发电厂锅炉引风机变频调速系统设计

1、目录引 言1第1章变频调速的节能原理21.1变频调速的原理21.2变频调速的节能原理2第2章变频器调速的优势4第3章机械特性曲线分析53.1基频以下变频调速53.2基频以上变频调速6第4章主接线的设计74.1变频器原理74.2变频器选型74.3选择依据：74.4该变频器的主要特点：84.5技术数据：84.6控制方式开环V/F 控制方式94.7主接线图及设计说明104.8高压变频器-工频的切换方式11第5章变频器的节能计算12结论13参考文献14引 言我国变频器应用始于20世纪80年代末，由于变频器的优越性能及节电效果，使用量不断增加，而且，每年以20%的递增量在发展。然而与国外发达国家相比，我

2、国变频器的应用仅为可使用量的15%20%。与发达国家的70%80%相比差距还是很大的。国民经济的发展，对电气自动化的要求越来越高，而节能降耗、降低成本也更迫切，因此变频器的市场前景是十分乐观的。交流电动机与直流电动机相比，具有以下优点：、结构简单、坚固、工作可靠、易于维护和保养。、不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境。、容易制造出高转速、高电压和大容量的电动机。所以实际应用广泛。但交流调速系统的研究开发方面一直未能得到能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀

3、门来调节风速和流量。这种做法增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。直至20世纪70年代，随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用也越来越广泛。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用。第1章 变频调速的节能原理1.1 变频调速的原理当电动机的极对数和转差率确定后，电动机转速与电源频率成正比。所以，改变电源频率即可改变转速，从而实现变频调速。1.2 变频调速的节能原理目前，风机（包括送、引风机，排粉风机等）调节流量的方式多采用节流阀

4、调节，可这种调节方式仅仅改变了通道的通流阻抗，而电动机的输出功率并没有多大的改变，所以浪费了大量能源；而采用了变频调速，既可以节省电，又减少了机械磨损，还可延长设备寿命。根据流体力学理论，风机的流量与转速成正比，即Q=(n/no)Qo 其中，Q，n分别表示流量和转速。风机的压力与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比，即P=(n/no)Po其中，Qo、no、Po分别为额定工况下的流量、转速、功率。由上式可知，转速减少时，电机的能耗以转速三次方的速率下降。由此可见，变频调速的节能效果非常显著。一般风机节电率按工况条件的不同效果可达30%或以上。随着电力行业改革的不断深化，厂网分离、竞价上网

5、政策逐步实施，降低厂用电率、降低发电成本、提高上网电价的竞争力已成为各火电厂努力追求的经济目标，并且要求越来越迫切，但是火电机组容量的不断增大，电厂锅炉风机的容量也在不断增大，如国产200MW机组，风机的总功率达7410Kw(其中，送风机二台2500kW，引风机二台3200kW，排粉风机总功率1440kW)，占机组容量的3%。因此，提高风机的运行效率对降低用电率具有重要的作用。实际中， 电厂锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离，采用调节门调节的风机，在两者偏离10%时，效率下降8%左右；偏离20%时，效率下降20%左右；偏离 30%时，下降30%

6、左右，对于采用调节门调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。如图1-1所示 风机效率(%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0变速调节风机效率 调节门调节风机效率 50 60 70 80 90 100 110 风流量(转速)(%)图1-1 不同调节方式下的风机效率可知，在风机的风量由100%下降到50%时，变频调速与风门调节方式相比，风机的效率平均高出30%以上。因而，从节能的观点看，变速调节方式为最佳调节方式。第2章 变频器调速的优势与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制

7、，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的启停运转，可以进行电气制动，可以对电动机高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数高，所以电源容量小，可以组成高性能控制系统等。变频器调速控制系统具有以下明显优势：、利用变频器实现交流电动机调速控制，可以很方便地实现调速。由于变频器可以看做是一个频率可以调节的交流电源，对于现有的进行恒转速的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应的设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无需对电动机本身进行大的设备改造。、利用变频器实现交流电动机调速控制，可很容易实

8、现电动机的正反转切换。利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用开关器件等切换装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序，即可以达到对输出进行切换相得目的，很容易实现电动机的正反转切换而不需要专门设置正反转切换装置。、利用变频器实现交流电动机调速控制，可减小电动机的启动电流。对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时，如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于启动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能进行换相操作。而在采用变频器的交流调速系统中，

9、由于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行减速，并在电动机减速至低速范围后再进行相序切换，进行相序切换时电动机的电流可以很小。同样，在电动机的加速过程中可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。因此，在利用变频器进行调速控制时更容易和其他设备一起构成自动控制系统。、利用变频器实现交流电动机调速控制，运行可靠，维护简单。同机械制动相比，电气制动有许多优点，例如体积小、维护简单、可靠性好等。、利用变频器实现交流电动机调速控制，可实现高转速、高电压大电流控制。高速驱动是变频器调速控制的最大优点。对于异步电动机来说，理论上将其转速可

