（电气工程专业论文）包头第三热电厂一次风机变频改造的研究与应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着国家节能减排工作的不断深入，火力燃煤发电机组如何降低厂用电率、降 低供电煤耗迫在眉睫。当前作为大容量传动的高压变频调速技术在节能领域得到了 广泛应用。本文结合电厂目前运行情况认真研究了交流调速的几种方案，并对高压 变频技术应用的相关问题进行了分析；在分析对比各种高压变频技术方案的基础 上，选定包头第三热电厂一次风机变频调速改造项目，研制成功了6 k v 等级的电动 机变频调速系统。并在生产实践中对本厂一次风机变频改造项目进行了试验，充分 证明大型火电厂进行高压变频技术改造的必要性，为本厂继续深化改造提供了宝贵 经验。 关键词：一次风机，变频调速，节能 a b s t r a c t a st h ee l e c t r i cd r i v i n gt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yt h eh i g h v o l t a g ef r e q u e n c yc o n t r o l t e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n g ，h o wd o e st h ec o a l f i r e dp o w e rg e n e r a t i n g u n i t sr e d u c ep l a m s e r v i c ep o w e rr a t e ，t or e d u c et h ec o a lc o n s u m p t i o no fe l e c t r i c i t ys u p p l yt 0b ei m m i n e n t t h el a r g e c a p a c i t ya n dh i g h - v 0 1 t a g ef r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d i nt h ee n e r g ys a v i n gf i e l d t h i sp a p e re a r n e s t l ys t u d i e st h es p e e dc o n t r o ls c h e m e s ， a n a l y z e st h ec o r r e l a t i v em a t t e r so ft h eh i g h - v o l t a g ef r e q u e n c y - c o n t r o lt e c l l i l o l o g y ，t h e n i tc o m p a r e ss o m ed i f f e r e n th i g h v o l t a g ef r e q u e n c yc o n t r o ls c h e m e sw i t he a c ho t h e r ， b a s e do nw h i c hap r i m a r ya i rf a nf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mo f6 k vv o l t a g eg r a d ei s g a i n e df o rt h ep r i m a r ya i rf hm o d i f i c a t i o np r o j e c to f t h en o 3b a o t o ut h e 咖a lp o 、r p l a n t s ，w h i c hh a sa na d v a n c e dt e c h n o l o g ya n da no b v i o u s l ye c o n o m i cp e r f o m l a n c e w e p r a c t i c ei nt h ep r o d u c t i o no ft h ef a c t o r yp r i m a r ya i rf a nm o d i f i c a t i o no fap i l o tp r o j e c tt o f u l l yp r o v et h a tt oc a r 巧o u tl a 唱e - s c a l et h e m a lp o w e rp l a n to ft h en e e df o rh 追h - v o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yf o rt h e f a c t or ) ，t oc o n t i n u et od e e p e nt h er e f o m p r o v i d e dav a l u a b l ee x p e r i e n c e j iy u ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h e n gs i q i n g ，e n g i n e e rh u a n gl i n z h o n g k e yw o r d s ： p r i m a r ya i rf a n ，f r e q u e n c yc o n t r o i ，e n e r g ys a v i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包头第三热电厂一次风机变频改 