壓大容量gto或igbt功率元件串聯(lián)結(jié)構(gòu)，無輸出變壓器，直接將高壓電源整流為直流，在逆變輸出高壓，稱之為“高—高”式變頻器。由于“高—低—高”式變頻器結(jié)構(gòu)本身帶來的問題，其可靠性、安全性都比較差，一般應(yīng)考慮選擇高—高型變頻器。
2.7輸入功率因數(shù)和系統(tǒng)效率
變頻器的輸入功率因數(shù)和效率將直接決定使用變頻器系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，效率低的變頻器還存在散熱等一系列的問題。
2.8高壓變頻器的安裝位置和環(huán)境要求
高壓變頻器理論上說可以安裝在對應(yīng)輔機(jī)斷路器旁，也可以布置在電動機(jī)旁邊或廠房某個(gè)位置。無論布置在何處，都需注意變頻器對安裝環(huán)境的要求。
高壓變頻器柜由電源切換柜、進(jìn)線保護(hù)柜、移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。柜內(nèi)電子元件比較多，這些元件對安裝環(huán)境都有要求。
高壓變頻器通常采用風(fēng)冷或水冷裝置，降低柜體內(nèi)的微環(huán)境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。一般對變頻器房間應(yīng)設(shè)置空調(diào)設(shè)備，并對變頻器的出風(fēng)處加裝隔熱的通風(fēng)管道，將熱風(fēng)直接排出室外。
3 高壓變頻器的經(jīng)濟(jì)效益分析
3.1功率分析
以600mw火電廠凝結(jié)水泵為例，在運(yùn)行中，兩臺水泵一用一備。其額定參數(shù)分別為：
額定電壓：6kv，
額定功率：2200kw。
在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)負(fù)荷情況如下表所示，按全年7800運(yùn)行小時(shí)計(jì)：
3.2能耗計(jì)算和費(fèi)用分析
若不用變頻調(diào)節(jié)，電機(jī)始終工作于全速運(yùn)行狀態(tài)，則全年用電量為：
p1=2200×（4200+2120+1180+300）=17160000（kwh）
若采用變頻控制，則全年用電量為：
p2=2200×4200+2200×0.75×2120+2200×0.50×1180+2200×0.40×300=14300000（kwh）
與電機(jī)全速運(yùn)行相比，變頻調(diào)速每年可節(jié)約電能：
△p=p1-p2=17160000-14300000=2860000（kwh）
按上網(wǎng)電價(jià)0.40元/kwh計(jì)，每年可節(jié)約114.40萬元。
4 結(jié)束語
通過以上對變頻器技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)比較，不難看出，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)是比較先進(jìn)、理想的調(diào)節(jié)技術(shù)，雖然初期投資較大，但由于其節(jié)電效果明顯，投資回收周期較短，因而其綜合經(jīng)濟(jì)效益還是較高的，從節(jié)能觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)充分采用變頻器技術(shù)。
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