摘要：本文介紹了高壓變頻器在火力發電廠循環水泵上的應用，分析改造之后的控制策略以及對變頻改造效果做了描述。

關鍵詞：循環   高壓變頻器   節能改造

1、前言

內蒙古某發電廠建設規模為2×12MW抽凝式供熱發電機組，配3×75t/h循環流化床鍋爐，總投資1.86億元，第一臺機組于2001年11月投產，第二臺機組于2002年1月投入運行?？晒┎膳娣e180萬平方米。

工程于2003年9月23日開工，建設規模為2×200MW供熱發電機組，總投資15.1962億元，第一臺機組計劃2005年6月5日投產，第二臺機組于2005年7月31日投產，建成后新增集中供熱面積650萬平方米。

發電廠共有3臺循環水泵。以下為現場設備參數表1：

設備名稱	電機功率	額定電壓	額定電流
1#2#3#循環水泵	315kW	10kV	23.6A

1) 因循環水泵自身負載較重，起動轉矩大，采用全壓直接起動方式，啟動電流達到了額定電流的4～6倍，啟動時對整個電氣系統的沖擊比較大，對電氣系統的平穩運行帶來不利影響。

2) 為保證管網中的壓力和流量在不同的用水條件下滿足生產，需要開三臺泵，但是流量是有富裕的，為了保證管網壓力和流量的穩定，不得不指派專職生產操作人員巡查管網的壓力，并隨時調整閥門的開度及泄壓溷排水，不僅造成生產操作人員的勞動強度大，而且浪費了大量寶貴的水資源，不符合我國節約用水的理念。

3) 在用水需量較小的時候，電機也必須全壓、全轉速運轉，造成“大馬拉小車”現象，產生大量的電能浪費，同時，導致功率因數降低。

4) 電機一直處于全轉速運轉狀態，造成電機軸承極易出現發熱和磨損的現象，夏天時，電機軸承溫度最高可達到85℃，加速了軸承潤滑脂的破壞，磨損的軸承必須及時更換，加速了電機的維護保養速度，大大地增加了系統的運營成本。

5) 電機軸承的磨損，還造成整個系統運行的噪音增大，對員工的身體健康產生不利影響。

2、實施變頻改造

為解決以上問題，在隨后的技術改造中，技術人員為該高壓電機配備高壓變頻控制系統。在循環水管網上裝設壓力變送器，將循環水管網的壓力轉化為4—20mA的信號送^變頻器，變頻器將這個信號與設置的壓力給定值比較后自動調整變頻器的輸出轉速，從而實現恒壓供水的自動閉環控制。通過變頻器控制轉速，避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，轉速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要—個比閥門控制小得多的、得以充分利用的功率。根據泵的揚程特性曲線H—Q，隨著轉速的降低，泵的高效率區段將向左方移動。這說明，轉速控制方式在低速小流量時，仍可使機泵高效率運行。此系統在啟動時逐漸提升電機速度，減少啟動時的沖擊，又能在正常運轉過程中根據裝設于循環水管網上的壓力和流量調節控制電機轉速，使循環水的壓力和流量始終滿足生產現場的需求，既節約了人力又降低了電耗。變頻裝置的主要技術參數如下表：在保證供應壓力的同時減少循環水浪費、節約電耗即改造的要求?，F場工藝如圖1所示。

圖1 熱電廠工藝流程圖

圖2循環水泵現場設備

針對上述情況，內蒙古某發電廠領導決定對循環水泵進行變頻改造，在節約成本的策略前提下，考慮到國產高壓變頻器設備水平已接近國際水平，能滿足現場工藝運行要求，進行性價比比較，通過公開招標，采用深圳市英威騰電氣股份有限公司的GD5000高壓變頻調速器對循環水泵進行改造，改造取得了成功。

3、變速變流量的節能原理

從流體力學的原理得知，使用鼠籠型感應電機驅動的風機，軸功率P與流量Q，水壓（揚程）H的乘積成正比關系：  

當電動機的轉速由n1變化到n2時, Q、 H、 P與轉速的關系如下:

                           

可見流量Q和電機的轉速n是成正比關系的，而所需的軸功率P與轉速的立方成正比關系。所以當需要80％的額定流量時，通過調節電機的轉速至額定轉速的80％，即調節頻率到40赫茲即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%。