造的研究与应用，是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：也 ) 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：i 、学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；i i 、学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；i i i 、学校可允许学位论文被查阅或借阅； i v 、学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；v 、同意学校可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期： 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1电厂一次风机变频调速改造的目的 风机、水泵采用变频调速是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府和企 业的普遍重视。中华人民共和国节约能源法第3 9 条就明确规定了将此作为通 用节能技术加以推广。国务院、财政部、电力部对节能都有规定，指出：“要把实 现交流电机调速节电作为重点措施，认真推广”。以往推广应用的变频器主要是指 低压( 3 8 0 级) 变频器，而对于高压( 3 k v 、6 k v 、1 0 k v ) 变频器则应用较少。 高压变频调速技术是针对大、中容量电动机的一项节能新技术，是现代电气传 动的发展趋势。它技术成熟，节电效果好( 节电率达2 0 一6 0 ) ，在国外已经得 到了广泛应用【1 ，2 】。目前性能最好的就是美国r o b i c o n 公司推出的“完美无谐波” 高压变频调速装置，采用多级低电压小功率i g b t p w m 功率变换单元串联输出高 压变频电能，并实现大功率集成【3 4 j 。 在我国应用高压变频器实现火力发电厂辅机的调速节能运行，对于电厂节能降 耗、降低发电成本，提高电厂经济效益具有十分重要的意义。随着电力行业改革的 不断深化和发展，以及厂、网分家、竞价上网等政策的实施，降低发电厂的厂用电 率，以降低发电成本，提高上网电价的竞争力已成为各发电厂实现节能降耗，提高 经济效益的重要方面。我国在高压电机变频调速领域起步较早，目前已有少数科研 单位有能力制造，例如北京先行新机电技术有限公司研制成功高压大功率直接变换 变频调速系统( h v f ) ，单机容量已达6 0 0 0 k v a ( 1 0 5 k v ) ，并已获得实际应用。 这项技术在我国还处于萌芽状态，有大量的工作要做，且市场需求旺盛p j 。 众所周知，风机和泵改用调速传动后可节约大量电力。特别是电压电动机，容 量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题【5 t 6 j 。 据统计，我国火力发电厂的风机、水泵等辅机约有3 5 万台，装机容量7 5 0 多万k w ， 年耗电4 0 0 多亿k w h ，占厂用电量的7 0 左右。而6 k v 以上的高压电动机传动的 风机、水泵约有3 万台，计6 5 0 万k w 。据资料介绍，在厂用电负荷中，可采用变 频器的约占5 0 左右。风机是火力发电厂的主要耗能设备之一，约占厂用电量的 2 5 3 0 ，其中锅炉引风机、送风机、排粉风机等几台主要风机单机容量大，运 行时间长，耗电量多，约占电厂风机耗电量的9 0 左右。 发电机组的负载是随电网用电设备负荷的变化而变化的，当用电负荷量发生变 化时，发电机的出力必须跟着改变，像某电厂的承担调峰运行的机组，其负荷可能 从l o o 降低到6 0 ，甚至更低。为主机服务的这些风机水泵等辅机也跟着改变出 华北电力大学工程硕士学位论文 力，以满足系统的需要，否则，系统的平衡受到破坏，发电机组的正常运行会受到 影响，为了改变风机的出力，现都是采用档板或阀门来调节。其风机的调风档板的 开度往往在4 0 6 0 ，这种调节方式不仅浪费了大量的电能，而且由于这种调节 方式不能保证运行中的压力恒定，影响发电机的出力和系统的平衡。采用高压变频 调速不仅能节约电能，降低生产成本，而且可以保证压力恒定，使系统稳定运行， 提高系统的效率。 1 2电厂一次风机变频调速改造的意义 电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程、改善环境和推动技术进 步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起动性能，高效率、高功率因数和 节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有前途的调速方 式。 高压变频调速技术是针对大、中容量电动机的一项节能新技术，是现代电气传 动的发展趋势。它技术成熟，节电效果好( 节电率达2 0 一6 0 ) ，在国外已经得 到了广泛应用【1 ，2 1 。目前我国电能利用率还非常低，浪费严重，特别是风机、风机大 都采用风门、阀门调节风量、水量，如果高压变频调速技术得以推广，不仅能满足 工艺流程的要求，而且节电效果也非常显著，对我国能源的合理利用、环境保护都 有十分重大的意义，同时，变频调速技术已成为节约能源提高产品质量的有效措施。 