（电气工程专业论文）田家庵电厂＃6机b凝结水泵变频改造应用.pdf

田家庵电厂# 6 机b 凝结水泵变频改造应用 摘要 本文根据电机的电磁理论，简要分析了异步电动机调速的几种方法，介绍了变频调 速的工作原理，并结合水泵的不同调节方法，说明了利用变频调速的节能原理。针对凝 泵的运行方式特点及调节方式存在的问题，分析了凝泵进行变频调速改造的可行性。 变频的实现方法也是多种多样，本文着重分析了变频技术的中间直流环节和电压输 出方式，对高压变频调速不同技术方案进行了评价，并以z n b o r u i 高压变频器为例， 分析了变频器功率单元内部结构，控制保护单元的设置。 介绍了田家庵电厂凝泵变频改造设备选择、具体方案及凝泵变频改造后的调试过 程，提出了在实际应用中可能出现的问题及应对方案。对高压变频器应用后的节能情况 进行了分析。试运行结果显示变频改造后电机节能效果显著，并能大大改善电机运行工 况，高压电机的变频改造方案是值得推广的。 关键词：凝结水泵；高压变频器；节能 2 t i a n j i aa np o w e rp l a n e 捍6bc o n d e n s a t ep u m p f r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o no f a p p l i c a t i o n a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cm o t o r , ab r i e fa n a l y s i so ft h ei n d u c t i o n m o t o r ss p e e da r es e v e r a lw a y st oi n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ff r e q u e n c yc o n t r o l ，i n c o n j u n c t i o nw i t ht h ep u m p si nd i f f e r e n tm e t h o d so fr e g u l a t i o no nt h eu s eo ft h ef r e q u e n c y c o n t r o lo f e n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l e s c o n d e n s a t ep u m pf o r t h eo p e r a t i o na n dr e g u l a t i o no ft h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a yt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，a n a l y s i so ft h ec o n d e n s a t ep u m p t oc a r r yo u t t h ef e a s i b i l i t yo ft r a n s f o r m i n gf r e q u e n c yc o n t r 0 1 t h ef r e q u e n c yi sa l s oav a r i e t yo fm e t h o d st oa c h i e v et h i sa r t i c l ef o c u s e do nt h e t e c h n i c a la n a l y s i so ft h ef r e q u e n c yi nt h em i d d l eo ft h ed cl i n kv o l t a g eo u t p u ta n dm e t h o d s o fh i g h v o l t a g ef r e q u e n c yo fd i f f e r e n tt e c h n i q u e sf o rt h ee v a l u a t i o no ft h e p r o g r a m a n d h i g h - v o l t a g ei n v e r t e rz n b o r u i ，f o re x a m p l e ，a n a l y z e st h ep o w e ri n v e r t e rt h ei n t e r n a l s t r u c t u r eo ft h eu n i t ，c o n t r o lu n i ts e tu pt op r o t e c t t i a n j i aa ni n t r o d u c e dac o n d e n s a t ep u m pf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt r a n s f o r m a t i o np o w e r p l a n te q u i p m e n tt oc h o o s et h es p e c i f i cp r o g r a m sa n dc o n d e n s a t ep u m pf r e q u