變頻器在熱網(wǎng)中的應用介紹

夏 帥

（太原熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030013）

引言

當前不斷擴大的城市化進程中，集中供熱展現(xiàn)出了良好的節(jié)能與環(huán)保特性。熱網(wǎng)運行應用了大量以三相異步電機為驅(qū)動的水泵以及鍋爐風機，使用已經(jīng)發(fā)展成熟的變頻器對電機進行全面控制是有效改善熱網(wǎng)調(diào)節(jié)效果、降低能耗的手段。變頻器自20 世紀60年代末出現(xiàn)，至80 年代中后期逐漸發(fā)展成熟，其通過改變電源頻率從而控制交流電機運轉(zhuǎn)速度，現(xiàn)已在工業(yè)領(lǐng)域得到普及應用。

1 變頻器原理

交- 直- 交型低壓變頻器即先將工頻交流電整流為直流，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)樗璧慕涣麟婎l率。結(jié)構(gòu)分為主回路與控制回路兩大部分，主回路分為三部分，如圖1 所示。

圖1 變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖

圖1 中A 部分為整流電路。通過6 只二極管VD1～VD6 組成的橋式整流電路將輸入380 V 工頻交流電整流成約540 V 直流電。某些變頻器會將二極管VD1、VD3、VD5 替換為可控硅，變成半控橋式整流電路。通過控制可控硅觸發(fā)導通角來間接控制儲能電容充電電流值的大小，省去了預充電電阻R1 與接觸器K 的組合。

B 部分為直流電路。R1 為預充電電阻，在上電初期為儲能電容C1、C2 進行預充電。防止在上電初期由于電容容量大導致充電電流過大對電路造成沖擊。當預充電完成后，接觸器K 吸合短接R1。C1、C2 為電解電容，在變頻器中作為儲能、平波元件使用。由于其耐壓上限為450 V，所以將兩個電容串聯(lián)使用以提高耐壓性。

C 部分為逆變電路。主要由6 塊IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊組成。通過控制IGBT 模塊V1～V6的觸發(fā)次序、占空比實現(xiàn)直流電變?yōu)樗璧慕涣黝l率輸出。反向并聯(lián)VD7～VD12 是為了保護IGBT 在電機停機時不被產(chǎn)生的反向感應電動勢擊穿，利用其單向?qū)ㄐ詫菽芤氲街绷髂妇€正極。

2 控制電路組成部分

2.1 開關(guān)電源

開關(guān)電源作用是為整個控制電路提供電能，將主回路充當電源，通過整流- 濾波- 脈沖調(diào)制技術(shù)將電壓調(diào)整為所需要的值。通常情況下開關(guān)電源提供的電壓等級為5 V、±15 V、24 V、15 V、-7.5 V，其中5 V 為CPU 及附屬電路、操作面板供電；±15 V 為檢測回路供電；24 V 為外部接線端子、散熱風扇供電；15 V、-7.5 V 為IGBT 導通閉合供電。

2.2 CPU 電路

CPU 電路是變頻器控制電路的核心，起到運算、存儲、通信等功能，通過操作面板或通信接口與人進行人機交互，實現(xiàn)操作目的，如圖2 所示。主要由CPU、寄存器、通信端口、中斷電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路等組成。

圖2 CPU 電路原理圖

變頻器核心的調(diào)速功能是CPU 電路利用PWM及脈沖寬度調(diào)制技術(shù)進行數(shù)學運算，運算結(jié)果以數(shù)字脈寬調(diào)制信號的方式輸出至驅(qū)動電路，再由驅(qū)動電路對信號進行放大來直接驅(qū)動IGBT 的通斷，來達到直流電到交流電的逆變目的。

2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是由驅(qū)動芯片以及外圍電子元器件組成，從而控制IGBT 的觸發(fā)，實現(xiàn)將直流電逆變?yōu)榧榷l率的交流電電路。如圖3 所示，是以美國安華高公司推出的HCPL-A316J 光耦合驅(qū)動芯片為核心的驅(qū)動電路簡化圖。芯片輸出電流值最大為2.5 A，可驅(qū)動150 A/1200 V 的IGBT，其內(nèi)部輸入、輸出側(cè)采用光電隔離電路，簡化了外接光電隔離電路；同時帶有IGBT監(jiān)測功能，可實現(xiàn)與CPU 之間的故障報警與復位，適用于逆變器、開關(guān)電源等多種用途。該芯片在驅(qū)動電路的應用中可以6 只IGBT 都使用，也可以只在下橋臂也就是V2、V4、V6 中使用，上橋臂3 個IGBT 使用其他規(guī)格的驅(qū)動芯片替代，以節(jié)約成本。

