高壓變頻器調(diào)速節(jié)能原理

1、 包頭稀土鋁業(yè)有限責(zé)任公司是一家大型現(xiàn)代化鋁電一體化工廠，一期工程于2003年10月28日投產(chǎn)。目前已形成88萬噸/年產(chǎn)能，配套建設(shè)的熱電機組已經(jīng)陸續(xù)建成。包頭希鋁各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)在國內(nèi)領(lǐng)先，是一個高起點、大容量、低污染的大型現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)。該項目被中國光彩事業(yè)促進會列入全國光彩事業(yè)重點項目。公司鋁電和生物工程循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，具有獨特的競爭力，被授予內(nèi)蒙古自治區(qū)級循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)。

包頭希望鋁業(yè)熱電廠總裝機容量1320MW，電廠一期4*155MW機組、二期2*350MW機組已全部并網(wǎng)發(fā)電。電廠現(xiàn)有2臺155MW凝汽式發(fā)電機機組運行，隨著電網(wǎng)內(nèi)大機組的相繼投產(chǎn)，該廠的調(diào)峰任務(wù)越來越重，峰谷差日益增大，根據(jù)現(xiàn)場運行資料統(tǒng)計，155MW機組每日的負荷一般在73.6MW左右。系統(tǒng)處于低負荷運行時，系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也要隨著負荷的變化作相應(yīng)的調(diào)整，必須通過關(guān)小擋板或閥門來調(diào)整風(fēng)量及流量。此時，電動機輸出功率大量的能源消耗在擋板上，節(jié)流損失很大。異步電動機在直接啟動時，啟動電流一般達到電動機額定電流的5-7倍，啟動電流過大將造成電網(wǎng)電壓波動，影響其他電氣設(shè)備的正常運行，同時電動機自身繞組嚴(yán)重發(fā)熱，加速絕緣老化，縮短使用壽命。而高壓變頻器調(diào)速裝置可以實現(xiàn)電機的軟啟動，通過調(diào)整頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，滿足不同負載的工藝要求，是解決以上矛盾的有效手段。

2、高壓變頻器調(diào)速節(jié)能原理

2.1高壓變頻器工作原理

高壓變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的，從而實現(xiàn)電動機電壓和頻率的平滑變化。

根據(jù)電機學(xué)原理，交流異步電動機轉(zhuǎn)速由下式確定:

式中：n，f——分別為電動機轉(zhuǎn)速，供電頻率; n，s——分別為電動機極對數(shù)，轉(zhuǎn)差率。 由式(1)可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關(guān)，改變極對數(shù)的成為變極調(diào)速，此種調(diào)速屬于有極調(diào)速，調(diào)速不平滑，主要用于不需要頻繁變速的地方。改變電機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方式有：調(diào)壓調(diào)速，電磁調(diào)速，繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，該種調(diào)速需要產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)差率，消耗轉(zhuǎn)差功率，屬于低效調(diào)速。而通過改變電機的輸入頻率的變頻調(diào)速，近似無級調(diào)速，是高效不耗能的調(diào)速方式，也是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方式。 2.2 高壓變頻器節(jié)能原理 根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(或水泵)類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關(guān)系：

Q，H——分別為風(fēng)量，風(fēng)壓; n、T——分別為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩; P——軸功率。 由公式(2)、(3)、(4)可知，風(fēng)機(或水泵)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力(或揚程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機的電機所需的電功率亦可相應(yīng)降低。因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風(fēng)機節(jié)能的重要途徑。

3.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用情況

3.1 高壓變頻器的組成

森蘭SBH系列高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，采用多個低壓變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，屬于“高-高“電壓源型變頻器，該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置，滿足IEEE519-1992國際標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93國家標(biāo)準(zhǔn)對輸入諧波的要求。輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、共模電壓等問題，不必設(shè)置輸出濾波器，可直接拖動普通的異步電機。 其原理框圖如圖1 所示：

電網(wǎng)輸入經(jīng)多副邊移相變壓器提供多套副邊輸出分別給功率單元供電，再由多個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相輸出的方式構(gòu)成三相輸出，主控系統(tǒng)通過控制每個功率單元的PWM輸出來控制變頻器輸出電壓的頻率和幅值，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。主控系統(tǒng)和單元之間通過光纖進行通訊，既保證信號的可靠傳輸，同時保證主控制部分與高壓部分的絕緣隔離。

3.2高壓變頻系統(tǒng)配置方案

此次7套SBH高壓變頻器應(yīng)用于電廠一期4*155MW機組，負載為3臺凝結(jié)水泵，功率為200kw，4臺送風(fēng)機，功率為630kw。 根據(jù)現(xiàn)場實際情況，7套高壓變頻器的現(xiàn)場主回路均采用手動一拖一的方案，如下圖：

1、QS1、QS2和QS3為3臺高壓隔離開關(guān)，QF為用戶側(cè)高壓開關(guān)。QS2、QS3之間存在機械連鎖。

2、刀閘開關(guān)不能帶負荷分合閘操作。當(dāng)要對QS1、QS2、QS3進行操作時，必須將上級開關(guān)分?jǐn)嚅_，才允許進行開關(guān)操作。

3、QS1、QS2閉合時，QS3斷開時，QF閉合時，電機由變頻器控制調(diào)速運行。

QS1斷開、QS2斷開、QS3閉合時，電機可由QF直接啟停并進行保護，變頻器可完全和電網(wǎng)脫離，便于維護與檢修。 3.3 運行情況及節(jié)能效益 7套高壓變頻器于2011年11月10日到11月29日完成安裝及所有現(xiàn)場調(diào)試項目。11月30日所有設(shè)備正式投入生產(chǎn)，所有變頻器運行良好，節(jié)能效果明顯。 通過記錄現(xiàn)場#5爐、#6爐各兩臺送風(fēng)機變頻改造投運后的耗電量，可以得出，相對于改造前#5爐、#6爐一周可節(jié)電量約為49272 kwh，同比節(jié)電率為20%，節(jié)電效果明顯。 下表為#5爐、#6爐風(fēng)機變頻節(jié)能周對比數(shù)據(jù)

#5爐#1送風(fēng)機(kwh)#5爐#2送風(fēng)機(kwh)#6爐#1送風(fēng)機(kwh)#6爐#2送風(fēng)機(kwh)合計(kwh)

2011.12.1-12.754222542164417244406197016

同比累計66276675485630456160246288

差值1205413332121321175449272

節(jié)電率18.19%19.74%21.55%20.93%20%

除去檢修時間，每年按300天計算，電費單價為0.5元/kwh，則年節(jié)省電費為：630*20%*300*24*0.5≈45萬元。

4、總結(jié)

我國擁有為數(shù)眾多的小型電力企業(yè)和各行業(yè)大型企業(yè)的自備電廠，這些電廠多數(shù)為中、小型機組，數(shù)量多，單機容量小。不僅發(fā)電機組陳舊，其所屬的主要輔助設(shè)備也較落后，效率低，設(shè)備選型不當(dāng)，大馬拉小車。風(fēng)機水泵的流量壓力調(diào)節(jié)方式基本為進出口閘門的調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，采用高壓變頻技術(shù)對高能耗用電設(shè)備進行技術(shù)改造，不僅能直接收到降低廠用電、降低供電煤耗、增加上網(wǎng)電量帶來的直接經(jīng)濟效益，而且對設(shè)備的安全、可靠運行，減少設(shè)備故障等都起到了積極的作用。 森蘭SBH系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質(zhì)量好，適合于電廠輔機的變頻調(diào)速，能提高電廠運行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為電廠帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益。