變頻器在發(fā)電廠中的應(yīng)用實踐

摘要：介紹了變頻器的安裝環(huán)境、工作原理、特性、選型要求以及在某發(fā)電廠的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器；轉(zhuǎn)矩；負(fù)載；低頻

作者簡介：李春（1970-），男，內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，內(nèi)蒙古興安熱電有限責(zé)任公司，工程師。（內(nèi)蒙古#8194;烏蘭浩特#8194;137400）

中圖分類號：TN733#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）15-0145-02

現(xiàn)代社會，能源非常短缺，能源的價格也大幅上升，各行業(yè)都提倡節(jié)能。特別是電力行業(yè)，不少設(shè)備都是高耗能的。采用變頻器，可以大大降低能源的消耗，于是電力企業(yè)不少設(shè)備都采用了變頻器。變頻器貫穿整個發(fā)電廠，變頻器的安全運行就成為電廠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，變頻器一旦出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)動設(shè)備的停運甚至損壞，危及電廠的安全運行，給電廠帶來不可估量的經(jīng)濟損失。由此可見，電力行業(yè)人員，特別是發(fā)電廠工作人員，應(yīng)掌握一點變頻器故障分析方面的知識，以便能夠第一時間察覺到變頻器的運行狀況。

一、實踐背景

興安熱電公司第二熱電廠兩臺鍋爐8臺給煤機是通過DCS開關(guān)量信號控制變頻器的啟/停，并由DCS產(chǎn)生4-20mA控制信號控制變頻器（7.5kW國產(chǎn)三菱），變頻器經(jīng)過內(nèi)部運算處理，去改變電源頻率，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，從而改變電機的出力，拖動給煤機電機（7.5kW）的運行。給煤機經(jīng)常在低頻率下運行（10%以下，轉(zhuǎn)速：40-200轉(zhuǎn)/分），運行非常不穩(wěn)定；經(jīng)常出現(xiàn)啟動或運行時變頻器因過流保護動作，導(dǎo)致電機停止甚至無法重新啟動，致使給煤機無法正常運行，嚴(yán)重威脅鍋爐的正常穩(wěn)定運行。

電氣回路由空氣開關(guān)、接觸器、中間繼電器、電流互感器、端子排、電纜等組成。它的優(yōu)點是：實現(xiàn)軟啟動，啟動電流小且平穩(wěn)，減少對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊。能連續(xù)無級調(diào)節(jié)給煤機的速度。節(jié)約能源。具有多種保護功能，易于維護、維修。

發(fā)電廠給煤機是電廠制粉系統(tǒng)中重要組成部分，是電廠重要的輔助動力設(shè)備，其主要任務(wù)是為制粉系統(tǒng)磨煤機提供原料。制粉系統(tǒng)工藝流程如下圖1。

二、變頻器選用分析

1.變頻器環(huán)境要求

周圍溫度：-10℃至+50℃（不凍結(jié)），+40℃至+50℃需降容使用。

周圍濕度：90%以下（不結(jié)霜）。

周圍環(huán)境：市內(nèi)（無陽光直曬、無腐蝕、無易燃?xì)怏w、無油霧塵埃等）。

海拔高度：低于1000M。

我公司第二熱電廠給煤機控制柜擺放在給煤機附近，根據(jù)現(xiàn)場實際考察發(fā)現(xiàn)變頻器運行現(xiàn)場溫度、濕度以及海拔高度均符合變頻器使用環(huán)境要求，但值得注意的是現(xiàn)場衛(wèi)生環(huán)境惡劣、灰塵多、柜體防護等級不夠，這將會導(dǎo)致變頻器的過濾網(wǎng)被灰塵堵塞，影響變頻器的通風(fēng)散熱，造成輸出電流下降，力矩變小或誤報警等，嚴(yán)重時可以使主控板元件短路，造成元器件擊穿。由于給煤機控制系統(tǒng)屬于電廠非常重要的一個運行環(huán)節(jié)，電廠設(shè)計為每臺爐4臺給煤機，其中1臺備用，如果有2臺設(shè)備無法運行，將嚴(yán)重威脅電廠的正常運行，甚至停爐。

2.變頻器選型

變頻器的正確選擇對于控制系統(tǒng)的正常運行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負(fù)載特性。人們在實踐中常將生產(chǎn)機械分為三種類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和平方轉(zhuǎn)距負(fù)載。

（1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定。例如傳送帶、攪拌機、擠壓機等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機（包括給煤機等）位能負(fù)載都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時，低速下的轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。如果需要在低速下穩(wěn)速運行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)異步電動機的散熱能力，避免電動機的溫升過高。

（2）恒功率負(fù)載。機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。

（3）平方轉(zhuǎn)距負(fù)載。在各種風(fēng)機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉(zhuǎn)動，空氣或液體在一定的速度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的阻力大致與速度n的2次方成正比。隨著轉(zhuǎn)速的減小，轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的2次方減小。這種負(fù)載所需的功率與速度的3次方成正比。當(dāng)所需風(fēng)量、流量減小時，利用變頻器通過調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度地節(jié)約電能。由于高速時所需功率隨轉(zhuǎn)速增長過快，與速度的三次方成正比，所以通常不應(yīng)使風(fēng)機、泵類負(fù)載超工頻運行。

3.變頻器低頻機械特性

（1）低頻啟動特性。異步電動機改變定子頻率F1，即可平滑地調(diào)節(jié)電動機的同步轉(zhuǎn)速，但是隨著F1的變化，電動機的機械特性也將發(fā)生改變，尤其是在低頻區(qū)域，根據(jù)異步電動機的最大轉(zhuǎn)距公式：