很多用户实践结果证明，节电率一般在1 0 3 0 ，有的高达4 0 ，更重要的是生 产中的一些技术难点也得到了解决，例如包钢1 1 5 0 轧机采用变频装置后，年平均 事故时间达到工作时间的0 1 以下，大幅度提高了产品质量和产量，且年节约电费 约5 0 万元；仪征化纤联合公司共用了3 0 0 台变频器，频率精度达0 2 ，做到了使 用3 年无一事故；乌鲁木齐市热力总公司在供热系统中采用变频调速后，当年节电 达3 5 以上；石油系统从8 0 年代末到1 9 9 7 年，油田和长输管道在用的变频装置已 达1 2 万k w ，年节电量近2 亿k w h 。 理论研究和试验运行表明，高压变频调速系统性能良好，高压大容量的风机、 风机系统采用变频调速可以节省大量电能，综合经济效益十分显著。 ( 1 ) 节约电能 采用高压变频器可以节约大量电能，节电率可达3 5 5 5 。 ( 2 ) 有利于确保发电机组安全稳定的运行 采用高压变频器调速，可以稳定风机的转速，与传感器配合，可构成恒压闭环 控制系统，以保证系统的风压的恒定，从而保证系统的稳定和发电机的安全与稳定 运行。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 可延长电机和风机以及阀门的使用寿命 由于采用高压变频器调速，风机降速运行，阀门全开；另由于采用高压变频器， 电机起动时，起动电流在额定电流以内，消除了直接起动时巨大电应力对电机的损 坏和对设备的冲击。这都使得电机和风机以及阀门等使用寿命延长。 ( 4 ) 减少了维修工作量和维修费用 1 3 国内外发展现状及发展趋势 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传 动技术，交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发 展趋势。而电机交流调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环 境、推动技术进步的一种主要手段，而在交流调速中最活跃、发展最快的就是变频 调速技术，它是交流调速的基础和主要内容。它以其优异的调速和起制动性能，高 效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为 最有发展前途的调速方式。 目前，变频调速技术，已广泛应用于低压电动机的调速传动中，随着技术的进 步和制造工艺的提高，高电压大功率变频调速器生产技术也已逐渐趋于成熟，正逐 渐应用于各个领域。例如，在大功率交一交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国 阿尔斯通公司已能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船舶推进系统；在 大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量6 万k w 的设备用于抽水蓄能电站；罗克韦尔自动化公司生产的a 一b 变频器已经达到 8 5 0 0 k w ，德国西门子公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 l o 一5 6 0 0k v a 和s i m o v e r t pg t o p w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0 k v a ：而 目前性能最好的就是美国r o b i c o n 公司推出的“完美无谐波”高压变频调速装置， 采用多级低电压小功率i g b t - p w m 功率变换单元串联输出高压变频电能，并实现 大功率集成【3 4 】。国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： ( 1 ) 市场的大量需求。随着工业自动化程度不断提高和能源全球性短缺，变 频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、 风机等的节能场合，并取得显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等大量的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生 产及应用成为现实。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊 控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；1 6 位、3 2 位高速微处理 3 华北电力大学工程硕士学位论文 器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现变频 器高精度、多功能化提供了硬件手段。 ( 4 ) 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化 生产。 我国在高压电机变频调速领域起步较早，目前已有少数科研单位有能力制造， 例如北京先行新机电技术有限公司研制成功高压大功率直接变换变频调速系统 ( h v f ) ，单机容量已达6 0 0 0 k v a ( 1 0 5 k v ) ，并已获得实际应用。这项技术在我 国还处于萌芽状态，有大量的工作要做，且市场需求旺盛【5 1 。但在功率器件发展、 控制系统数字化和可靠性方面与国外还有相当的差距，其总体电气传动的技术水平 较国际先进水平差距1 0 1 5 年。在大功率交交变频、无换向器电机等变频技术方 面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有 相当差距。