東方電子高壓變頻器在青島東億熱電廠送風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

于國先 張秀華 張德科

（1.天津外國語大學(xué)，天津 3000512.煙臺(tái)東方電子科技發(fā)展有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

一、引言

目前，我國的電動(dòng)機(jī)用電量約占全國發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量約占全國電力消耗的1/3，造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量地消耗在擋板、閥門的截流過程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般為20%～50%，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。

二、使用情況

本次涉及變頻改造的是青島東億熱電廠一#爐的一、二次送風(fēng)機(jī)，型號(hào)分別為YKK4003-4，YKK3554-4，變頻改造前，其均運(yùn)行在工頻狀態(tài)，其輸出功率通過風(fēng)門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中相當(dāng)大的一部分電能消耗在風(fēng)門擋板上，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能潛力巨大。

其中一次送風(fēng)機(jī)的額定功率為315 kW，額定電壓6 kV，額定電流37.8A，額定轉(zhuǎn)速1485 r/min，二次送風(fēng)機(jī)的額定功率為250 kW，額定電壓6 kV，額定電流30.4 A，額定轉(zhuǎn)速1485r/min。在此，相應(yīng)的兩套變頻器設(shè)備型號(hào)分別為：DF5000-Y06/39P、DF5000-Y06/32P。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場要求，我們配置的為一拖一的手動(dòng)旁路柜，當(dāng)變頻器發(fā)生重故障時(shí)，可以手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行。

一次系統(tǒng)圖

三、工作原理

DF5000系列變頻器采用交—直—交變頻技術(shù)，充分利用成熟的低壓變頻技術(shù)，采取單元串聯(lián)疊波技術(shù)，通過控制功率單元輸出PWM調(diào)制技術(shù)，每相均由5個(gè)功率單元串聯(lián)。

變頻運(yùn)行時(shí)，高壓6 kV電源通過旁路柜輸入到移相變壓器后輸出690 V電壓，分別給各個(gè)功率單元供電。而每個(gè)功率單元均經(jīng)過三相全橋不控整流后，再通過單相逆變輸出后，然后每相串聯(lián)疊加后輸出6 kV的高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。另外，每個(gè)功率單元都設(shè)有單元旁路裝置，防止在某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)影響變頻器的運(yùn)行，從而確保電機(jī)連續(xù)的運(yùn)行。

四、特點(diǎn)

DF5000系列高壓變頻器是東方電子自主研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種高可靠、高效率、高節(jié)能、無污染的高電壓大功率變頻裝置。它通過采用多級(jí)H橋功率單元箱級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)了高壓的完美波形輸出，設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高于0.95，無需進(jìn)行無功補(bǔ)償；系統(tǒng)效率大于98%；輸入輸出諧波滿足IEC及國標(biāo)對(duì)電網(wǎng)諧波最為嚴(yán)酷的要求，對(duì)電網(wǎng)無諧波污染，同時(shí)優(yōu)良的輸出電壓波形也消除了電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，附加應(yīng)力等問題，大大延長了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。豐富的用戶接口，模塊化的設(shè)計(jì)，友好的人機(jī)界面更可滿足用戶多變的現(xiàn)場需求，可廣泛適用于各種工業(yè)領(lǐng)域。

DF5000系列產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：

●多回路供電技術(shù)，無擾動(dòng)切換

DF5000變頻器控制系統(tǒng)具備外部提供輔助控制電源、高壓輔助控制電源兩路供電回路，各路之間無擾切換，高壓帶電后，即使無任何外部輸入電源，系統(tǒng)均可正常工作，進(jìn)一步提高了可靠性。

●高可靠性EMC設(shè)計(jì)

東方電子憑借在電力系統(tǒng)多年的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)，DF5000變頻器控制系統(tǒng)采用光纖通信、光電隔離、電磁隔離、濾波模塊、軟件看門狗、硬件看門狗、柜體導(dǎo)電密封等EMC措施，大大提高系統(tǒng)的抗干擾性能，保證控制系統(tǒng)復(fù)位后仍可恢復(fù)至正常設(shè)定運(yùn)行狀態(tài)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

●預(yù)充電專利技術(shù)

為了防止高壓上電對(duì)輸入電源及高壓變頻器系統(tǒng)的沖擊，DF5000獨(dú)創(chuàng)的低壓整機(jī)系統(tǒng)預(yù)充電技術(shù)，避免了系統(tǒng)上電時(shí)的單元整流橋、電解電熱器不受沖擊而提高變頻器電解電容和功率器件的使用壽命，以及系統(tǒng)上電時(shí)變壓器勵(lì)磁涌流與充電電流同時(shí)導(dǎo)致進(jìn)線電流過大，超過開關(guān)柜上配置的工頻運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)的誤動(dòng)，保證工變頻進(jìn)線開關(guān)保護(hù)無需變化。

●系統(tǒng)無高壓可調(diào)試控制功能

采用獨(dú)創(chuàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)沒有高壓時(shí)即可對(duì)包括功率單元在內(nèi)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，具有單元直流母線電壓與電容參數(shù)、IGBT狀態(tài)、溫度檢測等功能，顯示信息齊全，控制精準(zhǔn)，真正做到系統(tǒng)在沒有高壓電源情況下輸出真實(shí)波形，保證系統(tǒng)的安裝調(diào)試、運(yùn)行診斷、維護(hù)的方便與全面性。

●加、減速自適應(yīng)功能

DF5000系統(tǒng)充分利用變頻器短時(shí)間的電流過負(fù)載裕度和直流過電壓裕度，保證在不正確的加、減速設(shè)定時(shí)間下裝置不會(huì)在加、減速過程中保護(hù)停機(jī)，有效的解決了變負(fù)荷下加、減速時(shí)間的自適應(yīng)控制。

