摘 要：本文主要介紹高壓變頻器在循環(huán)流化床引風機、一次風機調(diào)速方面的應用，與傳統(tǒng)檔板調(diào)節(jié)進行比較及簡述高壓變頻器的基本原理、應用的技術方案。
關鍵詞：高壓變頻器、節(jié)能降耗

一、引言
新疆農(nóng)一師電力公司—塔里木熱電廠距離阿克蘇市區(qū)13公里，于96年該熱電廠建成的I期供熱工程，總機組發(fā)電容量為 2ⅹ12MW ，2臺鍋爐容量為2ⅹ75T/H ，總供熱面積為125萬㎡ ，由于城市的擴容和發(fā)展，人口的不斷增長，已經(jīng)完全不能滿足整個阿克蘇市區(qū)人民基本的取暖問題，所以每年每到冬日供熱期間，整個阿克蘇市區(qū)由于分散供熱所帶來的污濁的空氣，給人們的身心帶來了極大的傷害。為此農(nóng)一師電力公司以“集中供熱為阿克蘇人民送一片溫暖，集中供熱還阿克蘇人民一片藍天”為宗旨，自籌資金在阿克蘇市郊區(qū)建成了2 臺鍋爐容量為2ⅹ75MW ，總供熱面積為130萬㎡ 的II期供熱工程—塔里木（阿克蘇）供熱中心熱源廠。

二、供熱系統(tǒng)技術總方案：
整套技術方案本著“節(jié)能降耗”環(huán)保型、高效率的產(chǎn)品為主、并且要求技術領先成熟、產(chǎn)品運行可靠為前提，其2套供熱機組方案如下：
1、供熱鍋爐采用唐山信德鍋爐集團生產(chǎn)的QXX75-1.6/130/80-AII型循環(huán)流化床鍋爐
其循環(huán)流化床鍋爐具有高效、低污染、低成本等特點。
循環(huán)硫化床作為一種清潔高效燃燒技術在國際上被廣泛認可，循環(huán)流化床的燃燒是介于層燃和室燃之間的一種燃燒技術，是采用流態(tài)化的燃燒，其具有燃燒適應性廣、燃燒效率高、燃燒強度大，溫度分布均勻、由于采用低溫分級燃燒，高效脫硫、氮氧化合物排量低、負荷調(diào)節(jié)范圍大、污染物排放低、灰渣綜合利用性能好等特點，屬于環(huán)保型鍋爐，是國家大力推廣的新型鍋爐。其燃燒工藝如下：燃料由爐前給煤系統(tǒng)送入爐膛。送風系統(tǒng)由一次風（鼓風）和二次風組成，一次風由爐床下部送入爐膛，主要保證料層流化：二次風沿燃燒室分級多點送入，主要增加爐膛的含氧量起到助燃作用。燃燒后的物料變成一些較小的顆粒隨煙氣一起進入分離器，經(jīng)過固氣分離其中大部分顆粒由分離器下部的返料器重新送入爐膛，使爐膛內(nèi)有足夠高的灰度，保證流化；煙氣經(jīng)過電除塵器由引風機抽出。
2、引風電機（10KV、800KW）、一次鼓風電機（10KV、710KW）為長沙電機廠生產(chǎn)，其控制系統(tǒng)各2套均采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產(chǎn)的Power SmartTM－－高壓變頻調(diào)速控制裝置來對風機風量和風壓的控制。
風機系統(tǒng)中流量的調(diào)節(jié)如果采用改變檔板開度的方式，那麼就在檔板上產(chǎn)生附加的壓力損失，因而消耗了大量能源。所以采用變頻調(diào)速技術來控制風機系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約能源，就其高精度控制而使系統(tǒng)運行更加合理可靠。（以下將詳細說明也是本文的重點）
3、二次風機（380V、250KW）、羅茨風機（380V、75KW）、循環(huán)給水泵（380V、500KW）、給煤機（380V、55KW）的控制系統(tǒng)均采用美國伊頓公司生產(chǎn)的—低壓變頻調(diào)速控制裝置。