国内的交流变频调速技术产业状况大致表现如下： ( 1 ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力， 但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ( 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业薄弱。 ( 3 ) 相关配套产业及行业较为落后。 ( 4 ) 产销量较少，可靠性及工艺水平不高。 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能 的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必 定分成功率和控制两大部分。前者要解决电子器件的应用技术问题，后者要解决硬 软件开发问题，其发展方向主要有以下几项： ( 1 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变 结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器， 在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思 想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断 技术。 ( 2 ) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1 ， 网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。 对中小容量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器，在常 规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 ( 3 ) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制无件具有高的集成度， 其中包括智能的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器( 如水冷、 4 华北电力大学工程硕士学位论文 蒸发冷却和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 ( 4 ) 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够 的能力实现各种控制算法，w i n d o w s 操作系统的收入使得可自由设计，图形编程的 控制技术也有很大的发展。 ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及各 种c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 今后主要研究的开发项目主要有以下几项： ( 1 ) 数字控制的大功率交交变频器供电的传动设备。 ( 2 ) 大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风 机和泵上的推广应用。 ( 3 ) 电压型g t o 逆变器在铁路机车上的推广应用。 ( 4 ) 电压型i g b t 、i g c t 逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4 象限运行，带有电机参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器 的矢量控制、直接转矩控制等。 ( 5 ) 风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速 传动后可节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济 合理的高压电动机调速方法是当今重大课题【5 卅。 1 4 本文主要工作 本文从节能的角度出发，介绍交流电机调速的几种方法，重点研究高压变频技 术在电厂一次风机系统中应用的相关问题，分析比较了几种常见的高压变频调速方 案，并开发了包头第三发电厂# 1 机组一次风机电机( 6 k v 等级) 的变频调速系统。 下面简要介绍论文所要完成的任务： ( 1 ) 分析一次风机在电厂中的作用及其工作原理，针对其工作性质及耗能情况 分析对其进行系统平滑调速改造的必要性； ( 2 ) 介绍交流电机调速的各种调速方案，并对各种方案的特点进行分析和比较， 以确定最适用于电厂一次风机的调速方式； ( 3 ) 分析研究交流电动机变频调速技术，包括变频器构成原理、p w m 逆变技术、 谐波危害及其抑制技术、风机调速运行节能原理等，以明确该领域的最新发展动向。 ( 4 ) 对比研究高压变频调速技术的几种方案，并仔细分析电厂一次风机调速应 当注意的诸多因素以及各因素对电厂加压泵变频调速的影响内容。 ( 5 ) 将理论应用于工程实践，结合包头第三发电厂# 1 机组一次风机变频改造 5 华北电力大学工程硕士学位论文 项目，开发电压等级为6 k v 的一次风机变频调速系统。 ( 6 ) 发电厂是连续生产部门，要求调速系统能够长期稳定地运行，并能产生良 好的节能效果，所以设计时要考虑以下基本要求： a ) 系统本身要具有高可靠性： b ) 现有设备采用调速运行时，设备改造和运行调试时间要短； c ) 操作和维护性好； d ) 投资回收周其短，经济效果显著。