●專利保護(hù)配置功能與技術(shù)

DF5000系統(tǒng)汲取了東方電子在監(jiān)控和保護(hù)領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢，控制系統(tǒng)保護(hù)功能配置完全參照IEC中壓變頻傳動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)IEC61800－4標(biāo)準(zhǔn)（我國國家標(biāo)準(zhǔn)等同采用）的要求，配置齊全，包括控制系統(tǒng)、功率單元、高壓電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等每個(gè)部分動(dòng)態(tài)監(jiān)測，引入多種專利容錯(cuò)和保護(hù)技術(shù)，使系統(tǒng)做到真正穩(wěn)定、可靠。

●安全可靠的機(jī)械式功率單元旁路技術(shù)

為了能使變頻器在某個(gè)（幾個(gè)）功率單元故障時(shí)，系統(tǒng)還能正常運(yùn)行，系統(tǒng)需要配置單元旁路功能。DF5000系統(tǒng)采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，采用完全機(jī)械式旁路。實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的真正隔離、并對(duì)機(jī)械旁路的觸點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋，徹底避免了電子式旁路無法進(jìn)行旁路觸點(diǎn)監(jiān)測、以及由于功率單元的電源故障引起旁路無法實(shí)現(xiàn)問題，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

●完善的故障記錄和事故追憶方式

DF5000高壓變頻器繼承了東方電子在電力領(lǐng)域的監(jiān)控優(yōu)勢，系統(tǒng)具有完善的故障監(jiān)測和錄波功能。為了方便事故的追憶和原因分析，DF5000主控制器配有海量存儲(chǔ)設(shè)備（標(biāo)配2G容量工業(yè)級(jí)CF存儲(chǔ)卡，可存儲(chǔ)一年以上歷史數(shù)據(jù)），所有故障信息都有記錄，并可對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行錄波，打上時(shí)標(biāo)信息加以區(qū)分，實(shí)時(shí)地在HMI界面上通過事項(xiàng)記錄觀測到故障信息，同時(shí)也可以通過系統(tǒng)維護(hù)軟件或后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取，方便進(jìn)行事后故障原因分析和診斷。

●自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)替代普通PLC控制

東方電子根據(jù)從事電力行業(yè)保護(hù)、測控、監(jiān)控等產(chǎn)品20余年的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)PLC反應(yīng)慢的缺點(diǎn)，自主開發(fā)了有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DF1725B平臺(tái)替代工業(yè)PLC產(chǎn)品，完成整個(gè)開關(guān)邏輯功能及現(xiàn)場模擬信號(hào)的采集等功能，并且該平臺(tái)在東方電子5個(gè)系列產(chǎn)品上有10余年的可靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

DF5000系統(tǒng)硬件上采用32位高端CPU、電機(jī)專用高速DSP、FPGA、多通道同步16位A/D采樣等東方電子特有的技術(shù)平臺(tái)，軟件上采用國際先進(jìn)的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)VXworks操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備同時(shí)處理多個(gè)突發(fā)事件的能力，大大提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)速度和處理能力。例如對(duì)外部遙信量的采集，DF1725B只需要10mS即可完成系統(tǒng)的軟硬件遵循模塊化、積木化的設(shè)計(jì)理念，具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)。系統(tǒng)控制單元、功率單元、I/O插件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以靈活配置擴(kuò)充、便于用戶系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)更換，不至于因某個(gè)器件的故障造成大部分設(shè)備的更換，使用戶的利益最大化。

●強(qiáng)大的通信功能

DF5000 具 有 工 業(yè) 以 太 網(wǎng) ，RS232，RS485，PROFIBUS-DP/MPI等硬件多種通信接口，并集成了豐富的規(guī)約接口（多達(dá)上百種），可以與多種后臺(tái)進(jìn)行通訊。

●強(qiáng)大的抗電磁干擾能力

DF5000高壓變頻器具有卓越的電磁兼容抗干擾性能，在國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的測試中，DF5000做到電磁兼容最嚴(yán)酷等級(jí)4級(jí)。

五、效益

1．節(jié)省電能：通過高壓變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（頻率）方式，降低了風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的耗電量，改善了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，降低了廠用電率和發(fā)電成本，符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策，具備良好的社會(huì)效益；

2．改善設(shè)備運(yùn)行情況：采用變頻無級(jí)調(diào)速，改進(jìn)了風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，避免了人工方式來調(diào)節(jié)檔板的麻煩和不具實(shí)時(shí)性的情況，減少了對(duì)設(shè)備的磨損，延長風(fēng)機(jī)使用壽命，降低維修費(fèi)用；

3．降低電機(jī)啟動(dòng)電流：電機(jī)工頻啟動(dòng)電流一般為額定電流的6～8倍，嚴(yán)重影響電機(jī)的絕緣性能和使用壽命，并會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊，而通過高壓變頻器可實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的軟啟動(dòng)，降低電機(jī)啟動(dòng)電流，延長電機(jī)使用壽命，降低電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

六、結(jié)束語

變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來越廣泛的深入到行業(yè)中。節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢，使得應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)成為改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在熱電廠這樣的高能耗且設(shè)備較多的企業(yè)，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)這也是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。

DF5000系列變頻器在應(yīng)用后顯著降低了輸入電流，而其優(yōu)異的節(jié)能作用定會(huì)在以后的運(yùn)行過程中得到驗(yàn)證，并且其強(qiáng)大功能、先進(jìn)的技術(shù)、優(yōu)異的運(yùn)行結(jié)果也定會(huì)得到廠家的肯定！