如下圖3所示，從水泵的運行曲線圖來分析采用變頻調速后的節能效果。

當所需流量從Q1減小到Q2時，如果采用調節出口閥門的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線從調節前管網特性曲線上移到調節后管網曲線，系統的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2 Q2成正比；如果采用調速控制方式，泵的轉速由n1下降到n2，其特性曲線變化，而閥門并不調節則管網特性保持調節前管網特性，并不發生改變，由于泵的特性曲線的下移，泵的運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB Q2成正比。從理論上分析，所節約的軸功率Delt(P)與（HB-HC）×Q2的面積成正比。圖中H0為系統工作需要保證的最小揚程,相應水泵允許工作的最低轉速即為nmim,采用變頻調速時，需要設置最低工作頻率以保證泵的最小轉速，達到一定的揚程，避免泵的流量大于其工作最小允許流量。

圖3  水泵的運行曲線圖

考慮減速后效率下降和調速裝置的附加損耗，結合工藝變化的要求，通過實踐的統計，泵類通過調速控制可節能15％～50%。

泵類變頻調速節能計算方法簡介

泵類負載電機改造前工頻運行功率計算公式：

改造后變頻運行預計功率計算公式：

泵類負載電機改造后的節電功率計算公式：

ΔP＝P1－P2   

泵類負載電機改造后的節電功率計算公式：

泵類負載采用變頻調速除節能外的其他效益分析

（1）節能數據是在變頻改造后的水壓平穩均衡，可保證排水或供水壓力滿足要求。

（2）由于壓力所減小的用戶流量應基本不變，而由于壓力減小而導致的跑冒滴漏的流量是主要減小流量，因此將降低用電消耗的同時還將獲得降低供水損失的收益，根據一般經驗管路損失比例為每降低1％流量損失可減少1％。

（3）變頻改造采用壓力流量自動控制后，可在變頻控制系統的PLC上實現各時間段根據壓力、流量要求自動調速、起停電機的自動控制功能，大大提高供水質量的穩定性，并減小人工操作失誤與勞動強度。

（4）變頻系統由于軟啟動、減速運行等功能，對于電動機啟動沖擊、軸承磨損等問題都會改善，對于系統安全穩定運行、檢修周期延長、減少運行維護工作量與費用等均有意義。

4、循環水泵高壓變頻改造方案介紹

內蒙古某發電廠擬對1#2#3#循環水泵進行變頻改造，以下表2是該循環水泵的參數：

4.1  4#高壓循環水泵：

表2 循環水泵基本參數
電機參數
型號	Y5002—6	額定電壓（V）	10000
額定電流(A)	23.6	額定功率(kW)	315
額定頻率（Hz）	50	功率因數	0.85

4.2英威騰GD5000系列高壓變頻系統技術參數及性能特點

英威騰GD5000系列高壓變頻調速系統采用多重化移相多單元串聯正弦脈寬調制(SPWM)疊壓技術，直接“高-高”式，功率模塊為交-直-交型電壓源變頻調速器。

高壓變頻調速系統是由多個單元串聯而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出。以10kV為例，高壓變頻調速系統的原理結構如下圖所示。電網送來的三相10kV交流電，經移相變壓器，由其副邊每相的二次線圈電壓逐個移動，供電給8個功率單元，三相共24個功率單元，每個功率單元的額定電壓為710V，相鄰功率單元的輸出聯接起來，使得變頻器的額定相電壓為5650V，線電壓為10kV，可輸出高壓正弦波給感應電動機，在變頻器運行過程中對電動機的絕緣沒有影響，變頻器的輸出電壓和輸出電流均為正弦波形，變頻裝置對輸出電纜的長度沒有任何要求，能直接拖帶普通高壓電機，并且徹底消除諧波引起的電機發熱現象。

高壓變頻調速系統系統示意圖

3）功率單元構成

為了保證變頻器和現場設備的正常運行， GD5000系列高壓變頻調速系統為用戶提供了功率單元機械旁路功能，當單元故障時，可在線實時自動將輸出封鎖，并同時觸發旁路單元將其旁路，不需重新啟動，不影響整個系統的正常工作，整個系統由原來的串聯可靠性結構變成為并聯可靠性結構。典型旁路示意圖如下：

功率單元原理框圖

傳統的功率單元電子式旁路設計采用晶體管方式，其設計與功率單元采用一體化設計，其電子旁路能否動作取決于功率單元的故障狀態；而我公司功率單元機械式旁路采用機械式接觸器方式，并且專門為其設計了一套功率單元旁路控制系統，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴重，旁路系統均能正確安全的旁路。

2.4.3高壓變頻調速系統運行原理

高壓變頻調速系統的每個功率單元相當于一個三電平的二相輸出的低壓變頻器，通過疊加成為高壓三相交流電，以10kV變頻器為例，論述：10kV輸出電壓的變頻器，每相有8個功率單元相串聯。當變頻器輸出頻率為50HZ時，相電壓為17階梯波，如下圖所示。疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖4中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。