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电厂一次风机 2 1一次风机在电厂中的作用 一次风机是一种将原动机的机械能转换为叶轮输送流体( 在电厂中为风) 的压 能和动能的一种动力设备，其主要作用是干燥煤粉并将其通过磨煤机送入炉膛。 在火力发电厂中，一次风机是实现动力循环的重要组成部分，是重要的辅机之 一，其安全、经济运行对电厂的安全经济发电起着重要作用。 2 2 离心式风机的工作原理 离心式风机是依靠装在主轴上叶轮的旋转运动，通过叶轮的叶片对流体做功， 提高流体能量，从而实现输送流体的。图2 1 为离心式风机的工作简图。 在风机壳内充满空气的情况下，只要原动机带动它们的叶轮旋转，则叶轮中的 叶片就对其中的空气做功，迫使它们旋转。旋转的空气在惯性力的作用下，从中心 向叶轮边缘流去，其压强和流速不断增高，最后以很高的速度流出叶轮进入风机壳 内，此时开启出口阀门，风机将由压出室排出，这个过程称为压出过程；同时，由 于叶轮中心空气流向边缘，在叶轮中心形成了低压区，当它具有足够低的压强或具 有足够的真空，使得叶轮中心处空气的总能头低于入口空气的总能头时，空气将在 这两个总能头差的作用下，经过吸入管进入叶轮，这个过程称为吸入过程。叶轮不 断旋转，流体就会不断地被压出和吸入，形成了风机的连续工作。 l 、叶片，2 、叶轮，3 、风机壳，4 、吸入管， 5 、压出管，6 、入口风门，7 、底阀，8 、阀门 图2 1离心式风机工作简图 7 华北电力大学工程硕士学位论文 一次风机是依靠装在主轴上叶轮的旋转运动来使空气具有一定压力并流动的， 风机的轴功率为： 尸= 日幸q ( 2 1 ) 式中：麒风机的出口压力；q - 风机的流量； 由式( 2 - 1 ) 可知：风机的轴功率p 与风机的出口流量q 和出口压力h 成正 比。泵的流量q 越大，则一次风机的轴功率p 就越大，风机消耗的电能就多，反之， 则风机消耗的电能就少。我们知道，离心式风机的流量q 与风机的转速刀有关，对 同一台风机而言： q l q2 吃 ( 2 2 ) 即流量q 与风机的叶轮转速n 成正比，风机的转速低，则风机的流量就少。电 厂的一次风机是由电压等级为6 k v 的交流电机驱动的，对一次风机的调速实际而言 是为风机提供驱动力的交流电机的调速。 2 3 变频调速与风机节能的原理研究与探讨 2 3 1高压变频器的节能原理 过去，一般对风机采用挡板、阀门进行流量控制，因而造成了大量的能源浪费。 现在，国际上普遍采用转速调节方式进行节能，虽然有多种方式，但是其中应用效 果最好的为高压变频调速方式。 采用直接高压控制电动机定子的电压源型变频器，对风机机械装置进行转速控 制来控制风量的方法是当前国内外主流技术，应用得非常广泛，大量采用该项技术 进行节能，对于我国经济发展具有重要的意义。 风机和水泵虽然是两类不同的机械装置，但是均属于“平方转矩负载”，分析 的方法也基本相同，下面就以风机为例进行说明。 2 3 2 风机的参数和特征 1 风机基本参数的定义 流量q ：单位时间流过风机的风量( m 3 s ) ； 风机的出口压力日：空气流过时产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总 能量称为风机的全压既( p a ) ，它是由静压魄和动压风组成，即h = + 玩； 功率尸：风机工作有效总功率尸t = ( w ) 。 如风机用有效静压魄，则尸g = q 风； r 华北电力大学工程硕士学位论文 效率刀：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给风，因此可以用风机效率 这一参数衡量风机工作的优劣，按照风机的工作方式及参数的不同，效率分别有： 全压效率： 叩t = q 鼠尸 ( 2 - 3 ) 静压效率： 叩g = 卿 ( 2 4 ) 2 风机的特性曲线 表示风机性能的特性曲线有： 肛q 曲线：当转速恒定时，风压与流量间的关系特性； 尸q 曲线：当转速恒定时，功率与流量间的关系特性； 刁一q 曲线：当转速恒定时，风机的效率特性。 对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的厚q 曲线如图 2 2 所示。 h h q 曲线9 臂端特性曲线 口 图2 2 风机运行厚q 曲线及管路特性曲线 根据风机转运从，z 焚剑以，流量q 、j x l 墟月及轴功翠尸阴父化天糸： q k q ( 叱) ( 2 - 5 ) 肛日( 叱) 2 ( 2 6 ) 肚日( ) ， ( 2 7 ) 上面的公式说明，流量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与 拷谏的= 汝方成下比。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 3 管路风阻特性曲线 当管路的空气阻r 保持不变时，流量与通空气阻力之间的关系是确定不变的， 即流量与通空气阻力k 按阻力定律变化，即 k = r q 2 ( 2 8 ) 式中：k 一通风阻力，( p a ) ；r 一空气阻， ( k m 2 ) ；q 一流量， ( m 3 s ) 。 尽q 的抛物线关系称为空气阻力特性曲线，如图2 2 所示。显然，空气阻越大 曲线越陡。空气阻力的尽q 曲线与管路阻力曲线相交的工作点成为工况点m 。同一 风机在两种不同转速甩、刀时的尽q 曲线与r 空气阻特性曲线相交的工况点分别为 m 及m7 ，与r 1 水阻曲线相交的工况点为m 1 及m l 。 