e n c ya f t e rt h e t r a n s f o r m a t i o no ft h ed e b u g g i n gp r o c e s s ，p u tf o r w a r di nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o b l e m s t h a tm a ya r i s ea n dd e a lw i t ht h ep r o g r a m a p p l i c a t i o no fh i 曲一v o l t a g ei n v e r t e ga f t e rt h e e n e r g y s a v i n ga n a l y s i s o ft h es i t u a t i o n t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t f r e q u e n c ye l e c t r i c e n e r g y 。s a v i n ge f f e c t so fi m p r o v e ds i g n i f i c a n t l ya n dc a ng r e a t l yi m p r o v et h em o t o rr u n n i n g c o n d i t i o n ，f r e q u e n c yo fh i g h v o l t a g ee l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o np r o g r a m ss h o u l db ep r o m o t e d k e yw o r d s ：c o n d e n s a t i o np u m p ；h i 曲一v o l t a g ei n v e r t e r ；e n e r g y s a v i n g 3 插图清单 图2 1 供水管网的特性曲线离心泵特性曲线4 图2 2 供水管网的特性曲线4 图2 3 水泵变频调速时的h - _ q 曲线4 图3 1 凝结水系统的工艺简图6 图3 2 高一低一低方案8 图3 3 高一低一高方案8 图3 4 高一高方案9 图3 5 多电平逆变器的三种拓扑结构9 图3 6 三电平n p c 逆变器1 0 图3 7 单元级联多电平逆变器1 2 图3 8 悬浮电容多电平逆变器1 2 图4 1 变频器一工频自动切换原理图1 4 图4 2z n b o r u i 高压变频器6 k v 系列典型主电路图1 8 图4 3 电压叠加图1 9 图4 46 k v 系列单元输出及相电压波形图1 9 图4 5u a b 线电压波形实录图2 0 图4 6 输出电流i a 的实录波形图2 0 图4 7 功率单元原理图2 1 图4 8 变频器系统控制原理图2 2 图4 9 变频器接线示意图2 4 图4 1 0 变频器对外端子定义2 4 图5 1 # 6 机a 、b 凝结水泵接线方式2 7 图5 2 切换过程中水位与阀门动作趋势2 9 图7 1 凝结水泵变频启动电流趋势图3 5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金g 曼王些太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者繇0 乡、q p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名阮 签字日期：沁j9 月i 婀 导师签名： 签字日期： 酬 、g 年l 明i 阳 枷 2 ， 豫参 崤嘲啕 拌汛汛 作： ：文位址论单地位作讯 学工通 致谢 在本人攻读工程硕士学位两年多的时间里，自始至终得到了导师杜少武教授 的悉心指导和无微不至的关怀。从课题的选题到课题的研究都倾注了老师的大量 心血。在杜老师的指导下，我拓宽了自己的知识面，顺利地完成了工程硕士学位 论文。杜老师渊博的知识、务实的作风、创新的治学精神和诲人不倦的指导作风， 使我获益匪浅，无微不至的关怀更令人感动，这对我以后的工作和学习都有极大 的帮助。在此，谨向给予我巨大帮助的杜老师致以最诚挚的谢意和祝福! 感谢各级领导对我的工作和学习的认可。 感谢我的父母家人和我的爱人在生活上的关心和事业上的支持。 感谢所有关心支持我的同学和朋友! 作者： 2 0 0 8 年8 月1 日 4 第一章前言 一次能源是不可再生的国家资源，节约是国家的基本国策。节能降耗则是国家的长 远方针。温家宝总理2 0 0 6 年3 月5r 在全国人民代表大会第四次会议政府工作报告中 提出：“2 0 0 6 年国民经济和社会发展的主要预期目标是国内生产总值增长8 左右，单 位国内生产总值能耗降低4 左右”。“十一五”规划纲要( 草案) 提出了“十一五”期间 单位国内生产总值能源消耗降低2 0 。火电厂是生产供应电能的重要企业，同时又是 电能消耗较大的企业。对发电企业说来，降低能源消耗，包含着发电煤耗和厂用电率两 部分。故火电企业利用各种节能技术降低厂用电率是十分必要的，且意义重大。 为鼓励企业节能降耗工作的积极性。2 0 0 7 年8 月l o 日，财政部、国家发展改革委 联合印发了节能技术改造财政奖励资金管理暂行办法。