一、概述 　　中國(guó)政府在第十到第十一個(gè)“五年計(jì)劃”的節(jié)能計(jì)劃中，把“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”列為重中之重，“發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術(shù)”，“逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”。另一方面，國(guó)家計(jì)委在“十五”計(jì)劃綱要中明確提出了要“改變工業(yè)增長(zhǎng)方式”，“鼓勵(lì)采用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”，指出一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要基礎(chǔ)是國(guó)家的裝備制造業(yè)，提出“大力振興裝備制造業(yè)”的重要指導(dǎo)思想，“大力推進(jìn)機(jī)電一體化”，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。 　　從2005年中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)主辦的中國(guó)電力論壇上獲悉，目前我國(guó)的電力裝機(jī)容量達(dá)到4.4億千瓦，其中有3.25億千瓦是火電，火電的發(fā)電量占到總發(fā)電量的82.6％。而且，火電比重過(guò)大的局面今后可能進(jìn)一步加劇?；痣姀S中的各類(lèi)輔機(jī)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)設(shè)備占了絕大部分，蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力。 　　河南鶴壁同力電廠兩臺(tái)機(jī)組2*300MW采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/18.2—II12型自然循環(huán)汽包爐，風(fēng)煙系統(tǒng)采用雙引風(fēng)機(jī)、雙送風(fēng)機(jī)，冷一次風(fēng)機(jī)熱風(fēng)送粉形式。風(fēng)機(jī)型號(hào)分別為 FTA19—9.5—1、SFG—17.5F—C5A型。配置功率分別為2800kW、630kW、710kW 電壓為6KV的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)，引風(fēng)機(jī)采用靜葉調(diào)節(jié)，一次風(fēng)機(jī)工頻采用入口擋板調(diào)節(jié)，這種配置的缺點(diǎn)是擋板兩側(cè)風(fēng)壓差造成節(jié)流損失，同時(shí)風(fēng)機(jī)擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)為大力矩電機(jī)執(zhí)行器易出故障 ，風(fēng)機(jī)自動(dòng)率較低。為此機(jī)組設(shè)計(jì)對(duì)一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)速技術(shù)。以1#爐為例兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)選擇了東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的變頻器，型號(hào)為DFVECRT—MV—900/6C變頻器以達(dá)到節(jié)能降耗及提高自動(dòng)化水平。目前經(jīng)過(guò)對(duì)1#爐變頻器的調(diào)試運(yùn)行，驗(yàn)證收到了預(yù)期效果，安裝工藝、操作控制都有了突破性進(jìn)展 。 　　二、采用變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理 　　2.1風(fēng)機(jī)水泵的有關(guān)理論 　　由電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1、磁極對(duì)數(shù)P之間的關(guān)系式為： 　　 n0=60f1/P(r/min) 　　 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s的定義式為： 　　 s=(n0－n)/n0=1－n/n0 　　 則可得異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： 　　 n=n0(1－s)=(1－s)60f1/P 　　 可見(jiàn)，要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可通過(guò)改變電源頻率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該調(diào)速的方法即為變頻調(diào)速。 　　2.2風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)速節(jié)能 　　由于火電機(jī)組調(diào)峰力度的加大，這些機(jī)組的負(fù)荷變化范圍很大，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，由于這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率并沒(méi)有多大改變，所以浪費(fèi)了大量的能源。由于流量與轉(zhuǎn)速成正比，如果風(fēng)機(jī)能在調(diào)速狀態(tài)下運(yùn)行，則可將風(fēng)機(jī)擋板全開(kāi)，使風(fēng)道的阻力減小至最小，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整風(fēng)量，此時(shí)風(fēng)機(jī)可以始終處于高效點(diǎn)運(yùn)行。