圖3 驅(qū)動電路簡化圖

該芯片共有16 個管腳，其中主要管腳作用如下：

管腳1、2 為CPU 控制信號輸入端口。CPU 輸出0～5 V 的數(shù)字脈寬調(diào)制信號用以驅(qū)動芯片工作，當輸入高電平時芯片輸出正向電壓IGBT 導通，輸入低電平時芯片輸出反向電壓IGBT 截止。

管腳3、4 為輸入側(cè)供電電源正/負，供電電壓一般為5 V。

管腳6 為故障報警。正常情況下為高電平輸出至CPU(≥2 V)，故障時變?yōu)榈碗娖剑ā?.8 V），同時管腳11 被鎖定輸出反向電壓無法觸發(fā)，直到被復位鎖定解除。

管腳5 為故障復位。正常時由CPU 輸出高電平信號，直到CPU 輸出一個低電平信號芯片被復位。C1、C2 為濾波電容，防止瞬態(tài)干擾引起誤動作。

管腳11 為IGBT 觸發(fā)/截止信號端。IGBT 觸發(fā)電壓范圍一般為15～18V，不低于12V，典型值為15V。截止電壓范圍一般為-10～-7.5 V，不高于-5 V，典型值為-7.5 V。其中Z1、Z2 為正負偏壓鉗位穩(wěn)壓管。

管腳12、13 為輸出側(cè)電源正與IGBT 導通驅(qū)動電源。

管腳9、10 為輸出側(cè)電源負與IGBT 截止驅(qū)動電源。芯片輸出側(cè)供電電壓約為22 V，如果電源電壓低于12 V，為了保護IGBT 芯片將會強制截止鎖定。

管腳16 為IGBT 發(fā)射極公共端。管腳14 為壓降檢測端。14、16 經(jīng)過IGBT 的C 端與E 端構(gòu)成IGBT管壓降檢測電路。電流通路為管腳14→R2→D1→IGBT 集電極→發(fā)射極→管腳16，C3 為濾波電容。正常情況下IGBT 壓降不大于3 V，當檢測到IGBT 壓降達到7 V 時，說明IGBT 狀態(tài)異常。管腳5 由高電平變?yōu)榈碗娖?，變頻器停機報故障，直到故障排除通過管腳5 復位成功，芯片才可重新運行[1]。

2.4 檢測電路

檢測變頻器的輸入電壓、電流、IGBT 溫度、頻率等參數(shù)。為了能夠反饋變頻器各項參數(shù)，保證變頻器及其驅(qū)動的電機在工作過程中狀態(tài)正常，在發(fā)生故障時及時停機避免故障進一步擴大。變頻器內(nèi)部各環(huán)節(jié)都設(shè)置有檢測電路數(shù)據(jù)采樣點。根據(jù)采樣控制原理，以毫秒或微秒級的采樣速度將各種運行參數(shù)在采樣后，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換或直接輸出至CUP 電路。起到保護、反饋數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)運行狀態(tài)的目的。

3 變頻器應用介紹

變頻器在供熱系統(tǒng)中的應用實現(xiàn)了諸多以往難以實現(xiàn)或可以實現(xiàn)但性能不夠良好的功能，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在運行控制與節(jié)能兩方面。

3.1 運行控制

1）實現(xiàn)電機軟啟動：電機直接啟動時的電流為額定電流的4～7 倍，大于7.5 kW 的電機啟動需要加裝啟動設(shè)備以抑制啟動電流對線路電壓的影響。在實際工作中供熱系統(tǒng)受供熱面積的影響電機功率往往大于7.5 kW，且受變壓器容量限制需要加裝啟動裝置來實現(xiàn)啟動。傳統(tǒng)的Y-Δ 降壓啟動、自耦降壓啟動等啟動方式雖然可以抑制啟動電流但受到檔位限制，還是有一定量的二次沖擊電流造成線路電壓波動，在停運時自由停機會引起水錘效應增加管道損傷率。而變頻器具有軟啟動功能，可以根據(jù)負載情況，通過調(diào)節(jié)加/減速時間來改變電機運行加速度，使電機轉(zhuǎn)速緩慢平滑上升，抑制了啟動電流，實現(xiàn)了無級變速。軟啟動減小了線路電壓波動、增加了電機的使用壽命、平滑的水泵轉(zhuǎn)速上升與下降減小了水壓波動對管道、閥門的機械沖擊。

