变频器在发电厂中的应用实践

摘要：介绍了变频器的安装环境、工作原理、特性、选型要求以及在某发电厂的实际应用。

关键词：变频器；转矩；负载；低频

作者简介：李春（1970-），男，内蒙古乌兰浩特人，内蒙古兴安热电有限责任公司，工程师。（内蒙古 乌兰浩特 137400）

中图分类号：TN733     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）15-0145-02

现代社会，能源非常短缺，能源的价格也大幅上升，各行业都提倡节能。特别是电力行业，不少设备都是高耗能的。采用变频器，可以大大降低能源的消耗，于是电力企业不少设备都采用了变频器。变频器贯穿整个发电厂，变频器的安全运行就成为电厂的关键环节，变频器一旦出现问题，将导致转动设备的停运甚至损坏，危及电厂的安全运行，给电厂带来不可估量的经济损失。由此可见，电力行业人员，特别是发电厂工作人员，应掌握一点变频器故障分析方面的知识，以便能够第一时间察觉到变频器的运行状况。

一、实践背景

兴安热电公司第二热电厂两台锅炉8台给煤机是通过DCS开关量信号控制变频器的启/停，并由DCS产生4-20mA控制信号控制变频器（7.5kW国产三菱），变频器经过内部运算处理，去改变电源频率，从而改变电机的转速，从而改变电机的出力，拖动给煤机电机（7.5kW）的运行。给煤机经常在低频率下运行（10%以下，转速：40-200转/分），运行非常不稳定；经常出现启动或运行时变频器因过流保护动作，导致电机停止甚至无法重新启动，致使给煤机无法正常运行，严重威胁锅炉的正常稳定运行。

电气回路由空气开关、接触器、中间继电器、电流互感器、端子排、电缆等组成。它的优点是：实现软启动，启动电流小且平稳，减少对电网和设备的冲击。能连续无级调节给煤机的速度。节约能源。具有多种保护功能，易于维护、维修。

发电厂给煤机是电厂制粉系统中重要组成部分，是电厂重要的辅助动力设备，其主要任务是为制粉系统磨煤机提供原料。制粉系统工艺流程如下图1。

二、变频器选用分析

1.变频器环境要求

周围温度：-10℃至+50℃（不冻结），+40℃至+50℃需降容使用。

周围湿度：90%以下（不结霜）。

周围环境：市内（无阳光直晒、无腐蚀、无易燃气体、无油雾尘埃等）。

海拔高度：低于1000M。

我公司第二热电厂给煤机控制柜摆放在给煤机附近，根据现场实际考察发现变频器运行现场温度、湿度以及海拔高度均符合变频器使用环境要求，但值得注意的是现场卫生环境恶劣、灰尘多、柜体防护等级不够，这将会导致变频器的过滤网被灰尘堵塞，影响变频器的通风散热，造成输出电流下降，力矩变小或误报警等，严重时可以使主控板元件短路，造成元器件击穿。由于给煤机控制系统属于电厂非常重要的一个运行环节，电厂设计为每台炉4台给煤机，其中1台备用，如果有2台设备无法运行，将严重威胁电厂的正常运行，甚至停炉。

2.变频器选型

变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型：恒转矩负载、恒功率负载和平方转距负载。

（1）恒转矩负载。负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机（包括给煤机等）位能负载都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。

（2）恒功率负载。机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。

（3）平方转距负载。在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。

3.变频器低频机械特性

（1）低频启动特性。异步电动机改变定子频率F1，即可平滑地调节电动机的同步转速，但是随着F1的变化，电动机的机械特性也将发生改变，尤其是在低频区域，根据异步电动机的最大转距公式：

Temax=3/2{np（U1/W1）2}/{R1/W1+/（R2/W1）2+（LL1+LL2）2}

式中，np——电动机极对数；

R1——定子每相电阻；

R2——折合到定子侧的转子每相电阻；

LL1——定子每相漏感；

LL2——折合到定子侧的转子每漏感；

U1——电动机定子每相电压；

W1——电源角频率。

可见，Temax是随着W1的降低而减小，在低频时，R1已不可忽略。Temax将随着W1的减小而减小，启动转距也将减小，甚至不能带动负载。

（2）低频稳态特性。电动机稳态运行时的转距公式如下：

TL=3np（U1/W1）2SW1R2/{（SR1+R2）2+S2W2（LL1+LL2）2}

在角频率W1为额定时，R1可以忽略。而在低频时，R1已不能忽略，故在低频区时由于R1上的压降所占的比重增加，将无法维持M的恒定，特别是在电网电压变化和负载变化时，系统将出现抖动和爬行，因此在变频器的选型过程中应特别注意。

4.变频器的选型原则和注意事项

选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。

对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。

对于电厂给煤机、压缩机、振动机等转矩波动大的负载并且负载长期运行在低频率的情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生过电流保护动作现象。因此，应了解工频运行情况，选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器，通常放大1～2档。

5.现场使用的变频器分析

我公司第二热电厂锅炉给煤机选用国产三菱变频器（7.5kW）作为电机控制设备，由DCS控制变频器的启/停以及频率。

结合上述说明可知给煤机属于恒转矩负载，而且经常要在满载或重载情况下启动，它的机械特性要求变频器在低频率下要保持较高的转矩。

按照一般变频器的选型规则，应该比较平方转矩负载和一般恒转矩负载放大一至二档规格来选择变频器。

三、改造方案

第一，更换给煤机整套变频控制设备，更换柜体结构（2200*800*600），提升防护等级；将给煤机变频器容量增加，以确保给煤机在低频运行时的可靠性；将柜内所有控制线缆改为屏蔽线缆，使变频器与DCS保持信号准确。

第二，将新柜体摆放到合适的位置，摆放时注意柜体应垂直、固定，不应左右摇晃。

第三，在电气安装接线之前，应仔细检查屏体外观，内部器件及门上的操作器件完好无损，屏内器件装置安装紧固，接线无脱落、松散。接线时，将屏内所有开关打开，断开外部电源，以免发生人身及设备损害。导线连接应紧固，并与其他导线绝缘隔离。

第四，重点改造主电源进线。

主回路电源AC380V，控制回路使用AC220V。接线应按严格要求，并保证回路、相序正确，主回路外部电源L1、L2、L3供给QF1进线端，N中线接地。主回路连接时应注意项序正确。

DCS信号线：启动信号为开关量信号，运行时闭合；频率控制及频率反馈信号为标准4-20MA；运行及故障指示均为开关量信号，设备安装完毕后应仔细检查所有连线是否正确。

（1）将负载拖开（电机和给煤机对轮打开），空载试运行变频器，观察变频器运行停止是否可靠，以及变频器的转速和反馈是否与DCS的显示一致。

（2）将负载连接（电机和给煤机对轮连接）带负荷综合测试，应注意电机的电流和负载的稳定性。

四、效果

我公司按上述方案实施改造后，通过在各种不同工况下的试运行，运行状况十分稳定，未发生各种故障现象。

五、结论

随着电力电子技术的不断发展，交流变频调速技术日益显示出优异的控制及调速性能，高效率、易维护等特点，使其成为电力行业转动机械一种优选的调速方案。但是，要使变频器成功应用于转动机械调速，就必须针对转动机械的特点，计算和选择变频器及辅件，并在安装与布线时采取特殊技术措施，以保证变频调速转动机械的稳定、安全运行。

参考文献：

[1]王廷才.变频器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]吴忠智,吴加林.变频器应用手册[M].北京:机械工业出版社,2007.