而由于功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，所以通過(guò)降低轉(zhuǎn)速以減少流量來(lái)達(dá)到節(jié)流目的時(shí)，所消耗的功率將降低很多。由于我國(guó)在電力設(shè)計(jì)規(guī)程上的種種原因，給水泵、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等以及其配套的大電機(jī)都存在著“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。所以改造風(fēng)機(jī)為調(diào)速運(yùn)行，既使在滿負(fù)荷時(shí)仍能帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。 　　三、單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器的基本原理 　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　DFCVERT-MV 系列無(wú)電網(wǎng)污染高壓大功率變頻器是采用直接“高-高”的變換形式，由多個(gè)功率單元構(gòu)成多重化串連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)單元輸出固定的低壓電平，再由多個(gè)單元串連疊加為所需的高壓。以6kV每相六單元串聯(lián)為例,電壓疊加如圖3-1所示，變頻器電路原理示意圖如圖3-2所示。每相由六個(gè)相同的功率單元串聯(lián)而成，相電壓為3464V。每個(gè)功率單元輸出有效值Ve＝577V，峰值輸出電壓 。 　　 　　圖3-1 6kV變頻器電壓疊加示意圖 　　多重化串連結(jié)構(gòu)使用低壓器件實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，降低了對(duì)功率器件的耐壓要求。它對(duì)電網(wǎng)諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)；輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，對(duì)普通異步電機(jī)不必加輸出濾波器就可以直接使用。 　　 　　圖3-2 6級(jí)6kV變頻器電路原理示意圖 　　3.2功率單元 　　功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋式整流器、預(yù)充電回路、電容器組、IGBT逆變橋、直流母線和旁通回路構(gòu)成，同時(shí)還包括電源、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)監(jiān)測(cè)、通訊等組件組成的控制電路。單元結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，有互換性。 　　功率單元由移相變壓器的一組副邊供電，通過(guò)三相全橋整流器將交流輸入整流為直流，并將能量?jī)?chǔ)存在電容組中。電容組根據(jù)單元電壓選擇并聯(lián)或串連，如母線電壓為815V，則將三組電容串連起來(lái)以滿足耐壓要求，每組電容根據(jù)單元容量的大小選擇并聯(lián)個(gè)數(shù)。控制部分通過(guò)冗余設(shè)計(jì)的電源板從直流母線上取電，接收主控系統(tǒng)發(fā)送的PWM信號(hào)并通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。 　　監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控IGBT和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統(tǒng)。在單元出現(xiàn)重故障時(shí)，主控將打開(kāi)功率單元的旁通回路，使單元進(jìn)入旁通狀態(tài)，避免整個(gè)變頻器停機(jī)。 　　每個(gè)單元輸出PWM波，將每相N功率單元的輸出電壓疊加，產(chǎn)生多重化的相電壓波形，使相電壓產(chǎn)生出2N+1個(gè)電壓臺(tái)階，六個(gè)功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形如圖3-4所示。 　　 　　圖3-3 變頻器功率單元 　　 　　圖3-4 變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形 　　3.3移相變壓器 　　移相變壓器電氣原理如圖3-5所示: 變壓器（以輸入6kV變壓器為例）原邊繞組為6kV, 副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分別有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每個(gè)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。因此，采用移相變壓器進(jìn)行隔離降壓，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的諧波干擾。 　　 　　圖3-5 移相變壓器柜電氣原理圖 　　四、可靠性分析 　　設(shè)備改造原則上應(yīng)以最可靠的系統(tǒng)、最少的投入、最短的時(shí)間、帶來(lái)最好的效益。當(dāng)然可靠性始終還是要放在首位，為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，我們?yōu)樽冾l器配備了工頻和變頻自動(dòng)切換功能。當(dāng)變頻器需正常檢修或故障時(shí)，變頻器可自動(dòng)切換到工頻旁路運(yùn)行；當(dāng)變頻器正常檢修完成后，電動(dòng)機(jī)可在工頻旁路運(yùn)行的情況下自動(dòng)投入變頻運(yùn)行。