2）直流制動：在某些熱力站存在單流門密閉不嚴，導致水泵在停機狀態(tài)下倒轉(zhuǎn)的情況，致使變頻器在電機啟動時報過流故障無法啟動。出現(xiàn)這種情況可利用變頻器直流制動功能，在電機啟動前對電機繞組通入直流電建立靜止磁場，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應電流形成反向轉(zhuǎn)矩進行制動，當反轉(zhuǎn)停止后再正常啟動。

3）方便對電機進行調(diào)速：通過變頻器自帶調(diào)速按鍵或上位機系統(tǒng)可方便對電機進行調(diào)速，精度保持在±0.5%以內(nèi)，調(diào)速范圍可達到1∶100。熱網(wǎng)中所涉及的電機都是50 Hz 工頻電機，正常工況中電機工頻一般在25～45 Hz，設(shè)備調(diào)試通常要求電機工頻在5 Hz 以下，升壓測試電機工頻可能要達到45 Hz 以上，變頻器完全可以滿足任何階段的運行需求。在需要恒壓補水的場合可以使用變頻器自帶的PID 功能結(jié)合現(xiàn)場回水管壓力變送器對電機實施閉環(huán)控制，自動頻率調(diào)節(jié)以達到管道水壓始終保持恒定的目的。

4）方便調(diào)試與維護：在調(diào)試階段可以點動使電機低速旋轉(zhuǎn)以觀察電機旋轉(zhuǎn)方向是否正常，如果錯誤可通過在變頻器內(nèi)設(shè)置正轉(zhuǎn)- 反轉(zhuǎn)的功能加以修正，免去了調(diào)換電纜接頭的工作省時省力。利用電流監(jiān)測功能方便觀察設(shè)備空載時電流值大小，并進行橫向?qū)Ρ?。如發(fā)現(xiàn)異常值及時排查異常原因，解除故障隱患。對于一些銘牌丟失或返修的電機，可以利用變頻器的參數(shù)自整定功能對電機參數(shù)進行辨識，確保參數(shù)的準確性。當出現(xiàn)故障停機時，可根據(jù)變頻器所提示的錯誤代碼快速查找故障原因，節(jié)省維修時間與工作強度。

5）具備遠傳通信功能：以往水泵調(diào)節(jié)需要運行人員駐站手動進行，費時費力且用工成本較高。采用變頻器后，由于其集成多種外接端口，滿足模擬量、數(shù)字量信號的輸入/ 輸出功能。能夠識別電壓、電流、RS232/485 等多種通信模式，具有方便與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信的特點。將其與站內(nèi)PLC 建立通信進行數(shù)據(jù)交換，以滿足遠程調(diào)節(jié)頻率監(jiān)視運行狀態(tài)達到站內(nèi)運行無人化，以降低人員工作強度與用工成本的目的。由于4～20 mA電流信號具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強、方便測量、具有斷線檢測等優(yōu)點，所以采用兩線制4～20 mA 電流信號完成PLC 中AI 模塊對變頻器頻率反饋值的采樣以及AO 模塊對頻率的遠程調(diào)節(jié)。利用變頻器內(nèi)部數(shù)字量輸出端子將變頻器運行、故障狀態(tài)反饋至PLC 的DI 模塊。

為了避免接線錯誤或漏電等事故造成強電進入變頻器弱點電路，造成電路板燒毀。在變頻器外部設(shè)置直流電源、信號隔離器、繼電器形成電氣隔離，最大程度保護變頻器安全。

6）運行可靠性增加：變頻器具有完整系統(tǒng)的監(jiān)測保護功能，可對自身以及電機進行實時監(jiān)控。變頻器的數(shù)據(jù)采樣時間短，當發(fā)生過流、過載、線路缺相等故障時反應更迅速，對電機保護效果要優(yōu)于接觸器與熱繼電器的組合。

某些水泵、管道因為使用年限較長狀態(tài)欠佳，水泵轉(zhuǎn)速上限較低，需要謹慎操作。為了防止運行人員誤操作導致事故發(fā)生，利用變頻器的最大頻率給定功能可限制電機最高轉(zhuǎn)速防止誤操作。