Temax=3/2{np（U1/W1）2}/{R1/W1+/（R2/W1）2+（LL1+LL2）2}

式中，np——電動機極對數(shù)；

R1——定子每相電阻；

R2——折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；

LL1——定子每相漏感；

LL2——折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每漏感；

U1——電動機定子每相電壓；

W1——電源角頻率。

可見，Temax是隨著W1的降低而減小，在低頻時，R1已不可忽略。Temax將隨著W1的減小而減小，啟動轉(zhuǎn)距也將減小，甚至不能帶動負(fù)載。

（2）低頻穩(wěn)態(tài)特性。電動機穩(wěn)態(tài)運行時的轉(zhuǎn)距公式如下：

TL=3np（U1/W1）2SW1R2/{（SR1+R2）2+S2W2（LL1+LL2）2}

在角頻率W1為額定時，R1可以忽略。而在低頻時，R1已不能忽略，故在低頻區(qū)時由于R1上的壓降所占的比重增加，將無法維持M的恒定，特別是在電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化時，系統(tǒng)將出現(xiàn)抖動和爬行，因此在變頻器的選型過程中應(yīng)特別注意。

4.變頻器的選型原則和注意事項

選擇變頻器時應(yīng)以實際電機電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機的額定功率只能作為參考。另外，應(yīng)充分考慮變頻器的輸出含有豐富的高次諧波，會使電動機的功率因數(shù)和效率變壞。因此，用變頻器給電動機供電與用工頻電網(wǎng)供電相比較，電動機的電流會增加10％而溫升會增加20％左右。所以在選擇電動機和變頻器時，應(yīng)考慮到這種情況，適當(dāng)留有余量，以防止溫升過高，影響電動機的使用壽命。

對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高環(huán)境溫度、高開關(guān)頻率、高海拔高度等，此時會引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。

對于電廠給煤機、壓縮機、振動機等轉(zhuǎn)矩波動大的負(fù)載并且負(fù)載長期運行在低頻率的情況下，如果按照電動機的額定電流或功率值選擇變頻器的話，有可能發(fā)生過電流保護動作現(xiàn)象。因此，應(yīng)了解工頻運行情況，選擇比其最大電流更大的額定輸出電流的變頻器，通常放大1～2檔。

5.現(xiàn)場使用的變頻器分析

我公司第二熱電廠鍋爐給煤機選用國產(chǎn)三菱變頻器（7.5kW）作為電機控制設(shè)備，由DCS控制變頻器的啟/停以及頻率。

結(jié)合上述說明可知給煤機屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，而且經(jīng)常要在滿載或重載情況下啟動，它的機械特性要求變頻器在低頻率下要保持較高的轉(zhuǎn)矩。

按照一般變頻器的選型規(guī)則，應(yīng)該比較平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載和一般恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載放大一至二檔規(guī)格來選擇變頻器。

三、改造方案

第一，更換給煤機整套變頻控制設(shè)備，更換柜體結(jié)構(gòu)（2200*800*600），提升防護等級；將給煤機變頻器容量增加，以確保給煤機在低頻運行時的可靠性；將柜內(nèi)所有控制線纜改為屏蔽線纜，使變頻器與DCS保持信號準(zhǔn)確。

第二，將新柜體擺放到合適的位置，擺放時注意柜體應(yīng)垂直、固定，不應(yīng)左右搖晃。

第三，在電氣安裝接線之前，應(yīng)仔細(xì)檢查屏體外觀，內(nèi)部器件及門上的操作器件完好無損，屏內(nèi)器件裝置安裝緊固，接線無脫落、松散。接線時，將屏內(nèi)所有開關(guān)打開，斷開外部電源，以免發(fā)生人身及設(shè)備損害。導(dǎo)線連接應(yīng)緊固，并與其他導(dǎo)線絕緣隔離。

第四，重點改造主電源進線。

主回路電源AC380V，控制回路使用AC220V。接線應(yīng)按嚴(yán)格要求，并保證回路、相序正確，主回路外部電源L1、L2、L3供給QF1進線端，N中線接地。主回路連接時應(yīng)注意項序正確。

DCS信號線：啟動信號為開關(guān)量信號，運行時閉合；頻率控制及頻率反饋信號為標(biāo)準(zhǔn)4-20MA；運行及故障指示均為開關(guān)量信號，設(shè)備安裝完畢后應(yīng)仔細(xì)檢查所有連線是否正確。

（1）將負(fù)載拖開（電機和給煤機對輪打開），空載試運行變頻器，觀察變頻器運行停止是否可靠，以及變頻器的轉(zhuǎn)速和反饋是否與DCS的顯示一致。

（2）將負(fù)載連接（電機和給煤機對輪連接）帶負(fù)荷綜合測試，應(yīng)注意電機的電流和負(fù)載的穩(wěn)定性。

四、效果

我公司按上述方案實施改造后，通過在各種不同工況下的試運行，運行狀況十分穩(wěn)定，未發(fā)生各種故障現(xiàn)象。

五、結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯示出優(yōu)異的控制及調(diào)速性能，高效率、易維護等特點，使其成為電力行業(yè)轉(zhuǎn)動機械一種優(yōu)選的調(diào)速方案。但是，要使變頻器成功應(yīng)用于轉(zhuǎn)動機械調(diào)速，就必須針對轉(zhuǎn)動機械的特點，計算和選擇變頻器及外圍輔件，并在安裝與布線時采取特殊技術(shù)措施，以保證變頻調(diào)速轉(zhuǎn)動機械的穩(wěn)定、安全運行。

參考文獻：

[1]王廷才.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[2]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

（責(zé)任編輯：劉輝）