办法规定，对电机系统 节能工程等十大重点节能工程范围内的企业节能技术改造项目，实行“以奖代补”新机 制，按改造后实际取得的节能量给予奖励。其中重点提到了电机系统节能改造、推广高 效节能电机、推广变频调速节能技术。 我国电网总装机中，有8 0 左右为火力发电，在火力发电厂中，有大量的辅机设 备，其中由大容量高压电动机拖动的有给水泵、凝泵、循环水泵、引风机、送风机、排 粉机、磨煤机等，辅机的容量大、耗电多，是厂用电的主要负荷，占到了厂用电的7 0 8 0 ，一般火电机组的辅机在容量设计上要满足机组满负荷运行且具有一定安全冗余 的。因此，作为厂用电消耗大户的辅机系统节能形势十分严峻。对这些高能耗电动机， 为了提高电机的节能效率，除了在设计中提高电机本身节能技术水平外，在现有的电动 机上安装高压变频器，是提高电动机效率，节约电能的重要措施。 目前，火力发电中使用高压变频器解决的节能问题有两个，一个是投入运行的旧机 组电动机设备选型时留有太大的余量，配备功率上严重失衡。另一个是电力工业生产中 需要可变的频率，如果不安装变频器，电动机的工作功率只能保持一定，机组负荷的调 节由阀门或风门的不同节流状态来调整。而泵与风机采用阀门或风门截流控制的效率是 很低的，造成厂用电极大的浪费。随着高压变频技术的发展和日臻完善，以及良好的节 能效果，采用高压电动机变频调速技术来降低厂用电量，成为电厂首选的节能技术措施。 第二章变频调速的节能原理 高压电机变频调速技术是通过控制交流电机的定子供电频率，平滑的改变电机转 速，从而实现无级调速的一项节能技术。 2 1 变频调速的工作原理 交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为： n 0 2 6 0 f p 式中，n o 代表同步转速( r m i n ) ；f 代表定子频率；p 代表磁极对数； 异步电动机的转子转速为： n = n o ( 1 - s ) = 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 一1 ) 式中，s 代表异步电动机的转差率，s = ( n o n ) n o 由( 2 1 ) 式可见，调速有三种方法： 1 ) 改变电动机转差率s ； 2 ) 改变电动机定子绕组极对数p ； 3 ) 改变电源频率f o 由于一般异步电动机转差率s 变化范围很小，电机调速范围很小。 当极对数p 改变时，转速就随之而改变，但是这种调速方法，不是平滑调速而是一 级一级的。 在电动机极对数p 、转差率s 不变的情况下，改变电动机定子供电频率，可以平滑 改变电动机的同步转速。实际上，在改变供电频率的同时，还需要维持电机磁通恒定， 即保持电动机的输出力矩不变。因此，在电动机调速过程中，应保持定子供电电压和频 率的比值v f 为一定值，这就需要变频装置实现频率与电压的协调控制。改变频率的 调速属于转差率不变，同步转速和电动机理想转速同步变化情况下的调速。而变频调速 的调速精度、功率因数和效率都较高，容易实现闭环自动控制。 目前，通用型变频器绝大多数是交一直一交型变频器，通常尤以电压型变频器为通 用，它是变频器的核心电路，由整流回路( 交一直交换) ，直流滤波电路( 能耗电路) 及逆变电路( 直一交变换) 组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成 部分。 1 ) 整流电路 通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整 流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源 一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电 2 网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。最大整流电流为变频器 额定电流的两倍。 2 ) 滤波电路 逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在 直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间 电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。 为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作 用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联 构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散 性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消 除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。 