三、針對引風機、一次鼓風機就其控制系統(tǒng)，分別上高壓變頻器的前期調(diào)研與分析
1、引風機、一次鼓風機如果采用低壓（380V、800KW）的電機和低壓（380V、710KW）的電機，那么電機的額定電流將達到一千多安培，電機的控制系統(tǒng)-低壓變頻器其輸出的電流也要達到上千安培，對于要求設備長期可靠、穩(wěn)定的運行，表示擔心；
2、因在設計引風機和一次鼓風機的初期就將其容量付有裕量，不可能達到風機擋板全開、電機容量達到額定值的情況；
3、如果采用原來的是傳統(tǒng)做法，即風機以定速方式運行，通過風機擋板來調(diào)節(jié)風量和風壓，其主要弊端主要表現(xiàn)為：
3.1、調(diào)節(jié)擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加；
　 3.2、風機定速運行，擋板調(diào)整節(jié)流損失大，出口壓力高，系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費；
　 3.3、風道壓力過高，威脅系統(tǒng)設備密封性能；
　 3.4、長期的40－70％開度，加速擋板自身磨損，導致?lián)醢蹇刂铺匦宰儾睿?br /> 　 3.5、設備使用壽命短，日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的浪費；
　 3.6、設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資；
　 3.7、與DCS不能直接配合，難于實現(xiàn)自動化控制與操作。

四、Power SmartTM高壓變頻調(diào)速控制裝置系統(tǒng)技術方案：
1、系統(tǒng)組成：
Power SmartTM系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由切分移相干式變壓器柜、功率單元柜、控制單元柜、遠控操作箱、旁路開關柜等部分組成。變頻器整機如下圖所示：

1.1切分移相干式變壓器
切分移相干式變壓器為變頻器的輸入設備，一般由鐵心、輸入繞組、屏蔽層、輸出繞組及冷卻風機、過熱保護等部分構成。
為了兼顧安全、防塵、維護以及美觀等要求，一般將其安裝在柜內(nèi)。
Power SmartTM系列高壓變頻器選用的變壓器，其絕緣等級為H極，絕緣材料部分選用進口的美國杜邦公司優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，溫升可達155℃；真空浸漆，免維護。
變壓器的原邊為星形連接，在最內(nèi)側。副邊在外側，為沿邊三角形連接，根據(jù)不同的電壓等級，一般有9、18或27個三相的副邊繞組。在原副邊繞組之間另設有一層接地屏蔽層。副邊的三相繞組可分為三大組，分別供給功率單元柜中的三個相，每一大組中各個三相小繞組其輸出電壓幅值相同，之間的相位移有20O、10O或6.6O。
變壓器柜另配有溫度監(jiān)測裝置，在繞組溫度超過警戒溫度時能提供過熱警告信號和過熱故障信號。變壓器柜頂部裝有引風機以排出變壓器在工作時產(chǎn)生的熱量。柜門安裝有防塵網(wǎng)。
切分移相干式變壓器外形如下圖所示：


1.2控制單元柜
主控制器的外觀如下圖所示：


控制單元基本原理框圖：


控制單元柜主要由主控制器、溫控器、風機保護器、人機界面（數(shù)碼管和彩色觸摸屏可選）、PLC、嵌入式微機、開關電源、EMI模塊、隔離變壓器、空氣開關、接觸器、繼電器、模擬量模塊、開關量模塊等組成。
主控制器，由總線板、電源單元、CPU單元、接口單元、3個相控單元及開關量、模擬量的輸入、輸出子模塊等組成。它是變頻器的控制核心，由兩片DSP及多片F(xiàn)PGA、CLPD等構成，通過優(yōu)質(zhì)光纖將PWM信號傳送到功率單元中，從而實現(xiàn)了高可靠的控制。
溫控器，可以接3個感溫探頭，來測試切分變壓器的溫度，并提供告警或保護節(jié)點。
風機保護器，有3臺，用來監(jiān)控風機的缺相、過流等。其中，接功率單元柜的為2臺，切分變壓器柜1臺。
PLC，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)模塊和程序，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。它還含有模擬量、開關量模塊，其路數(shù)可根據(jù)用戶要求進行定制。
人機界面，設在控制單元柜前門上，用來提供設置、監(jiān)視和切換等操作。它分別有數(shù)碼管方式和彩色觸摸屏方式兩種，根據(jù)用戶需求可進行選配，分別如下圖所示：


1．3功率單元柜
功率單元柜，一般由1～2臺柜構成，主要由功率單元、電流互感器、輸出電壓檢測單元、風道風壓檢測裝置及高壓電纜等組成。
10KV系統(tǒng)功率單元共計27臺，平均分屬3個相（自上而下分別為U,V,W），每相9個首尾相串，相間采用星形連接。電流互感器作為電流采集、處理、監(jiān)視及電流閉環(huán)用，共2只，分別串入功率單元星點連接處的U相和W相上。輸出電壓檢測單元，輸入端分別接至星形連接的3個相端。用來檢測輸出電壓等信息。風道風壓檢測裝置用來實時檢測冷卻風道是否暢通，風壓可以實時動態(tài)顯示，它與風機電腦保護器、溫控器一起共同組成變頻系統(tǒng)冷卻監(jiān)視系統(tǒng)，進一步使變頻器熱量能夠及時傳導出去，確保變頻器可靠運行。


