发电厂引风机采用变频控制应用问题研究

摘 要：针对高电压中小容量泵与风机节能改造的死角，运用“冗余配置、备机转速跟踪、瞬间切投”等技术，提出整套节能改造方案并设计了高可靠性配套系统，相对于常规变频节能改造，使系统可靠性大幅提高，故障停机事故降为极小概率事件，大幅度降低改造投资和维护费用。

关键词：高低电压；变频；速度追踪；引风机

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：16723198（2012）14018501

0 前言

引风机是火力发电设备中的重要辅机，其功耗占主机容量的15%～20%,是全厂耗电量较高的辅机设备。在生产过程中，锅炉在不同负荷状态下需要的风量不同，由于引风电机不可调节输出功率，因此多余的能量只能在挡板中消耗掉。造成很大的节流损失，而且电动机的功率裕量又选得偏大，导致电机轻载运行效率和功率因数偏低。近几年来变频技术的出现，彻底改变了这一状况，通过调速来调节风量，节电效果十分明显。但由于我国现行电压等级不合理和高压变频器在中小容量段价格畸高，形成中小电厂高电压引风的改造死角。

1 针对高电压中小容量电机的变频调速技术路线

变频调速作为风机节能改造的主要手段已在国内电厂广泛使用，但对于高电压电机的变频改造的普及率远不如低电压电机，其原因主要有以下几个方面：第一，国产化能力低、改造投资大。由于我国历史上的原因，所采用的低压电压等级只有380V一档，并且在设计上将200kW以上的电机全部采用6000V以上电压，这在电机容量分布上形成了一个电压跨度非常大的一个断层，而变频器中单块IGBT模块的耐压等级多在1700V以下，高电压时必须多级串联，所以导致了高压变频器成本的畸高。第二，运行可靠性差。变频器的多级模块串联的结构必然导致其故障率提高，而电力企业需要的是高可靠性的连续生产，这必然严重影响企业改造积极性，形成节能改造死角。因此，围绕着高压电动机变频调速也形成了两条技术路线。一是以高压变频为代表的，基于高成本高风险的高压变频技术路线；另一条路线，基于高压电机低压改造的低压变频技术路线。

2 系统设计的技术原理

本方案主要针对电力及某些连续生产过程中的高电压中小容量泵与风机系统，研究高可靠性、高性价比节能设备和节能改造的整体优化方案。由于电、热等生产企业生产过程的连续性，一旦发生故障停机将导致企业本身和受电、热用户的连锁损失和社会影响，因此，要求变频改造绝不可以增加故障停机概率，这就要求我们的节能设备在故障情况下保证不间断运行。

2.1 备机转速跟踪启动技术

保证备机启动后与已经下降转速的泵与风机转速吻合，平滑恢复到正常运行状态，其技术原理描述如下：运行中的电动机在定子侧电压源断开后，从机械方面看由于转子及拖动的负载的惯性维持转动；从电气方面来看由于电动机转子为感性，残余的转子电流将逐渐衰减，但转动的转子残余电流形成的剩磁切割定子绕组感应电势，在定子端形成与转子的残余电流大小、惰走转子转速相关的幅值和频率逐渐衰减的电压。变频器输出端接入定子的残压，在变频器在启动输出时必须对该时刻电动机的定子与转子的状态进行识别，输出恰当的电压信号（包括频率、幅值、相位），才能避免由于类似发电机非同期并网的冲击电流导致变频器电力电子器件无法承受的过电流而保护动作启动失败。

2.2 变频器功率因数的优化技术

鉴于低压变频器的高次谐波一般多接近于5%，而国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》针对6kV用电设备高次谐波的限定值为4%，本系统使用了十二相整流方式，即对变频器输入侧接入的变压器进行改造。变压器的副方具有两组绕组，一组接成Ｙ形，另一组接成Δ形，两组绕组分别进行三相全波整流后再并联，用于吸收变频过程中的高次谐波。故可将高压侧的电压总谐波降至2%以下；功率因数PF可提高到0.95以上。