2 3 4 电动机容量计算 拖动风机的电动机所需的输出轴功率： 尸：鱼l o - 5( 2 9 ) 7 7 c 7 7 6 式中：刁b 一叶轮或风机的效率；刁。一传动装置效率。 1 6 1 i 1 2 1 o 嚣 包 姜o 8 坦 崩 0 6 o o 2 阻拭髓 龛r 3 蹙顾碉琏特性 j 、| 敝抗曲线翘 |- - - o ， l 7 t n 控翻翻、 y 、 h_ - - - _ i ， r 、 彳 曲缱r 1 i o c 瞒转速 1 _ - - 么、 。， r 7 、 是 入 g ，、 名 铽蹦濑蘧 ， 、 、 ，厂参 8 c 转速 么夕 ，r 一、 。 、 哟6 姥遗 7 0 姨遍 p l 、 芷 图2 3日一q 一江p 状态图 2 3 5 风机的节电方法及节能原理 从以上的介绍可知，风机负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三 次方成正比，因此可以通过调节风机的转速来达到节电之目的。下面对采用调节阀 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 门及变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。如果设备的配置都满足设备 的最佳运行状态，从图2 3 上看到： 1 当流量q = 1 时，采用调节阀门和采用变频器时使用的功率将会一致，这是 因为它们的输入功率都为a h o k 所包围的面积： 2 当流量从q = l 下降到q = 0 7 时，采用调节阀门进行调节时的输入功率为 b i o l 所包围的面积，采用变频调节后，其功率下降为d g o l 所包围的面积，从图 2 3 看，这个面积比b i o l 包围的面积小很多： 3 当流量进一步下降到q = 0 5 时，采用调节阀门节时的输入功率为c j o p 包 围的面积，而采用变频高速时的输入功率为e f o p 包围的面积，从图2 3 看到，这 个面积与c j o p 相比，其值更小。 所以，可以从直观的图形上看到采用变频调速技术比采用调节阀门时节约大量 的能量，也就是说：采用变频调速是一种节能的好办法。 那么，怎么计算昵? 根据风机理论，风机运行时在需要流量变时，可以采用阀 门或者挡板进行调节，其输入功率的计算公式为： p 册= p 月品q 打开 ( 2 - l o ) 风一= u 一( u 一1 ) 朋 ( 2 - 1 1 ) 式中：u 为系统流量为零时压力极值。 所以，采用调节阀门时的风机输入功率为： 尸n n = 尸风。q n n = h u 一( u 一1 ) n 。】q n n ( 2 1 2 ) 式中：p n 。为某个状态下的输入功率标么值； 风n 为某个状态下的为压力标么值； q n 。为某个状态下的为流量标么值： 尸为额定状态下的输入功率。 2 3 6 采用变频调速时的功率计算 1 异步电机的转数为： 刀= 6 0 火l s ) 仞 ( 2 - 1 3 ) 2 风机泵类流量、压力、功率与转速以关系为：流量q o c ，z ：压力日o c 甩2 ；功 率尸o c ，z 3 。 假设：额定流量为9 ，额定功耗为尸o ；所需流量为q l ，功耗j p g i f i ；则由上述 正比关系得出公式： 1 1 华北电力大学工程硕士学位论文 尸o 玎0 3 印g i n 肠1 3 ( 2 14 ) 所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为： p g i n = ( 旦) 3 凡 ( 2 1 5 ) 1 1 2 考虑变频器和电机效率后，输入功率为： p g i i l = p ) 3 垒 ( 2 1 6 ) 1 1 2 露 式中：p o 为被拖动电机的轴功率；刁为变频器效率。 3 不同负荷情况下的节能效果曲线图2 4 所示。图2 4 中，横坐标代表风机的 负荷状态。为调节阀门时电机输入功率的曲线；为调节风机转速时电机输入功 率的曲线；o 为采用变频调速方法时，相对于调节阀门而带来的节能效益曲线。 图2 4 不同负荷情况下的节能效果曲线图 曲线0 没有考虑调速装置本身的效率，也忽略调速后风机本身效率变化情况， 综合考虑这两个因素后，曲线。将略微下降。 2 。4 本章小结 1 电厂一次风机在电厂中发挥着极其重大的作用，是电厂最为重要的辅机之 一，其作用是通过驱动电机将机械能转化为流体( 空气) 的压能和动能，从而实现 为锅炉提供一次风，但电厂的一次风机在机组负荷率不高时普遍存在着需要节流调 节的现象，造成了电能的极大浪费，对电厂一次风机进行变频调速已是当前电厂节 能改造一个刻不容缓的问题。 2 电厂中所用的一次风机大多为离心式，主要由机壳、叶轮、叶片以及阀门 等所组成，风机的轴功率尸与风机的出口流量q 和出口压力日成正比；电厂的一 次风机是由电压等级为6 k v 的交流电机驱动的，对其调速节能的方式有改变管路特 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 性曲线和改变风机性能曲线两种，改变风机性能曲线已成为风机节能的主要方式， 其中应用最广的为变频调速；对一次风机的调速实际而言是为风机提供驱动力的交 流电机的调速。 3 变频调速是一种应用广泛的风机节能技术，但却具有较为严格的适用条件， 不可能简单地应用于火电厂任何流体输送系统，具体采取何种节能措施，应结合实 际情况区别对待。