3 ) 逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和 电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是 变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件( g t r 、i g b t 、g t o 等) 组 成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到 任意频率的三相交流输出。 通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内 部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。 逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同 步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中， 寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态 时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等 各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保 护。 2 2 变频调速的节能原理 在发电厂水系统中，随着负荷的变化，各种系统参数随工况的变化而不断变化，为 了实现准确地控制，只能采用控制阀门或挡板开度的方法，人为增减阻力，使大量能量 损失在阀门和挡板上。随着变频调速技术的日渐成熟，可以实现根据电动机的负载特性 来调整转速、启动时间等参数，从而具有明显的节能特性。下面将结合水泵系统的变频 调速控制给予具体的分析。 离心式水泵广泛应用于工业给水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和管道系统 的阻力特性。离心式水泵的特性曲线以及管道的阻力曲线如图2 1 和图2 2 所示。 3 h 图2 1 供水管网的特性曲线离心泵特性曲线 图2 2 供水管网的特性曲线 图2 1 中：q 一流量，h 一水泵在一定转速下的扬程曲线，p 一水泵的功率曲线， f l 一水泵的效率曲线：图2 2 中：d e 一供水管网的阻力曲线。 采用变频调速的电动机来改变泵的转速，以满足工况改变时对性能的要求，其调速 时的h q 曲线变为图2 3 所示，泵的特性曲线n 与管道性能曲线d e 的交点a 0 即为泵 的正常使用时的工作点。 下面通过节流控制和变频调速的比较，说明变频调速的节能原理。 h h 。 墩 啦 移 锈儡q 图2 - 3 水泵变频调速时的h q 曲线 节流控制是通过改变装在管道上的阀门或挡板的开度，使阀门对供水的摩擦阻力变 大，所以反映到上图中，阻力曲线从d e 移到d e ，扬程则从h 0 升到h 1 ，流量由q o 减小到q 1 ，运行工况点从a 0 点移动到a 1 点。 变频调速控制是在管网性能曲线不变的情况下，通过改变泵的工作转速，使其性能 曲线变化，从而变更运行工作点来实现调节。泵的特性曲线取决于电机的转速，如果把 速度从n 变为n ，工况点将从a 0 点移到a 2 点，扬程将从h 。降到h 2 ，流量将从q 0 减小到q 1 ，与用节流控制时输出的流量相同。 采用两种方法运行时a 1 点和a 2 的泵轴功率分别为： e = q 1 h 1 p g 1 0 0 0 2 - 2 最= q i h 2 p g 1 0 0 0 2 - 3 尸= 只一只= ( h 1 一 乞) q p g 1 0 0 0 2 - 4 也就是说，用节流控制流量比用变频调速控制时多浪费了k p 的功率，而且消耗随 4 着阀门的丌度减小而增加。另一方面，用变频调速控制时，由水泵的叶轮相似定律，当 转速从n o 变为n 2 时，q 、h 、p 大致变化关系为： q 1 = q o ( ，2 2 n o ) h 2 = 风( 刀2 n o ) 2 a = p o ( 刀2 n o ) 3 2 5 2 6 2 7 由上式可以得出，流量与转速的一次方成正比；扭矩与转速二次方成正比；而泵的 功率与转速的三次方成正比。当水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜 力非常大。所以，比较有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量。 第三章变频方案的确定 3 1 凝结水泵变频改造的可行性 3 1 1 凝结水泵的运行简介 凝结水泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一，它的作用是把经过凝汽器的凝 结水经低压加热器加热后送入除氧器内维持除氧器水位平衡。系统采用传统的配置，凝 结水通过凝结水泵升压后，经过轴封加热器、4 台低压加热器后送入除氧器。调节除氧 器内的水位是凝结水泵运行中的一项主要工作。在正常运行状态下，除氧器内的水位不 能过高或过低。当机组负荷升高时，凝结水量增加，除氧器内的水位相应上升。当机组 负荷降低时，除氧器内水位相应降低，而除氧器内的水位调整是通过改变凝结水泵出口 阀门的开度进行的。因此，维持凝结水泵连续、稳定运行是保持电厂安全、经济生产的 一个重要方面。 凝结水系统的工艺简图如图3 1 所示。 