相電壓回路疊加波形

由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產生的UAB輸出線電壓可達10kV，為33階梯波。如圖,所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，UAB不僅具有正弦波形而且臺階數也成倍增加，因而諧波成分及dV/dt均較小。

線電回路疊加波形

多電平單元串聯疊加型變頻器的三相波形輸出質量：

高壓變頻調速系統在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉化為可以進行頻率可調節的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進行相應的調節，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通保持在額定水準，提高電機的轉換效率。

多重疊加應用，高壓變頻調速系統輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設備的通用性。

高壓變頻調速系統工作時的功率因數達0.96以上，不需要附加電源濾波器或功率因數補償裝置，也不會與現有的補償電容裝置發生諧振，對同一電網上運行的電氣設備沒有任何干擾。

GD5000系列高壓變頻調速系統的性能特點：

1) 鈑金件熱鍍鋅處理，超強抗腐蝕能力

2) 專業高抗EMC電路設計

在功率單元模塊設計上，針對不同電流范圍采用獨特進出線設計，抗干擾能力更強；

在結構設計和電氣設計上，全面采用抗電磁干擾措施，最有效保證變頻器的可靠運行。

3)  三核控制技術

高壓變頻器主控系統采用DSP＋FPGA+ARM三核控制系統巧妙配合，提供中文觸摸式操作界面，控制系統高度集成化，抗干擾能力強、功能更強大、控制更精準，增加了產品的可靠性。

4) 豐富的控制功能

我司高壓變頻器繼承了其低壓控制的特點，控制功能非常豐富。表現在頻率控制方式非常靈活。分為A頻率控制與B頻率控制，A頻率控制可以有多種控制源（包括PID控制、多段速控制都屬于這方面內容）；B頻率控制同樣有多種控制源，用戶可以靈活的選擇采用A頻率控制源，B頻率控制源還是A+B，A、B中最大值。通過這種數學上的抽象，英威騰的高壓變頻器不僅能滿足簡單場合的工藝控制的要求，還可以滿足特定場合的工藝控制要求。

另外，對于命令通道的選擇也同樣是豐富多樣的?？梢曰緷M足多種多樣的應用場景。

5) 模塊冗余配置

功率單元采用一定冗余配置。功率開關器件按實際運行參數的2倍以上配置電流和電壓，如采用1700V高壓IGBT，器件參數余量大，可靠性較高。

6) 低諧波設計

額定負載時輸入側的（對電網的影響）諧波＜2％；輸出側的（對電機的影響）諧波＜2％；

DSP控制系統對調制波形優化處理，確保輸出完美無諧波波形。

7) AVR功能

可以根據母線電壓的波動自動調節輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網電壓波動對于輸出電壓波動的影響。

8) V/F控制的轉矩提升功能

提供低頻轉矩提升功能，其主要是用來解決低頻時定子電阻引起的電壓損失導致磁通不足的問題。

9) 多種V/F曲線的選擇

提供多種的V/F曲線形式（如：多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線），可以滿足各種不同的負載要求。

10) 內置PID控制功能

11) 完善的20種保護功能

功率單元自身多達11種故障保護功能；電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面的檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、欠壓、溫度等多達20多種超強保護功能；重要保護定值可以根據現場不同的工況進行參數設定，內置雷擊過流保護裝置，提高了設備的保護功能和系統的保護功能。

12) 寬范圍抗電壓波動能力

輸入電壓適應性強，允許網側電壓在10%～-15%之間波動。同時具有AVR功能，能夠根據母線電壓的波動自動調整輸出電壓。網側電壓在短時間小于85%～65％額定值或大于110%～120％額定值，高壓變頻調速系統不停機，保證電機持續運行。

13) 超長瞬時掉電不停機，有效避免電網不穩定帶來的停機問題

我司高壓變頻器采用更好的瞬停處理方式，可以做到適應電網晃電1S以上，不管是風機，還是水泵，都可以做到該效果。如果風機類負載，最多可以電網晃電5S都沒有問題。

14) 超低頻轉速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動

具有全頻段的轉速自動跟蹤啟動功能，不論電機掉電多久，不論電機在頻段高低時，都能自動搜索跟蹤電動機轉速，按照設定加減速時間恢復正常運行狀態，不用顧慮電機的運行狀態，可以實現高壓電機即時的啟動和停止控制，保證機組安全啟動。

15) 對稱旁路功能，單元體雙旁路技術，系統可靠性更高

采用的是機械式旁路（外部旁路）與電子旁路（內部旁路）可選的策略，其中機械式旁路可在200ms完成功率單元的自動旁路，而電子旁路，因為都是電子元器件控制，其動作時間就會很快，毫秒級就能完成旁路的動作。并且不論是機械式旁路還是電子旁路，都經過了嚴格重載，小慣量負載的驗證的，完全可以可靠的旁路。