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章异步电动机调速 3 1 异步电动机调速概述 异步电机的调速性能不如直流电机，在过去曾限制了它在调速性能要求较高的 设备上的应用，但由于异步电机有结构简单，运行可靠，价格低廉等优点，随着晶 闸管技术等的发展，异步电机的调速性能也得到了很大的改善。目前交流电机的控 制策略主要有矢量变换控制原理、直接转矩控制原理等【7 1 。 从异步电机转速公式： 拧= ( 1 一j ) 玎l = ( 卜s ) 6 0 五p ( 3 - 1 ) 可见，可以从下列三个方面来对异步电机的转速进行调节： 1 改变电机定子绕组的极对数p 一变极调速； 2 改变电源的频率石一变频调速： 3 不改变同步速的调速方法： ( 1 ) 改变电源电压调速： ( 2 ) 转子串电阻调速； ( 3 ) 转子串附加电动势调速。 3 2 变极调速 在频率不变的条件下，异步电机的同步速与极对数成反比，所以，改变电机绕 组的极对数，就可以达到调速的目的。改变极对数的方法可以是在一套定子绕组中， 利用改变绕组的接法得到两种转速；也可通过在定子槽内嵌放两套不同极对数的独 立绕组，而每套绕组又可以有不同的接线，从而做成三速或四速电机。但后者会使 电机的体积增大，用料增多，成本增高。近年来，由于单绕组变速理论的发展，出 现了单绕组既可以倍极比调速，又可以非倍极比调速，不仅如此，还可以作到单绕 组三速甚至四速电机。 变极电机的转子均为笼型转子，因这种转子的极对数能自动地随着定子极对数 的改变而改变，使定、转子磁动势的极对数总相等，从而产生平均电磁转矩。若为 绕线转子异步机，则当定子绕组改变其极对数时，转子绕组也必须相应地改变其接 法，使其极对数与定子绕组的相等，这就显得非常复杂，因此一般不用。 交流电机变极调速的原理如下：设定子上第a 相有两组线圈，每组线圈用一个 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 集中线圈来代表。如果把定子绕组a 相的两组线圈a l x l 和a 2 x 2 顺向串联，则气 隙中形成四极磁场。若把绕组中的一半线圈a 2 x 2 反向串联或反向并联，使其中的 电流反向，气隙中将形成二极磁场。由此可见，欲使极对数改变一倍，只要改变定 子绕组的接线，使半相绕组中的电流反向流通就可达到目的。这种方法称为反向变 极法。 根据以上的变极原理，欲将四极转换为二极( 或者相反) ，只要将每相绕组的 半相绕组中电流反向流通。为达到这一点，可以通过适当的接线来实现。常用的接 线方法有y y y 及y y 两种。其中y y y 接法属以恒转矩调速方式，适用于恒转 矩负载下的调速；而y y 接法既非恒转矩调速方式，也非恒功率调速方式，但接 近于恒功率调速方式，适用于近似恒功率负载下的调速。 3 3变频调速 当改变电源频率 时，由于同步转速刀l 与频率z 之间存在下列关系： 刀l = 6 0 z p ( 3 2 ) 由式( 3 2 ) 可知，当频率改变时，异步电动机的转速”也会随着改变，所以改 变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。 异步电动机正常运行时，可以认为： u l 局= 4 4 4 ；w l 七州九 ( 3 - 3 ) 式中，m 一电机绕组匝数； 后。一基波绕组因数； 。一主磁通。 所以如果不变，则磁通九随频率z 的改变而改变，一般电机在设计中为了 充分利用铁心材料，都把磁通九的数值设计在磁化曲线的膝点，因此，如果频率从 额定值下降，则会引起磁通的增加，随之使激磁电流急剧上升，功率因数下降；反 之，若频率升高，则九会下降，电机允许的输出转矩降低，电机得不到充分利用。 所以在调频的同时还要调压，应使u 、z 成比例地改变，即： u i z = 4 4 4 七。l 丸= 常值 ( 3 - 4 ) 此外，我们还希望调频前、后电机能够具有同样的过载能力，由于： 后。= k 巧 ( 3 5 ) 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 k = m l p u l 2 ( 4 矾 ) = m l p u 2 【4 砺( 2 须厶) 】 ( 3 6 ) = 聊l p u 2 ( 8 万2 2 2 三t ) = 后( u 石) 2 式( 3 - 6 ) 中，以= 2 顽厶，厶为短路电感；七= m ，p ( 8 石2 厶) 为一常数，因此过 载能力： 后。= 瓦瞰巧= 七( u 。2 z 2 ) ( 1 瓦) ( 3 7 ) 若用加撇的符号表示变频后的量，则保持过载能力不变时，变频前、后各量关 系为： 七( u l 2 z 2 ) ( 1 巧) = 后( u 2 石2 ) ( 1 瓦) ( 3 8 ) 由此可得变频时若要过载能力不变，则电压、频率和额定转矩应保持如下关系： u 。u = ( 石i ) 丽 在恒转矩条件下调速时，瓦= 瓦，可得： u il u 。= f | l l 将式( 3 1 0 ) 进一步处理可得： u l 石_ u l 石= 常值 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 由此可知，恒转矩调速时，按式( 3 1 1 ) 条件调节频率和电压时，可同时满足 保持气隙磁通。和过载能力不变的要求 在恒功率调速时有： 式( 3 1 2 ) 中： 所以： i 一巧。q 1 - q l = 常值 q 。= ( 2 须力o c 石 q = ( 2 顽p ) z 瓦瓦= q l q 1 = 正z 将其代入式( 3 9 ) 可得： u ，u 。= ( z z ) 而= 而 1 6 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 故在恒功率调速时，定子电压与频率应满足如下关系： u l 石= u i = 常值 ( 3 1 5 ) 这时，磁通也将随转速改变而变化。