图3 1 凝结水系统的工艺简图 3 1 2 凝结水泵的的安全运行问题 ( 1 ) 由于凝结水泵定速运行，靠出口调节门的节流控制，节流量大，出口压力高， 经常发生泵的法兰大量漏水造成热量和水量的大量流失，地面污染，导致不能j 下常运行 甚至损坏泵。 ( 2 ) 电动调节门是电动机械结构，线性度差，存在调节滞后，调节品质差的问题 影响了调节水位的稳定性。经常出现无水位运行状态，导致泵的严重汽蚀；因为凝结水 6 泵是立式泵，水泵轴向串动严重，电流晃动大，轴承损坏，疏水管道震动和泄漏等故障， 增加了泵的维护工作量，经常要倒泵，严重影响机组的安全运行。 ( 3 ) 由于采用定速泵出口调节门节流调节方式，无法稳定控制除氧器水位，水位 忽高忽低，运行人员操作频繁，严重影响机组的安全经济运行。 3 1 3 凝结水泵的的节能问题 机组在满负荷情况下，凝结水泵出口调节阀开度都在4 0 o 0 - - - 6 0o 0 之间运行，5 0 负 荷至1 0 0 负荷间压差较大，阀门一直处在节流状态下工作，节流损失大。由于机组参 与调峰，凝结水泵主辅机设备具有较大的调整空间，在低负荷时，凝结水泵出力不变， 造成很大浪费。 3 1 4 凝结水泵变频改造的可行性 电机和凝结水泵的主要参数 田家庵电厂# 6 机组配备了2 台1 0 0 容量的凝结水泵 电机参数：型号：y l k k 4 5 0 4 额定功率6 3 0 k w ，额定电压6 k v ，额定电流7 5 6 a ， 额定转速1 4 8 7 r m i n ，效率9 3 1 ，功率因数0 8 7 ； 水泵参数：水泵扬程2 4 4 m ，流量8 7 0 m 3 h ，转速1 4 8 0 r m i n ，轴功率7 5 0 k w ，效率 7 8 9 6 。，型号9 l d t n a 4 ，额定流量8 4 1 m 3 h ，扬程2 8 0 m ，转速1 4 8 0 r p m ，阀门调节。 现增设高压变频器采用无级调速，利用高压变频器对凝结水泵进行变频控制，功耗 随机组负荷变化而变化，实现凝结水泵给水流量的变负荷调节。这样，不仅改善了调节 品质，降低了机组的补水量，而且提高系统运行的可靠性和利用率，改善了系统的经济 性，节约能源，进而达到最佳经济运行模式的目的，为降低电厂用电率提供了良好的途 径。 所以最后决定对# 6 机组的b 凝结水泵采用高压变频器调速装置。 3 2 变频方案的选择 3 2 1 中间直流环节 ( 1 ) 无中间直流环节 常规的“交一交 式变频器是把工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流。 其缺点是输出频率低，一般在3 0 h z 以下。由于受到最高频率的限制，因此只能用在一 些低速、大容量的特殊场合。 ( 2 ) 有中间直流环节 “交一直一交”式变频器是把工频交流通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体 7 器件( g t o 、g t r 或i g b t ) 组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的 交流电。其特点是直接输出高压，无需输出变压器，效率高，输出频率范围宽，在工业 电动系统中应用最为广泛。 所以选用“交一直一交”式变频器作为此次变频改造选用变频器。 3 2 2 电压输出方式 ( 1 ) “高低一低方式变频调速 “高低一低 方式变频器是用一台变压器将电压6 k v 降为3 8 0 v 或6 9 0 v ，用3 8 0 v ( 或6 9 0 v ) 低压变频器，将6 k v 电机换成3 8 0 v 或6 9 0 v 电机的变频调速系统，其结 构如图3 2 所示。 这种方式一般可靠性较低，因而在工业中的应用不是很广泛。 匿 脚 “ “ 框 图3 2 高一低一低方案 ( 2 ) “高一低一高”间接变频方式 “高一低一高 间接变频器是在低压通用变频器输入侧加一台降压变压器，在变频 器输出侧再加一台升压变频器，向高压电动机供电的变频调速系统，其结构如图3 3 所 示。 茎 脚 鹾 握 图3 - 3 高一低一高方案 这种方式由于存在中间低压环节电流大、效率较低、技术要求水平高、体积大等缺 点，较适用于2 0 0 k w 5 0 0 k w 左右小容量高压电动机的调速。因而在工业中的应用不 是很广泛。 ( 3 ) “高一高直接变频方式 “高一高”直接变频器是电流通过高压变频器变频后直接向6 k v 高压电机供电的 变频调速系统。目前，5 0 0 k w 以上的高压电动机的调速大都采用此类方式。这种方式 可省去输出变压器，减少了损耗，提高了设备效率，是高压变频器的发展方向。它的实 现有两种方式，一是采用功率器件直接串联构成，组成交一直一交调速系统，如g t o 串联式交直交电流型变频器，或者i g b t 直接串联高压变频器。另一种是采用多电平逆 变器拓扑结构。 8 与传统二电平电压型逆变器相比较，多电平逆变器具有诸多显著优点： 6 k v ! ? 卑 = = 一一一率二 高压变频器 司 图3 4 高一高方案 输出电平数多，具有较低的d v d t ； 无需器件串联，采用低压功率器件即可实现更高等级的电压输出； 通过多电平的组合逼近参考波形，使得输出电压具有更好的谐波性能。 因此多电平逆变器被业界认为在高压大容量领域中最具应用前景。采用多电平结构 成为实现高电压大容量化的有效途径。 