變頻器內(nèi)使用了大量半導體器件來替代傳統(tǒng)的接觸器、繼電器，避免了出現(xiàn)觸頭燒蝕、機械卡頓等問題導致的斷路與接觸不良等故障。而且半導體元件本身經(jīng)過了幾十年的發(fā)展已經(jīng)相當成熟，在使用維護得當?shù)那闆r下設(shè)備壽命可達10 年以上。

3.2 節(jié)能效果

風機、水泵的電能耗占到采暖季總電能耗的90%以上，由于風機只在鍋爐調(diào)峰時使用而水泵需連續(xù)運行一個采暖季，水泵的能耗就尤為突出。降低風機、水泵能耗對降低費用支出有重大意義。變頻器沒有大量使用之前，風機、水泵電機以額定轉(zhuǎn)速運行，對介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)是通過改變風門和前后閥門開度進行。電機在設(shè)備選型時一般大于設(shè)計所需求功率約20%，在實際運行中介質(zhì)流量往往又小于設(shè)計額定值，兩項因素造成電能被白白浪費。變頻器的引入改變了這種高耗能的狀態(tài)，達到了低能耗運行的目的。

變頻器的節(jié)電是利用驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速下降越多節(jié)電就越多，而變頻器自身效率在93%以上能耗較小的特點，通過降低負載轉(zhuǎn)速進行節(jié)電。理論上風機、水泵類型負載電機轉(zhuǎn)速與能耗之間呈立方關(guān)系，實際在應用中對應關(guān)系如表1 所示，為一臺22 kW 水泵電機的調(diào)速數(shù)據(jù)。通過表1 可以發(fā)現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速越低能耗越低。在熱網(wǎng)運行中庭院網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)一直是采用質(zhì)調(diào)節(jié)，即保持水循環(huán)速度不變，通過改變庭院網(wǎng)水溫來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的高低。所以在保證水壓的前提下盡量降低電機轉(zhuǎn)速節(jié)能效果顯著。如果電機在額定狀態(tài)下工作，變頻器起不到節(jié)能作用。表1 中還體現(xiàn)出頻率低于30 Hz 能耗上升緩慢，35 Hz 以上能耗成倍數(shù)陡然升高，有一定的區(qū)間性。利用這一特點，在提前了解所在管網(wǎng)水泵自身的調(diào)速特點，再結(jié)合換熱機組為提高運行可靠性而采取的同規(guī)格雙泵并聯(lián)設(shè)計（一用一備），某些換熱機組需要單臺水泵以較高轉(zhuǎn)速輸出的管網(wǎng)，采取雙泵同時以低速運行，既滿足水壓的要求又達到了一定的節(jié)能降耗效果。普遍認為風機、水泵類型負載在使用變頻調(diào)速后可以節(jié)能約25%[2]。

表1 電機調(diào)速數(shù)據(jù)表

4 應用注意事項

變頻器作為精密電氣設(shè)備，對安裝維護有一定要求，只有滿足這些條件要求才能保證它的安全穩(wěn)定運行。

首先要保證變頻器的安裝選址正確。熱力站內(nèi)選址要在不易積水、結(jié)露的地方建立專用電器隔間；避免與管道設(shè)備同處一室；隔間內(nèi)不能有任何水管道；地面要高于站內(nèi)基準面；設(shè)置通風口，使相對濕度（RH）在95%以下。熱源廠內(nèi)選址除滿足以上條件的同時還要滿足環(huán)境溫度不高于40 ℃、無粉塵、附近無可燃物堆放的環(huán)境。

其次在安裝變頻器的同時要保證外殼接地良好，接地阻值不大于10 Ω。在需要開蓋檢修時務必切斷電源，并靜置10 min 以上保證變頻器內(nèi)部儲能電容放電完全才可開蓋，防止出現(xiàn)觸電事故。

最后在停運檢修的6.5 個月時間，為了保證變頻器電子器件的使用壽命，每隔兩個月對變頻器進行上電24 h，使電子器件可以進行充電、通風保持其良好性能[3]。

5 結(jié)語

通過長期的應用表明，變頻器在管網(wǎng)運行中利用其強大的功能在水泵、風機的啟停、調(diào)速、節(jié)能等環(huán)節(jié)均起到了良好的效果，具有廣闊的發(fā)展前景。