如果把恒转矩调频调速规律( u 一= 常值) 用于恒功率调速时，磁通虽然可保持不变，但电机的过载能力将随转速改变而改变。 变频调速在调速范围、平滑性和调速前后电机的性能等方面都很好，但要有专 用的变频电源。随着晶闸管技术的发展，晶闸管变频装置的价格也越来越便宜，性 能也越来越好，变频调速被越来越广泛地采用。 3 4 不改变同步转速的调速方案 1 改变电源电压调速 图3 - 2 中曲线上是异步电机定子上加额定电压时的= o ) 曲线。当外加电压 u l 改变时，如果转差率不变，电机的电磁转矩将随矾的平方而变化。图3 1 中曲 线2 和3 分别是电机端电压为o 8 、0 6 巩时的- s 曲线。 隆隆 ( a )( b ) 图3 1改变电源电压调速 不同的矾时最大转矩随矾的平方下降，但临界转差率s m 不变。在恒转矩负载 情况下，降低定子电压时，转差率由j l 增大到s 2 ，转速下降。若电压降得过低，则 最大电磁转矩小于负载转矩，电机将停转。( 如图3 1 ( a ) 中曲线3 ) 。因此这种调 速方法对恒转矩负载来说，调速范围很窄，实用价值不大。如果是通风机负载，其 负载转矩随s 增大而下降，调速范围将会扩大( 如图3 1 ( b ) 所示) ，但要注意过电 流问题。 把定子绕组由联结改为y 联结以及用电抗器与定子绕组串联都可以实现变 压调速，不过这种方法一般只用于小容量电机。 2 转子串电阻调速 这种方法只适用于绕线转子异步电机，从图3 2 可知，转子回路串入电阻后， = 厂( j ) 曲线就会从不串电阻时的曲线1 变为曲线2 ，若为恒转矩负载，则转差率 从s l 变为s 2 ，转速从( 1 一s 。) 刀。降到( 1 一j ：) 啊。增加调速电阻，一s 曲线往右移，转 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 速下降。 图3 2转子回路串电阻调速 从图3 2 可见，在一定的调速电阻变化范围内，调速范围的大小随负载的大小 可变化，在空载下调速，则调速范围甚小( 图中c 点至d 点) ，实际上达不到调速 的目的。 此外，在恒转矩负载下调速时，实际上定、转子电流、输入功率、气隙磁场和 电磁功率都不会发生改变，即与转子回路串入电阻大小无关。但是，由于调速电阻 的增加，调速电阻上的损耗增加，使电机的效率降低，所以可以说，这种调速方法 很不经济。 3 转子附加电动势调速 转子附加电动势调速又称为串级调速。这种方法是在转子回路中串入一个三相 对称的附加电动势庄，其频率与转子电动势虏：。频率相同，如图3 - 3 所示。改变应厂 的大小和相位，就可以调节电动机的转速。这里应r 的相位改变是指应r 与岛，相位相 同或相反两种情况而言。 图3 3转子回路串电动势等效电路 由图3 4 可得转子电流为： ，：，：( e ：，千目) 厢：( s e ：千t ) 瓣 ( 3 1 6 ) 岛与应：，相位相反时取“，号，一致时取t + ，号。由此可知改变q 的大小，即可 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 调节转子回路的电动势或电流的大小，从而达到改变转矩和转速的目的。 图3 4 晶闸管串级调速系统 目前国内主要采用串入与最。相位相反的附加电动势。应用最广泛的调速系统 原理图如图3 4 所示。异步电机转子绕组接入一个整流器，把转子电动势岛。整成为 直流。与该整流器相接的是晶闸管逆变器，它可以把转子经整流器输出的功率通过 逆变器和变压器回馈给电网。改变晶闸管逆变器的触发脉冲控制角，就可以改变逆 变器两端电压，也就是改变了附加电动势e ，的大小，从而实现调速目的。该系统 称为晶闸管串级调速系统。 这种串入反相位电动势的调速系统，当e ，增加时，转速下降，当e ，= o 时，电 动机转速最高，显然它低于同步速，所以这种情况下调节e ，的大小，电动机的转 速只能在同步速以下变化。应用这种串附加电动势调速，转子吸收的功率，可以回 馈一部分给电网。 3 5 几种方案的比较总结 1 变极调速是通过在定子内嵌置几套绕组或改变绕组的连接来得到不同的极 数和转速。对于单绕组双速电动机，只要改变半相绕组中电流方向，即可改变极对 数，但这种调速方法无法实现平滑无极调速，只适用于不需要平滑调速的地方，而 电厂一次风机调速须根据需要进行平滑调节，故此种调速方式不适合电厂一次风机 调速。 2 绕线转子异步电动机转子回路串入电阻调速，使转子回路铜耗增大，因而 转差率增大，达到调速的目的，但这种方法效率太低，不符合节能原则，并不是一 种理想的调速方案。 3 变压调速对于恒转矩调速范围太窄，且过载能力下降，所以一般都不采用， 它只适用于小容量的通风机负载，不适合本文所研究的一次风机调速。 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 4 变频调速和附加电动势调速都可以实现平滑地调速，电机的效率也不会降 低，目前发展最为迅速的为变频调速，且与附加电动势调速相对比要较之附加电动 势调速多不少优点，在本文中，讨论对一次风机的变频调速。 3 6 本章小结 1 目前交流电机的控制策略主要有矢量变换控制原理有矢量变换控制原理、 直接转矩控制原理；根据交流电机的转速公式可得其调速方式共有变极调速、变频 调速、改变电源电压调速、转子串电阻调速以及转子串附加电动势调速五种，其中 后面三种属以不改变同步速的调速方法。 2 变极调速无法实现平滑无极调速，只适用于不需要平滑调速的地方：串电 阻调速其本质是使转子回路铜耗增大，这