自2 0 世纪8 0 年代初n a b a e 等人提出三电平中点箝位电路( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ， n p c ) 以来，多电平逆变器技术得到了很大的发展。从目前工业应用的角度来看，多电 平逆变器主要有三种类型的拓扑结构：二极管箝位结构、h 桥级联结构和悬浮电容结构。 图3 5 为这三类多电平拓扑的单相电路示意图。 图3 5 多电平逆变器的三种拓扑结构 9 三电平n p c 逆变器是二极管筘位结构中研究得最为充分的一种，也是一种实用的 拓扑结构。不过当电平数超过3 时，二极管筘位逆变器的直流电容电压将得不到完全控 制。瑞士a b b 公司的a c s l 0 0 0 和德国西门子公司s i m o v e r t 系列的中高压变频调速 装置就是基于三电平n p c 逆变器实现的。基于三电平n p c 逆变器的调速装置，每个开 关位置只用一只器件时，逆变器目前可输出4 1 6 k v 线电压，但是要输出更高电压，需 要器件串联。 在悬浮电容多电平逆变器的工程应用中，目前只有a l s t o m 公司有实际的产品。 h 桥级联多电平逆变器是目前工业应用最为成熟的一种拓扑结构。目前国内外有多 家公司的变频器是基于h 桥级联多电平逆变器实现的，例如美国罗宾康( r o b i c o n ) 公 司的h a r m o n y 系列变频器。电网电压经变压器降低到所允许的电压，在逆变器各相 中，串入单相变频器，经低压单相变频器变频后，实现高压输出，直接供给高压电动机。 这种方式不需要输出变压器，电流波形接近正弦，其输出电压的高低范围由单相变频器 串入的数量决定。目前，这种方式已被广泛采用，国外公司已有正式产品应用于生产中， 并不断推广，国内也有几家单位在进行这方面的研究开发和生产。应该说这种方案是目 前国产6 k v 、1 0 k v 中压大功率变频最可行的方案。由于采用直接高压输出，内部省去 了升压变压器，故有体积小、效率高、输出频率范围宽等优点，应用较为广泛。 3 2 3 高压变频调速技术的不同技术方案评价 目前国内外已有多家公司开发高压变频调速产品，并在工业现场广泛应用。其中国 外厂家主要有西门子、a b b 、r o c k w e l l 、r o b i c o n 等公司；国内主要是利德华福、 成都佳灵、冶金自动化院等公司或研究所在生产或研发的高压变频产品。所采用的技术 方案主要可分为两类：电流型逆变器和多电平逆变器。r o c k w e l l 公司推出的基于 s g c t 的p o w e r f l e x7 0 0 0 变频器就是采用电流型逆变器。 ( 1 ) 基于电流型逆变器的高压变频调速 这种变频器具有使用功率器件少，易于控制电流和四象限运行等优点。但是缺点也 很明显，如对电网污染严重，功率因数低，对电网电压和电机参数敏感，无法做到真正 的通用等。从技术和经济上，相比较电压型逆变器，它都处于劣势。 ( 2 ) 采用i g c t i g b t 的中点筘位三电平电压型逆变器 1! 车j! 本j 五 ”“叫j 习= = 1 直】【 j ! 直】 j 五ji ， 二二n ! ii j _ 上上 网厂 习= 一 1! 车j i j ! 直】i j ! 五ji l 工j 声刊】 一 上 ，一l 1 ! 车j 卒j ! 直 4 j 图3 6 三电平n p c 逆变器 1 0 a b b 的a c s l 0 0 0 和西门子公司的s i m o v e r tm v 系列变频器都采用了这种电路 结构，如图3 - 6 所示。其优点：电路结构简单、功率器件数目较少、效率高、整体可靠 性高。但是缺点也很明显，在现有的电力电子器件技术水平下，实现6 k v 及以上电压 输出时需要采用功率开关器件串联运行，而且d v d t 仍然较大，需输出滤波器。 ( 3 ) 采用i g b t 的单元串联多电平电压型逆变器 r o b i c o n 的p e r f e c th a r m o n y 系列变频器采用了这种电路结构，如图3 7 所示。其 优点：由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价格低廉的低压i g b t 组成逆变单 元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求：完美的输入输出波形，使其能适 应任何场合及电机使用；由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做 成模块化，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路， 系统仍能正常或降额运行。 其缺点是：使用的功率单元及功率器件数量太多，6 k v 系统要使用1 5 0 只功率 器件( 9 0 只二极管，6 0 只i g b t ) ，装置的体积太大，重量大，安装位置成问题： 无法实现能量回馈及四象限运行，且无法实现制动；当电网电压和电机电压不同时无 法实现旁路切换控制。 国内的变频器制造公司均采用这种主电路结构，因此在火电厂风机水泵变频调速节 能改造领域，占据着统治的地位。 a ( a ) 多重化连接原理 b ( b ) 多重化逆变器连接 图3 7 单元级联多电平逆变器 ( 4 ) 采用i g c t 的悬浮电容箝位多电平电压型逆变器 法国a l s t o m 的变频器采用了这种电路结构，如图3 8 所示。