16) 雙上電限流電路設計，有效保護系統安全、延長設備壽命

采用了硬件限流以及軟件限流技術，當有效保護了因為負載突變而導致的系統過流故障的問題，提高了產品的可靠性

17) 抗輸出短路保護技術

系統在輸出線纜短路的時候，能夠迅速保護，不會造成別的不良后果。

4.3 改造控制方式

改造前控制方式：通過高壓真空接觸器直接啟動。

改造后控制運行方式：

改造后要求實現手動啟動和自動變頻運行兩種方式?？刂品绞綖橐煌弦?，一次回路由進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電機自動投入到工頻電網運行，保證生產不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。

變頻器運行方式為開環運行，對運行中的循環水壓力實現跟蹤控制。 

4.4 變頻控制自動旁路柜

改造后提供的旁路方案如下：

根據與用戶方初步溝通，按照用戶的使用要求推薦采用一拖一手動旁路，其主接線方式如下圖所示：

變頻調速系統由用戶開關、手動切換旁路柜、GD5000系列高壓變頻調速系統、高壓電機組成。

一拖一手動切換旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1～QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，變頻器輸出QS2和旁路高壓隔離開關QS3機械閉鎖，不能同時閉合，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。

圖4一拖一手動旁路柜

a) 電機在變頻運行狀況下時，QS1、QS2閉合，QS3斷開。如需切換至工頻運行時(故障)，系統先停止變頻器輸出，斷開用戶開關, 再由機械操作依次斷開QS1、QS2，然后機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側，再合上用戶開關，使電機工頻運行；

b) 故障排除后需要切換至電機變頻運行時，系統先斷開用戶開關，由機械操作斷開QS3，然后由機械操作依次閉合QS1、QS2，使電機切換至變頻側，再合上用戶開關, 可設置變頻器自動檢測電機運行相位和頻率，在沒有電流沖擊的情況下，電機投入變頻運行。

優點：采用上述一拖一手動型式，即可滿足使用要求，也可以節省一次投資成本，同時保證正常可以變頻運行，大大提高設備使用效率。其次，根據需求調節電機轉速，減小閥門阻力，延長了設備的使用壽命和維護費用。

高壓變頻器設備現場運行照片如圖5所示。

圖5設備現場運行照片

人機界面運行界面如圖6所示。

圖6人機界面運行界面

5、現場設備改造測試節能效果

循環水泵變頻節電改造后，2015年5月26日，正式投入生產，至今運行正常。經過廠能源利用監測中心測試，系統達到了預期的效果：實施變頻改造后，循環水泵用電量有明顯下降，設備實現了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。

通過現場設備運維人員統計數據的計算分析可，采用變頻調速運行后，月節電大約18000度，節能效果十分明顯。

附加收益

另外循環水泵變頻節電改造后，具有軟啟動、軟停止；提高了機組水泵的運行效率；現場噪音大大降低，有效改善現場的運行環境，運行人員反映良好；便于實現電廠循環水泵機組控制系統自動化管理。

經過改造這個變頻系統就相當于一個自動調節閥，用多少，供多少，實現供需平衡，節約能源。

6、結束語

經過國內變頻器廠家的不斷努力，國內變頻器產品水平已達到國際同類產品先進技術水平，國內變頻器產品以其性能良好，良好的本地化服務，性價比高，廣泛應用于各行各業，并且節能效果顯著，能短期內為用戶收回投資。隨著國家目前對節能減排工作力度空前加大，變頻調速技術發展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發展時期。

作者簡介：深圳市英威騰電氣股份有限公司   技術支持工程師   王建祥

參考文獻：

【1】深圳市英威騰電氣股份有限公司 《GD5000系列高壓變頻器產品說明書》

【2】黃威、 黃禹 《變頻器的節能與改造》化學工業出版社 2011-03出版

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關于英威騰：

英威騰，成立于2002年，致力于成為全球領先、受人尊敬的工業自動化和能源電力領域的產品與服務提供者，2010年在深交所A股上市，股票代碼：002334。英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業，目前擁有15家控股子公司，分駐于全國的12大研發中心，申請各類專利700多件，依托于電力電子、電氣傳動、自動控制、信息技術等關鍵技術，主要產品涵括高中低壓變頻器、電梯智能控制系統、伺服系統、PLC、HMI、SVG、UPS、電機和電主軸、光伏逆變器、節能減排在線管理系統、軌道交通牽引系統、新能源汽車電控系統等。英威騰現有員工2000多人，大型生產基地3個，營銷網絡遍布國內及海外60多個國家和地區。