2.3 电动机提效改造

我国200kW以上的电机都采高压供电，主要是由于大型低压电机启动十分困难，但变频器的出现彻底解决了这个问题，因此高压电机的优点已经不明显了，同时缺点更加突出。因为高压电动机绝缘等级高，绝缘材料占据了电动机定子铁心槽的大部分空间，相对限制了导体的利用空间。为了达到所需额定功率，势必加大槽空间，通常选择较大号的机座，以增大铁心槽窗口截面积；或者选择同机座号而较长序号的铁心，以增大铁心轭部截面积来减少线圈匝数，为臃厚的高压绝缘预留足够的空间。导致损失大约10％～25％的额定功率作为电动机升压的代价。而且，电动机额定电压越高，绝缘等级也就越高，机座号或者铁心长度序号越大，材耗越大，效率越低，功率因数亦低，能耗越大，造价越高，成为结构不合理和运行不经济的先天性缺憾。因此，本方案对原高压电机绕组结构进行核算并按低压电机重新设计，有两种改造方案：即将绕组符合条件的电机优先采用现场改接线的方式改造；否则，将原电机按低压设计方案重新下线改造，从而避免了更换电机和改造基础，大大降低了改造费用和难度。

3 系统的设计方案

3.1 一次系统接线图

针对以上负荷情况，我们对两台炉的引风系统进行了改造。为降低改造成本和维护费用，提高系统可靠性，我们采用了高-低压改造技术，将供用电系统由高压改造成低压，形成一整套包括特制降压变压器、高低压电动机改造、低压变频器、消除谐波污染组件等组成的配套系统，从而大大降低了改造维护成本和故障概率。系统改造的一次系统接线图见图1。

采用上述改造后，由于进口变频器核心模块IGBT由原

来的18块降低到3块，虽然增加了变压器和电机改造费用，仍然大幅度降低了造价，并且使由IGBT模块本身和匹配所引起的故障概率大幅度降低，可靠性提高，维护费用降低。同时，改造后，价格低廉的国产变频器且冗余配置后，完全能够满足连续生产过程的需求。

图1 一次系统接线图3.2 系统的控制逻辑

0号变频器作为1号和2号变频器的公共备用，其动作过程为：当1号变频器故障时，立即启动0变频器，变频器开始低压充电，延时4.7s断开KM1开关，5s充电完毕，自动合入KM1变频开关，变频器转速追踪启动，开始输出；同样，当2号变频器故障时，KM2断开，KM6闭合。系统的控制逻辑通过PLC执行。

变频器的切换时间为5s，为了验证在风机惰走5s后，锅炉还能继续维持燃烧，我们进行了风机惰走炉膛负压变化特性实验，我们选择了已经停运的#2炉作为实验对象，启动锅炉的送引风机，调整送引风机的风门开度，直到炉膛负压为锅炉正常运行时的-100Pa，此时切断引风机电源，从此刻起连续记录炉膛负压值、转速值和这两个值，每1s记录一次，共重复进行了5次实验，由实验结果可知，在引风机突然停机5秒钟后，炉膛的负压值由-100Pa增加到-20Pa，没有超出灭火保护动作的炉膛负压范围（-200~+200Pa）。在其它设备均正常的情况下，可以实现不停炉引风机切换，因此不会对锅炉安全造成严重影响。

4 运行方式

改造完成后应尽可能保证拥有变频引风系统的锅炉具有最长的年运行小时数，如遇较长时间的检修或停炉时，应考虑调换改造后的引风机电机至运行锅炉，以发挥其最大的节能作用。采暖期时，被改造锅炉作为调负荷锅炉，在变负荷状态下运行，以保证未改造锅炉在效率较高的定负荷下运行。

5 结语

总的来看，引风机高-低压变频改造是可行的，它可以在保障运行可靠性的基础上取得良好的节能效果，但改造中应针对引风系统中的运行特点，注意相关技术问题，采取相关对策以确保变频改造的成功。

参考文献

［1］吕志斗等.增容型高-低压变频调速集成装置及其在冶金行业的应用［J］.变频器世界,2005,（7）：5663.

［2］徐刚,吕志斗,贾明阁等.增容型高-低压变频调速集成装置及其在石化行业的应用［J］.变频器世界，2005,（3）：98103.