其优点是多电平输 出、电路结构简单、输出6 k v 及以上电压时避免了功率开关的串联运行。缺点是需要 的电容器多、控制技术复杂、需电容预充电电路。 、 i j ! o 蒯j = 。卜 jj 【 ， 鼎i = 匕：l：l 上上上 -l工j j j j j jj 】 图3 8 悬浮电容多电平逆变器 1 2 陟陟陟陟陛陟隧隧陛陟陟陟陟陟陟一 三 相 交 流 输 入 根据上述分析，由于采用i g b t 的单元串联多电平电压型逆变器具有输出无需滤波 器，模块化结构，可以实现冗余运行，成本较低，输入功率因数高，输入谐波含量少， 适用于普通异步电动机，对输出电缆的长度无特殊限制等优点，所以田家庵电厂决定最 终采用“高一高”直接变频的方式，其主电路开关元件为i g b t 单元串联多电平电压型 逆变器的变频控制系统。 4 1 、基本要求 第四章变频器的确定 在对j 6 6 机b 凝结水泵进行变频改造前，田家庵电厂提出了几点技术要求： 1 ) 当变频器出现故障时，可自动切换到工频运行。 卜卜 h 丰 高压变频器 图4 1 变频器一 j 频自动切换原理图 为了保证整个系统运行的可靠性，当变频器出现严重故障不能继续运行、两级单元 旁路后再有单元发生故障时，变频器将立即封锁输出，并分断高压输入和变频器输出开 关k 1 和k 2 ，延时1 秒后，合闸工频旁路开关k 3 ，将电机投入工频电网运行。如图4 1 所示。 当变频器需要退出运行进行维护、维修而不影响电机的正常运行时，可以通过本地 或远程控制的工频投切按钮，向变频器发出命令，此时，变频器将输出频率调整到工频， 待工频到达后，变频器立即封锁输出，分断高压输入和变频器输出开关，延时1 秒后， 合闸工频旁路开关，将电机投入工频电网运行。 2 ) 变频器基本要求： ( 1 ) 进线变压器 应根据变频装置的型式选择与变频装置配套的进线变压器。进线变压器应能承受系 统过电压和变频装置产生的共模电压以及谐波的影响。 进线变压器应为干式变压器，配金属外壳( 干式变也可单独布置) 、冷却器，冷却 器应实现按温度设定自动投、退的功能，并应具有就地和远方超温报警功能。 进线变压器应能在规定的电源参数下j 下常工作。 高压变频装置的进线电源来自6 k v 工作段 1 4 表l高压变频装置进线电源参数 项目 参数 备注 额定电压 6 k v 电压正常变化范围+ 1 0 一1 0 额定频率 5 0 h z 频率变化范围 + 1 0 一一1 0 电动机成组自起动时，母线电压 6 5 u n 最人一台电机起动时，母线电压 8 0 u n 6 k v 母线侧短路电流 4 0 k a ( 有效值) 中性点不接地系统 进线变压器应满足下列技术参数 进线变压器一次侧额定电压：6 k v 进线变压器一次侧额定频率：5 0 1 0 h z 绝缘等级：h 级 应提供进线变压器过负载能力 变压器允许过负荷能力应符合i e c 干式变压器过负荷导则及相应国标要求。 变压器承受短路电流的能力 变压器在各分接头位置时，应能承受线端突发短路的动、热稳定而不产生任何损伤、 变形及紧固件松动。 噪音水平 牛6 0 d b ( 在离外壳l m ，高度为1 5 m 处测量) 温升限值 表2 进线变压器温升限制 部位 绝缘系统温度( ) 最高温升( k ) 线圈1 8 0 1 2 5 铁心、金属部件和其在任何情况下不会出现使铁芯本身、其它 相邻材料部件和与其相邻的材料受到损害的温度 应提供变压器的测量、控制、信号等附件的名称、数量，并变压器本体系统的测量 和控制项目。 变压器配置了温控仪，变压器柜风机由温控仪控制其起停。柜体上应设置温度显示 系统，实时显示变压器温度，便于用户观察变压器的温度。温控仪与p l c 相结合，还 可以实现变压器的超温报警和过热跳闸，温度点现场可以设定。 变压器进线接线端子应足够大，以便与进线电缆连接。变压器柜内高压引线导体应 能满足发热的允许值。( 6 5 ) 试验 变压器的型式试验和出厂试验的内容和方法应满足相应的国际标准和中国国家标 准。 ( 2 ) 变频装置 根据水泵的运行特点和与之配套的电动机参数选择合适的变频装冕。6k v 电源的瞬 间闪变及工作电源切备用电源不应导致变频装置的停机。额定运行工况下，使用变 频装置后电动机不降容。 变频调速装置应具有良好的调节性能，能根据负荷的变化及时有效地实现调节，在 负荷从1 0 0 调节到4 0 的响应时间宜小于l m i n 。( 现场1 s 3 6 0 0 s 可调) 变频调速系统产生的谐波应满足中国“g b t1 4 5 4 9 ”电能质量“公用电网谐波” 及“i e e e 5 1 9 ”国际标准的规定。变频装置应考虑将对电网谐波影响减至最小的措 施，并在技术协议中说明。变频装置应对本体控制系统就地控制柜无谐波影响。使 用多脉冲整流器，整流桥脉冲数为4 2 脉冲。 冷却系统应可靠，平均无故障时间应变频装置本身。否则应考虑冗余配置，并自 动切换。报警信号应能远传到控制室。每一套冷却装置应拆装方便，应满足变频装 置的安全可靠地运行。 变频装置应设以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保 护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保 护等，并能联跳输入侧6 k v 开关。