不同功率和電壓等級的變頻器，所采用的功率單元的型號是不同的。
2、工作原理：




功率單元模塊由整流、軟啟動、濾波、逆變、旁通、 PWM形成、驅動、保護、模擬量采集等電路組成。
功率單元模塊由整流二極管、絕緣柵雙極性晶閘管（IGBT）構成的三相低壓輸入，單相輸出低壓的PWM電壓型逆變器。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器；
Power SmartTM系列高壓變頻器是采用單元串聯(lián)多重化技術屬于電壓源型高-高式高壓變頻器，是利用低壓單相變頻器相互串聯(lián)，來彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器來獨立供電。
以10KV高壓變頻器為例，論述如下：10KV系列有27個功率單元，每 9個功率單元相串聯(lián)為一相。每個單元的輸入電壓為三相650V，輸出則為單相650V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓5850V。當變頻器輸出頻率為50HZ時，相電壓為19階梯波，如下圖所示。圖中UA1 … UA9分別為A相9個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。


由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產(chǎn)生的UAB輸出線電壓可達10000V以上，為37階梯波。如下圖所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，UAB不僅具有正弦波形而且臺階數(shù)也成倍增加，因而諧波成分及dV/dt均較小。


變頻器輸出的三相電壓加到電動機上，產(chǎn)生電流使電機旋轉，額定運行時電機的電壓和電流（實測波形）如圖所示，可看出由于輸出電壓的諧波很小，電機電流接近于正弦波。
采用多重化疊加的方式，使變頻器輸出電壓的諧波含量很小，不會引起電動機的附加諧波發(fā)熱。其輸出電壓的dV/dt也很小，不會給電機增加明顯的應力，因此可以向普通標準型交流電動機供電，而且無需降容使用。由于輸出電壓的諧波和dV/dt都很小，不需要附加輸出濾波器，輸出電纜也長度無要求。由于諧波很小，附加的轉矩脈動也很小，避免了由此引起的機械共振，傳動系統(tǒng)及軸承的磨損也大為降低。
在變頻器輸入側，由于變頻器多個副邊繞組的均勻位移，如10KV輸出時共有9種位移不同繞組，變頻器原邊電流中對應的電流成分也相互均勻位移，構成等效54脈動整流線路，結果變頻器輸入電流中諧波含量大為減少，遠低于標準規(guī)定的限值。變頻器工作時的功率因數(shù)達0.96以上，完全滿足了供電系統(tǒng)的要求。因此不需要附加電源濾波器或功率因數(shù)補償裝置，也不會與現(xiàn)有的補償電容裝置發(fā)生諧振，變頻器工作時不會對同一電網(wǎng)上運行的電氣設備發(fā)生干擾，因而被人們譽為“完美無諧波的高壓變頻器”。

