摘 要 ：本文介紹了東芝-三菱公司生產(chǎn)的TMdrive-MV大功率高壓變頻器，在電廠300MW鍋爐引風機系統(tǒng)上的應用。并簡要介紹了該變頻器的特點，以及實際的節(jié)能效果分析。 1 引言 （1） 系統(tǒng)概述 大唐安陽電廠#9機組和#10機組裝機容量都是300MW。每臺機組采用兩臺吸風機，并由雙速電機驅動，風機轉速有高速和低速之分。目前主要采用進口風門擋板調(diào)節(jié)以控制風量。其缺點是截流損失大。系統(tǒng)振動大、噪聲大、對環(huán)境造成惡劣的影響。同時調(diào)節(jié)閥門容易磨損。吸風機在低速運行時不能滿足滿負荷的要求，必須切換到高速運行。 （2） 運行狀況 正常運行中，兩臺吸風機低速運行，電流100～110A。機組最高負荷為270MW。在機組滿負荷運行時有一臺風機必須切到高速運行?，F(xiàn)風機存在如下問題: 一是風機在低速切高速運行時，如果高速繞組不能在瞬間啟動，則保護動作，連跳同側送風機及一次風機，存在事故隱患; 二是吸風機高速運行不正常，電機軸瓦溫度較高，風機振動增大，不能保證正常運行，給機組 的安全運行帶來隱患，設備維護費用高。 2 設備簡述 風機型號:Y4-2×73-3№29F型雙吸入離心式雙速風機; 容積流量:304.2（264.6）m3/s; 出口全壓:4530（3480）Pa; 風機效率:85.5%; 電機型號:YDKK1000-2-8/10型; 額定電壓:6000V; 額定電流:265/151A; 額定功率:2250/1150kW; 額定轉速:740/590r/min; 數(shù) 量:共2臺。 3 改造方案 （1） 每臺吸風機加裝一臺高壓變頻器。變頻器接電機的高速繞組。電機的低速繞組接低速斷路器，用于變頻器故障時的旁路運行。 （2） 在變頻器與電機之間增加一臺隔離刀閘柜，并與低速斷路器電氣連鎖。電機變頻運行時采用高速，隔離刀閘閉合，低速斷路器禁止合閘。電機旁路運行時，隔離刀閘斷開，由低速斷路器控制電機進行低速運行,如圖1所示。 （3） 變頻器的技術數(shù)據(jù) 變頻器型號:TMdrive-MV（東芝-三菱公司生產(chǎn)）; 額定容量:2720kVA; 額定電壓:6kV，±10%; 額定輸出電流:263A; 輸出電壓范圍:0～6kV; 輸出頻率范圍:0～50Hz; 過載過載能力:125%，1min; 輸入效率:>97%。 （4） 變頻器采用DCS控制。通過4～20mA的調(diào)速信號，根據(jù)爐膛負壓控制變頻器的輸出頻率，并由DCS輸出信號，控制變頻器的啟動和停止。變頻器還可以向DCS反饋運行、停止、準備好、報警、故障等狀態(tài)信號，以及變頻器的電流、電機轉速等模擬量信號。 4 變頻器的系統(tǒng)結構 （1） 由輸入變壓器，變頻單元及控制系統(tǒng)三部分所組成。主電路拓撲結構采用多電平串聯(lián)技術，每相采用6個單元串聯(lián)，三相共18個單元; （2） 變壓器采用H級絕緣的移相整流變壓器，可靠性極高。H級絕緣可以承受180℃的高溫，因此變壓器體積比其他品牌小。由于整體容量2720kVA較大，因此實際采用兩臺變壓器，一次端并聯(lián)，二次端通過單元串聯(lián)輸出。變壓器的厚度在所有品牌中最薄; （3） 每臺變壓器的副邊有九個低壓繞組，各低組間的耐壓按高壓設計。這九個繞組分別給三相的三個串聯(lián)單元供電。因此兩臺變壓器可以給三相的六個串聯(lián)單元供電; （4） 變頻器的主電路拓撲結構原理如圖2所示; （5） 變頻單元的結構完全一致，可以互換。變頻單元實際上是一臺三相輸入、單相輸出的低壓變頻器，開關器件采用IGBT。而低壓變頻技術目前已經(jīng)非常成熟，因此變頻單元的可靠性極高。單元的原理圖如圖3所示。 5 變頻器抑制諧波的措施 （1） 采用移相變壓器，二次端所接各個單元產(chǎn)生的高次諧波電流相位上產(chǎn)生偏移，因此在變壓器一次端互相抵消，將一次端到電網(wǎng)的電流諧波控制到最小。變頻器輸入電壓和電流波形如圖4所示; （2） 變頻器輸入電流諧波在不加任何濾波器時，滿足IEEE519國際標準，實際檢測值如圖5所示; （3） 變頻器的相電壓輸出為6個單元串聯(lián)輸出，線電壓輸出13電平。每個單元的輸出采用正弦波PWM波形，載波頻率4.8kHz，因此輸出電流為正弦波，輸出電壓非常近似正弦波。相電壓輸出形如圖6所示: 輸出13電平線電壓和正弦波電流的波形見圖7所示: 6 變頻器的主要技術特點 （1） 采用H級絕緣變壓器，耐溫等級提高到180℃，溫升可以達到125K，減小了變壓器的體積。 （2） 在任何時候，只允許一個單元的IGBT導通或關斷，任意兩個單元不會同時導通或關斷，而且將每個單元的載波頻率降低為0.8kHz，但6個單元串聯(lián)后的載波頻率則為2.4kHz。線電壓的載波波頻率達到4.8kHz。由于載波頻率降低，IGBT的開關損耗減小，整體效率得到提高。 （3） 采用矢量控制，將電機電流分解為勵磁電流Id和轉矩電流Iq，并對這兩種電流分別進行閉環(huán)控制。變頻器對轉速控制的精度非常好，不論負載如何變化，都可以保證電機轉速恒定。 不論是主電源電壓還是控制電源電壓，當瞬時停電發(fā)生時，只要停電時間不超過0.3s（300ms），變頻器可以繼續(xù)運行，不會停機或跳閘。 在檢測到電源電壓失電后，欠壓保護動作。變頻器先將轉矩電流Id降為零。同時維持勵磁電流Iq不變。因此由于沒有有功功率的輸出，內(nèi)部損耗又很小，電解電容內(nèi)部的電壓很少下降，基本可以維持與電機轉速相對應的頻率和電壓不變。此時電機轉速會稍有下降。 當在0.3s內(nèi)電源電壓恢復后，變頻器仍就輸出與電機轉速相對應的頻率和電壓，并會自動恢復轉矩電流，并然后將電機加速到原來預定的轉速上去。如圖8所示。 圖8中電源電壓失電約200ms，此時轉矩電流基準降到零。電流反饋并未降到零，維持勵磁電流。電源電壓恢復后立即恢復。 （4） 電源停電時間超過0.3s時，變頻器停止輸出，輸出電壓和電流均為零。只要停電在6s以內(nèi)恢復，電機轉速雖有一定的下降，但變頻器可以自動重新再啟動，恢復正常運行。在此期間，變頻器不會給出停止或報警、故障信號。如圖9所示。 圖9中電源電壓失電約1s，此時轉矩電流基準和電流反饋都降到零。由于沒有勵磁電流，不能檢測電機轉速，因此電機速度反饋也降到零。電源電壓恢復后，變頻器須等待電機剩磁電壓衰減完畢，因此必須延時后才能自動再啟動。延時時間是電機電壓衰減時間常數(shù)的3倍，圖中約7.5s。此時電機轉速略有下降。延時時間過后，變頻器會自動再啟動。啟動時首先給出較高的速度基準和很低的電壓，用于產(chǎn)生勵磁電流和電機磁場，電機產(chǎn)生反電勢。根據(jù)電機的反電勢頻率測量電機的轉速。變頻器的速度基準會快速向實際測量的轉速靠近。此時由于輸出電壓的頻率與電機實際轉速不符，因此會產(chǎn)生瞬時沖擊電流，并限制在125%以內(nèi)，持續(xù)時間1～2s左右。當速度基準與變頻器實測轉速一致時，沖擊電流消失，電機電流恢復到正常值，并按預定的加速度將電機加速到預定轉速。 7 采用變頻后的經(jīng)濟效益統(tǒng)計 （1） 由于9#機與10#機完全一樣，將9#爐引風機變頻運行，與10#爐引風機工頻運行進行對比，并記錄9#爐與10#爐吸風機各自的用電量，發(fā)電量和廠用電率千分值。 （2） 以下為9#爐吸風機與10#爐吸風機每日的用電量記錄數(shù)據(jù)，9#爐的用電量統(tǒng)計如表1所示。 10#爐用電量的統(tǒng)計如表2所示: 9#爐與10#爐引風機用電量對比如圖10所示: 9#爐與10#爐廠用電率千分值對比如圖11所示: 9#機與10#機發(fā)電量對比如圖12所示: （3） 根據(jù)記錄29天的數(shù)據(jù)圖表統(tǒng)計計算 9#機組發(fā)電量與10#機組發(fā)電量相比占116678400/118545600=98.42%。9#爐用電量與10#爐用電量相比為427680/972000=44%。按相同的發(fā)電量進行對比修正，變頻用電量為工頻用電量的44%/98.42%=44.7%。節(jié)電率為100%-44.7%=55.3%。 11月份9#爐節(jié)約用電量為: 427680/44.7%-427680=529100kW·h， 按上網(wǎng)電價0.333元/kW·h，計算節(jié)電費用為: 0.333×529100=176190（元） 11月份全月平均節(jié)電費用: 176,190×30/29=182,265元，即18.23萬元。年平均節(jié)電費用按10個月計算=18.23×10=182.3萬元。 8 結束語 由以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計算分析可以看出，采用變頻運行后，僅僅節(jié)電每年帶來的經(jīng)濟效益就已經(jīng)相當可觀。另外由于實現(xiàn)軟啟動，避免了電機啟動時對電網(wǎng)和機械的沖擊，電網(wǎng)電壓更加穩(wěn)定，同時電機和風機的使用壽命得到延長。如果考慮到節(jié)省系統(tǒng)維護費的用及系統(tǒng)運行可靠性的提高，綜合經(jīng)濟效益更高。