保护的性能应符合国家有关标准的规定。 过载保护电机额定电流的1 2 0 ，每1 0 分钟允许1 分钟( 反时限特性) ，超过则 保护。 过流保护电机额定电流的1 5 0 ，3 秒保护动作；电机额定电流的2 0 0 立即保护。 过压保护自动检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过额定电压的1 1 5 ， 则变频器保护动作。 欠压保护自动检测每个功率模块的直流母线电压，如果低于设定的数值，则变频 器保护动作，且动作时间可调。 过热保护包括两重保护：在变频调速系统柜体内设置温度检测，当环境温度超过 预先设置的值时，发报警信号；另外，在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功 率器件上放置温度检测，一旦超过极限温度( 变压器1 3 0 c 、功率器件8 5 c ) ，则保护。 缺相保护缺相保护设置在每个功率模块上。当变频器输入侧掉相或功率模块的保 险熔芯融化时，会发出报警信号并保护。 光纤故障保护当控制器与功率模块之间的连接光纤出现故障时，会发出报警信号 并保护。 变频装置控制系统应可靠，重要元器件应冗余配置。如控制电源不允许失电，则应 配置内置u p s ，u p s 容量应满足电源切换时间。变频装置控制系统应采用数字微处 1 6 理器控制器，具有就地监控方式和远方监控方式。在就地监控方式下，通过变频装 置上的触摸式键盘和l c d l e d 显示，可进行就地人工启动、停止变频装置，可以 调整转速、频率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用 中文。提供的变频装置支撑软件为汉化的最新的正版软件。并提供软件的升级服务。 变频装置应带故障自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置尽量提供中文指 示，能在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问 题。 变频装置的功率单元为模块化设计，方便从机架上抽出、移动和变换，所有单元可 以互换。变频器具备内部单元旁路，保证整个系统在变频器单个模块故障时仍正常 运行。 变频装置内部通讯应采用光纤连接，以提高通讯速率和抗干扰能力；变频装置柜内 强电信号和弱电信号应分开布置，以避免干扰；柜内应设有屏蔽端子和接地设施。 变频装置应对本体控制系统的就地控制柜无谐波影响。 当6 k v 母线上电动机成组启动时，母线电压降低，对变频器运行无影响，变频器自 动降低转速，维持运转等电压恢复正常后再回到给定转速。 当6 k v 母线上最大一台电动机启动时，母线电压降低，对变频器运行无影响。变频 器自动降低转速，维持运转等电压恢复正常后再回到给定转速。 变频装置的输出频率范围0 - 6 0 h z ；恒转矩调速范围3 - - 5 0 h z ；调速精度0 0 1 h z ； 最大瞬时启动力矩1 2 0 ；间歇过载能力1 2 0 ( 反时限) ，每l o 分钟累计，1 5 0 3 秒钟保护。 变频装置谐波指标，共模电压：输入电流谐波 4 ，输出电压谐波 6 ，输出电流谐 波 2 ：系统的共模电压由进线变压器承担，能力为2 0 k v ，电机不承受共模电压。 变频装置欠压保护动作值：允许电压降落3 0 ，保护时间可设定。 变频器瞬时断电再上电的能力，断电后再启动的初始化时间：瞬时掉电时，变频器 自动降额运行，使输出功率为零或为负，使电容上的能量维持较长的时间。如果掉 电时间在2 0 秒钟内，输入电压恢复j 下常后，重新提升输出频率至给定值，此过程 由加减速时间控制，没有初始化时间。 变频装置动力电源与控制电源分开取电，动力电源为变频调速系统内部取电，控制 电源由用户提供交流3 8 0 v3 k v a 交流操作电源( 中性点不接地) ，还需提供2 2 0 v ， 3 k v a 直流电源做为后备电源。 变频装置功率元件型式、噪声等级指标、控制技术：变频调速系统功率元件采用 i g b t 模块，系统运行噪声 2 5 42 弱2 5 72 6 7 2 6 82 7 02 7 12 7 22 7 32 7 42 7 5 2 7 62 7 7 2 7 82 7 92 8 22 8 3x 1x 2x 3 1234567 891 01 11 21 3 1 4 1 51 61 71 81 92 0 图4 1 0 变频器对外端子定义 2 4 根据需方要求，可以重新定义各输入、输出点的功能。 保护 输入变压器在原副边之间带屏蔽层，并接地，实现浪涌吸收保护； 变压器进线接线端子足够大，便于进线电缆连接。变压器柜内高压引线导体能满足 发热的允许值； 变压器在各分接头位置时，能承受线端突发短路的动、热稳定而不产生任何损伤、 变形及紧固件松动； 变频器具有完善的自诊断和保护功能，有过电压、过电流、欠电压、缺相、变频器 过载、变频器过热、电机过载、电机过流、变压器过热等保护功能。 4 2 2z n b o r u i 变频器的主要优势及特点 z n b o r u i 系列高压变频器与国内外同类产品比较，在产品功能设计、产品质量保 障措施、系统安全设计和服务方面，具有以下优势和特点： ( 1 ) 输入、输出谐波含量低，输入功率因数高。无须滤波器和功率因