3、技術特點：
3.1 采用雙DSP控制，無須工控機，可靠性高，速度高達納秒級，比工業(yè)控機的響應速度快1000倍，杜絕了變頻器死機問題；
3.2 采用54脈沖整流（以10KV變頻器為例）及空間矢量多重化PWM技術，每相由9個功率單元串聯(lián)而成，并直接驅動電動機，無需輸出升壓變壓器。輸出電平數(shù)高，dv/dt很小，輸出波形接近正弦波，無需正弦波濾波器，電機運行平穩(wěn)；
3.3采用專利技術的實時光纖傳送技術，對功率單元進行控制，避免了同類廠家的數(shù)據(jù)打包通訊方式帶來的波形延遲現(xiàn)象；
3.4 變頻器輸出轉矩脈沖窄，控制精度高，避免了機械共振，減少傳動機構的磨損，電動機的電應力強度與采用工頻電源時相近，無明顯附加影響，電動機噪聲與采用工頻供電時相近；
3.5 輸入采用多重化的切分變壓器，絕緣等級H級，原副邊之間采取接地屏蔽措施，并提供變壓器過熱告警、保護功能，130℃告警，150℃故障跳閘，告警與故障點可根據(jù)設定，變壓器過載能力強120% 60min，200% 10s,輸入阻抗高達8%，抗短路電流沖擊能力可達到額定電流的12.5倍；
3.6 采用先進的反擎住技術，使得IGBT更加可靠運行。
3.7 完善的自我診斷和故障預警機制，上電自檢，運行中實時監(jiān)測，檢測速度高。通過雙DSP系統(tǒng)，實現(xiàn)納秒級運算并進行綜合判斷，分析準確，減少變頻器誤報警。故障的自診斷及保護功能相當完備，多達400多項的診斷信息，對電網(wǎng)和負荷有很強的適應性；
3.8 具有PWM控制波形與逆變輸出波形實時驗證功能，提高了輸出波形的準確性，增強了系統(tǒng)無故障的運行能力，而同類廠家的數(shù)據(jù)以打包通訊方式則無法實現(xiàn)此驗證功能；
3.9 具有反轉啟動和飛車啟動功能，無論電機處于正轉還是反轉狀態(tài)，變頻器均可實現(xiàn)大力矩直接啟動；
3.10 變頻器具有軟啟動功能，可以實現(xiàn)一拖多軟啟動；
3.11 為避免電網(wǎng)短時失電對生產(chǎn)造成影響，變頻器具備來電自啟動功能。當電網(wǎng)電壓消失后，變頻器將判斷處理或者緊急停機，如果在20秒內(nèi)電網(wǎng)電源又恢復，變頻器會進行自動啟動，恢復停機前的運行狀態(tài)；（通過軟件參數(shù)設置來自選此功能）
3.11 具有GPRS遠程監(jiān)控功能，可以將高壓變頻器的運行數(shù)據(jù)及故障信息，通過GPRS通信系統(tǒng)傳輸?shù)焦究偛康谋镜胤掌魃巷@示、處理、存儲，以便進行遠程故障診斷，快速解決問題；
3.12 變頻器發(fā)生短路、接地、過流、過載、過壓、欠壓、過熱等情況時，系統(tǒng)均能故障定位并且及時告警或保護；
3.13 對電網(wǎng)波動的適應能力增強。針對生產(chǎn)負荷波動大的工況，變頻器進行了特殊設計（可通過軟、硬件來設置），大幅度提高了其抗電網(wǎng)波動能力，做到電壓波動在±15％以內(nèi)時，變頻器可以維持滿額輸出；電網(wǎng)電壓降落在－15％～35％以內(nèi)時，變頻器將短時降額運行，不進行欠壓保護，待電網(wǎng)電壓恢復正常后，變頻器自動恢復到原來的工作狀態(tài)，大大減少了電壓跌落造成的停機現(xiàn)象。
3.14 優(yōu)秀的模塊化設計，使得MTTF小于30分鐘，其優(yōu)點：
3.14.1.模塊化設計，使得系統(tǒng)的可維護性大大提高。如果功率單元損壞，只要拆幾個端子，換一個就可以了，非常方便。這使得平均可維護時間(MTTF)由過去的數(shù)個小時，一下子降到了目前的30分鐘。
3.14.2.支持中心點偏移式的旁路技術。當某一個功率單元失效時，能夠立即對該單元實施旁路處理，而整個變頻器的輸出仍能維持94%以上的電壓，這保證了系統(tǒng)的不間斷運行。
3.14.3.采用功率單元式結構，很好的解決了高壓大功率調(diào)速領域的技術矛盾。這為高壓大功率低諧波變頻器的研制提供了嶄新的思路。

4、系統(tǒng)的配置
4.1 內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制；
4.2可以實現(xiàn)觸摸屏、數(shù)字鍵盤、模擬電位器、遠程DCS等多種頻率設定方式，適應各種用戶需求；
4.3具有與用戶隔離的開關量、模擬量輸入輸出接口，確保了與用戶現(xiàn)有設備的可靠連接?？商峁╅_關量輸入輸出接口各32路，模擬量輸入輸出接口4和8路，也可根據(jù)用戶要求自由配置；
4.4采用兩路控制電源（AC220V）供電，一路由輸入變壓器二次繞組提供，一路由用戶現(xiàn)場提供。變頻器同時內(nèi)置UPS電源，保證無擾動平滑切換，控制電源失電變頻器不停機；
4.5完整的參數(shù)化功能，對于用戶的各種應用可全面支持。