詳細(xì)的系統(tǒng)見(jiàn)圖4－1。我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)的試驗(yàn)證明，整個(gè)切換過(guò)程在幾秒中內(nèi)即可完成，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有任何擾動(dòng)，可保證系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行，整個(gè)改造沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn)。 　　五、經(jīng)濟(jì)效益分析 　　由于在相同條件下風(fēng)壓和流量的大小與電機(jī)電流的大小成正比所以這里只用工頻運(yùn)行檔板調(diào)節(jié)時(shí)的電機(jī)電流和變頻調(diào)節(jié)時(shí)變頻器的輸入電流作一比較從而說(shuō)明節(jié)電效果 　　在機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)電源側(cè)電流見(jiàn)表一 （24次平均值） 　　表一 　　風(fēng)機(jī)名稱(chēng) 工頻檔板調(diào)節(jié)時(shí)電流（A） 變頻調(diào)節(jié)時(shí)輸入電流（A） 　　 　　3A一次風(fēng)機(jī) 機(jī)組出力 平均電流 機(jī)組出力 對(duì)應(yīng)電流 　　 300MW 85.0 300MW 40.88 　　 250MW 71．0 250MW 38.17 　　 220MW 65．0 220MW 33．2 　　 200MW 60．1 200MW 29.2 　　 170MW 54．4 170MW 28．1 　　 150MW 52．1 150MW 26.8 　　 　　3B一次風(fēng)機(jī) 機(jī)組出力 平均電流 機(jī)組出力 對(duì)應(yīng)電流 　　 300MW 86．1 300MW 42.6 　　 250MW 72．8 250MW 40.4 　　 220MW 66．5 220MW 36.2 　　 200MW 59．7 200MW 27.9 　　 170MW 59．1 170MW 27.1 　　 150MW 58．9 150MW 26.8 　　以下公式可估算出節(jié)電的結(jié)果 　　P= U. I. COSΦ 　　P——電功率 I——電流 U——電壓 　　COSΦ—功率因數(shù) 一次風(fēng)機(jī)為0.84 變頻器為0.98 　　根據(jù)P=I.U. .COSΦ可得計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表二 　　表二 　　風(fēng)機(jī)名稱(chēng) 工頻時(shí)電源輸出功率（KW） 變頻時(shí)電源輸出功率（KW） 　　3A一次風(fēng)機(jī) 710 488．7 　　3B一次風(fēng)機(jī) 710 510．1 　　總 功 率 1420 998．8 　　根據(jù)表二可得出#1爐每小時(shí)可節(jié)能421.2度電 　　以上只是利用電流的變化做一比較，在實(shí)際運(yùn)用中各種運(yùn)行工況的不同節(jié)能效果也不一樣。所以實(shí)際節(jié)能要比估算的結(jié)果有一定的出入，但從結(jié)果上看節(jié)能還是非常顯著的。 　　六、結(jié)束語(yǔ) 　　我廠#1爐變頻器自2005年安裝調(diào)試，2005年5月正式投入運(yùn)行。在調(diào)試及運(yùn)行中變頻器經(jīng)歷了多種方式的考驗(yàn)，突破了變頻器與相關(guān)設(shè)備相匹配的各種難點(diǎn)，實(shí)踐證明高壓變頻裝置節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，也減少了風(fēng)道的振動(dòng)?？傊畺|方日立（成都）電控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的變頻器在#1 爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用是很成功的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展作為大容量傳動(dòng)的國(guó)產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，在電力行業(yè)對(duì)于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用變頻技術(shù)不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到了國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持，代表了今后更多行業(yè)節(jié)能技術(shù)的方向。目前很多行業(yè)越來(lái)越多的人員對(duì)此都形成廣泛的共識(shí)。 　　　 　　參考文獻(xiàn) 　　[1] 吳忠智 吳加林 變頻器應(yīng)用手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 　　[2] 韓安榮 通用變頻器及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 　　[3] 東方日立 用戶手冊(cè) 東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司 　　　 　　作者簡(jiǎn)介： 　　劉培忠 男 發(fā)電部副部長(zhǎng) 長(zhǎng)期從事電廠管理、節(jié)能改造等工作 　　金新勝 男 發(fā)電部電氣專(zhuān)責(zé) 長(zhǎng)期從事電廠電氣工作