變頻器在電廠企業(yè)里的應(yīng)用

宋暉

1.變頻器發(fā)展歷史

早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列，F(xiàn)UJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比的控制方式.其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)，水泵調(diào)這場(chǎng)合。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一個(gè)階段是八十年代初日本研究者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量，該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制，典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI，F(xiàn)RN5OOOG5/P5，SANKEN-MF系列等。第二個(gè)階段是矢量控制，也稱磁場(chǎng)定向控制，它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河，它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)， 矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制，但是由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。第三個(gè)階段是1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論，直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流，磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。

2.變頻器在發(fā)電廠的應(yīng)用

隨著電力系統(tǒng)廠網(wǎng)分家，電廠發(fā)電競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的實(shí)施，在燃煤電廠的設(shè)計(jì)上，不僅要考慮在建設(shè)時(shí)降低成本和縮短建設(shè)周期，而且降低電廠的運(yùn)行成本也成為了一個(gè)重要的考慮因數(shù)。比如適當(dāng)?shù)奶岣呖刂扑剑m然在初期增加了投資，但是可以人工成本，而且能夠更好的控制運(yùn)行指標(biāo)，降低煤耗，最終從電廠整個(gè)壽命期進(jìn)行考慮的，尤其是在電氣設(shè)計(jì)中，廠用電率是一個(gè)重要的指標(biāo)，目前主要靠工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低設(shè)備耗電來(lái)降低廠用電率。電氣專業(yè)雖然通過(guò)電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇的優(yōu)化也能降低廠用電率，但效果不明顯。 國(guó)外電廠的廠用電指標(biāo)與國(guó)內(nèi)電廠相比明顯要低。經(jīng)調(diào)查了解到，主要是在輔機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面存在差距。國(guó)外電廠的風(fēng)機(jī)水泵已紛紛增設(shè)調(diào)速裝置，而國(guó)內(nèi)除少量汽動(dòng)力給水泵，液力耦合器及雙速電機(jī)外，其他風(fēng)機(jī)，水泵基本采用定速驅(qū)動(dòng)。定速驅(qū)動(dòng)在機(jī)組負(fù)荷偏低時(shí)，效率會(huì)降低，而調(diào)速驅(qū)動(dòng)則能一直保持較高效率。在各種調(diào)速手段中，變頻器技術(shù)是一種特點(diǎn)比較突出，效率高的一項(xiàng)調(diào)速技術(shù)。 變頻器技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而興起。它通過(guò)控制頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輸出功率，提供了優(yōu)秀的節(jié)能效應(yīng)。該技術(shù)目前已經(jīng)在其他行業(yè)如石油，化工得到廣泛的應(yīng)用。在電力行業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景，而且在國(guó)外電廠也得到了廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)可以概括為兩方面，分別是節(jié)能和工藝控制性能，對(duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，合理的采用變頻器可以降低廠用電率和提高全廠的工藝控制水平。

3.變頻器在風(fēng)機(jī)，水泵類輔機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

從目前的研究來(lái)看，變頻器在發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)，水泵類輔機(jī)的優(yōu)點(diǎn)突出，采用變頻調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)主要是節(jié)能，與傳統(tǒng)擋扳閥門調(diào)節(jié)相比，其優(yōu)點(diǎn)主要從五個(gè)方面體現(xiàn)，第一點(diǎn)是利用變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)給水量和給風(fēng)量的大小，既可以滿足生產(chǎn)運(yùn)行工況的要求，又可以達(dá)到節(jié)約電能的目的，同時(shí)減少因頻繁調(diào)節(jié)閥門擋板而造成閥門擋板損壞，管道磨損和經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。第二點(diǎn)是高壓變頻器與發(fā)電廠DCS相連接，可以實(shí)現(xiàn)高精度范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，全面滿足各種復(fù)雜工藝的需要，提高生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平。擋板閥門調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動(dòng)執(zhí)行器，故障較多，不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié)，擋板閥門動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)人員不易操作，操作不當(dāng)還會(huì)造成風(fēng)機(jī)震動(dòng)。第三點(diǎn)是能延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)水泵和風(fēng)機(jī)的使用壽命，變頻器可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)功能，減少啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，而采用擋板調(diào)節(jié)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6倍左右，啟動(dòng)電流很大，容易產(chǎn)生操作過(guò)電壓，損傷電動(dòng)機(jī)絕緣，嚴(yán)重威脅電動(dòng)機(jī)的使用壽命，而且因此采用變頻器調(diào)節(jié)后，減少機(jī)械部分的磨損振動(dòng)，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)和水泵的大修周期，節(jié)省大量的檢修費(fèi)用。第四點(diǎn)是高壓變頻器可對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，提高電廠用變壓器容量的有效利用率，避免風(fēng)機(jī)，水泵啟動(dòng)時(shí)廠用電電壓的大幅波動(dòng)，變頻器具有高功率因數(shù)，高效率，高質(zhì)量輸出，安裝變頻器后功率因數(shù)一般效率達(dá)96%以上。第五點(diǎn)是方便實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)頻繁啟停，方便實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，能最大限度的不間斷無(wú)跳閘運(yùn)行。變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力在一定范圍可以滿載輸出，變頻器可以在情況下電網(wǎng)電壓下降降額運(yùn)行，在完全失去電網(wǎng)電壓5個(gè)周波內(nèi)，可滿載運(yùn)行不跳閘，輕載時(shí)時(shí)間更長(zhǎng)。