5、技術方案：


當變頻器出現(xiàn)嚴重故障時，系統(tǒng)能夠根據(jù)需要手動轉入工頻電網(wǎng)中，電機全功率運行，（也可以自選擇采用手動或者自動相切換的方案）。本方案中 QS1和QS2、QS3分別為電機工頻、變頻運行選擇隔離開關。各隔離刀閘之間要求用程序鎖實現(xiàn)嚴格可靠的機械互鎖和電氣閉鎖，以防止誤操作，同一狀態(tài)只允許QS1或QS2和QS3閉合工作。

7、應用效果：
循環(huán)流化床鍋爐在正常運行時，爐膛壓力必須在正常的范圍內(nèi)。流化床鍋爐屬微負壓操作，其爐膛料層風速控制的好壞直接影響鍋爐的循環(huán)和流化燃燒狀態(tài)。風速過小，流化不起來，燃燒狀態(tài)差；流速過大，煙氣熱損失大，不利于經(jīng)濟燃燒。為了使爐膛煤粉在流化狀態(tài)下的燃燒達到最佳化，需實行一次鼓、引風壓差比控制，通過料層底的供風正壓與爐膛引風負壓形成料層流化狀態(tài)，與此同時，靠一次鼓風提供必要的燃燒用氧。
通過變頻器的精細調(diào)節(jié)與控制，可以非常平穩(wěn)的調(diào)整風機風量，在運行中可以任意調(diào)整鍋爐負荷，使鍋爐運行參數(shù)得到改善，提高了鍋爐效率，從而可以避免因通過調(diào)節(jié)閥門控制使風機過多偏離高效率工作區(qū)而引起的振動，也避免了使鍋爐溫度產(chǎn)生波動。

下表數(shù)據(jù)為1#爐引風機和一次鼓風機變頻運行的工況：目前供熱面積為60～80萬㎡




注：冬季供暖期為5個月，每月為720小時，運行時間為T=3600小時，按電價0.56元/度來計算
從上表中可看出，冬季供暖期為5個月，以1#爐引風機和一次鼓風機目前運行的工況，通過高壓變頻器來調(diào)節(jié)風機的風量和風壓，大約可以節(jié)約人民幣引風機為73～114萬；一次鼓風機為45～69萬，2套風機合計節(jié)約人民幣為118～183萬，節(jié)能效果十分顯著。

其主要應用效果如下：
　　1、變頻起動對電網(wǎng)沒有任何沖擊。由于有變頻調(diào)節(jié)，對于風機可以實現(xiàn)變頻軟起動，風機在低頻下啟動，啟動電流很小，啟動時間延長，避免了原來在較大慣性負荷情況下，數(shù)倍的額定起動電流對電網(wǎng)和機械設備的沖擊，有效延長了電機壽命。而且變頻還可以隨時起動或停止；
　　2、按需調(diào)節(jié)風量，避免浪費。由于變頻器通過變頻調(diào)節(jié)風機的轉速來控制風機的送風量而不再需要由風門來調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍可以從0%—100%；因而可以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求隨意調(diào)節(jié)風量，減少了不必要的浪費；
　　3、變頻節(jié)能運行，節(jié)約了大量能源。采用變頻使用后，不再使風機一直處于滿負荷工作狀態(tài)，另外風機閥門處于全開狀態(tài)，其節(jié)能效率顯著；
　　4、降低風機工作強度，延長使用壽命。采用變頻使用后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度；
　　5、使用變頻后，由于啟動和停止時間都可以設定，減少了對煙道、風道和風門擋板的沖擊腐蝕，相應的延長了很多零件的使用壽命，有效的提高了相應設備的檢修周期，節(jié)約了大量維護費用。
6、可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環(huán)節(jié)的費用；
　　7、電機和風機運轉速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降；
　　8、系統(tǒng)壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命；
　　9、與DCS系統(tǒng)的可靠銜接，其完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護的工作量。

8、結束語：
Power SmartTM高壓變頻系統(tǒng)由于其節(jié)能效果明顯，特別是在低負荷（如鍋爐在點火、壓火、停爐）時更為顯著，采用變頻調(diào)速后實現(xiàn)了電機軟啟動，延長了電機和風機的使用壽命，由于風門全開，極大的延長了風門的使用和檢修周期，也減少了風管道的振動和摩擦。提高了鍋爐的利用效率。通過數(shù)月的連續(xù)運行，該變頻系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能可靠，在循環(huán)流化床鍋爐上的應用，發(fā)揮著不可磨滅的效能。

9、參考文獻：
1、《電廠鍋爐原理》 丁立新（主編） 中國電力出版社
2、《鍋爐技術問答1100題》 丁明舫 等 中國電力出版社
3、Power SmartTM高壓變頻系統(tǒng)技術、應用手冊