10、以达到相当高的速度。因异步电动机的转速为n=60f（1-s）/p；式中 n电动机转速，r/min；f电源频率，Hz；p电动机磁极对数；s转差率。当用工频电源（50Hz）对异步电动机进行驱动时，二极电动机的最高速度只能达到3000r/min，为了得到更高转速，必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速，而目前高频变频器的速出频率已经可以达到3000kHz，所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可以达到r/min的告诉。而且随着变频器技术的发展，高频变频器的输出频率也在不断提高，因此进行更高速度的驱动也将成为可能。在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用

11、的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量和流量的控制，所以节能效果非常明显。中电联统计信息部数据显示，2005年全国火电发电量20180亿kWh，而电厂的风机、水泵等辅机年耗电量占厂用电的14%左右；在厂用电负荷中，可采用变频器调速技术的负荷占50%以上。如果节电率按30%，电价0.4元/（kWh）计，则年节约资金可达169.512亿元；如果电力弹性系数取0.901.00，GDP按年均增长7.5%考虑，需电量 年均增速为6.75%-7.50%，则2.10年全国火电发电量将达到26611亿kWh，年节约资金可达223.532亿元。第3章 机械特性

12、曲线分析通常把异步电动机定子的额定频率称为基频。变频调速时，可以从基频向下调节，也可以由基频向上调节。 3.1 基频以下变频调速1）、保持E/f等于常数当基频以下变频调速即要降速时，频率F变小，如果保持电压不变，则磁通将变大，相应的定子电流迅速增大，会引起电机过热。故要采用恒磁通变频。恒磁通变频调速的机械特性与他励直流电动机降低电源电压调速相似，机械特性较硬，在一定的静差率下，调速范围很宽且稳定性好。又由于频率可以连续调节，因此恒磁通变频调速为无级调速，平滑性好。此外电动机在正常运行时，转差率较小，因此转差功率较小，效率较高，如图2-1所示 如图2-1 恒E/w控制时变频调速的机械特性从图中可

13、以看出最大转矩及最大转矩处的转速降落均等于常数，与频率无关。2）、保持U/f 等于常数调节要保持磁通不变，必须使E/f等于常数，但绕组中的感应电动势是很难控制的，而定子外加电压和定子频率易控制，所以采用保持U/f 等于常数。U/f=常数降频调速时的机械特性，电动机的过载能力略有降低，特别是在低频低速运行时，还可能会拖不动负载。在f接近额定频率时，随着f 的下降，最大转矩下降不多；但当f较低时，随着f 的降低，最大转矩也随着减少。 如下图2-2所示 图2-2 保持U/f 等于常数调节3.2 基频以上变频调速保持U1=U恒定基频以上变频调速时的机械特性如下图所示。可见在不同频率下各条机械特性曲线近

14、似平行在基频以上，也就是增大转速，频率变大，如果这个时候再继续保持磁通不变的话，电压就会升高，会损坏电机，所以这个时候就是保持电压不变了，对应的磁通就成反比减小。如图2-3所示图2-3 基频向上调时变频调速机械特性从图中可知随着频率f 的下降，最大转矩在增加。综上所述，三相异步电动机变频调速具有以下特点：在基频以下调速时，应采用定子电动势或者定子电压与频率的配合控制。在基频以上调速时，须保持U1=Un不变，随着频率升高磁通下降，最大转矩将与频率的平方成反比减小。机械特性基本平行，调速范围宽，转速稳定性好。正常运行时转差率s小，转差功率损耗小，效率高。频率可以连续调节，能实现无级调速。第4章 主

15、接线的设计4.1 变频器原理 如图3-1 变频器的原理图1)、主电路-为电压型交-直-交电路。它由三相桥式整流器(即AC/DC模板)、滤波电路（电容器C）、制动电路（晶体管V及电阻R）、三相桥式逆变电路（IGBT模板）等组成。2)、驱动板-由IGBT的驱动电路、保护电路、开关电源等组成。3)、主控板-由CPU、故障信号检测、I/O光耦合电路、A/D和D/A转换、EPROM、16MHz晶振、通信电路等组成。4）、操作盘及显示-输入I/O操作信号，用LED（或LCD）来显示各种状态。5）、电流传感器-用以得到电流信号。4.2 变频器选型锅炉引风机配套电动机设备参数：型号 JsQ1586额定功率 7

16、00kW电压 6kV电流 83A功率因数 cos=0.87效率 =93.5 我所选用的变频器为佳灵JCS6K-710，额定容量：920KVA ;额定电压： 6kV ;， 额定电流： 89A ;4.3 选择依据：变频器的容量要考虑到电动机所需的实际功率。同时变频器的额定电流大于电动机的最高运行电流。 变频器容量KP/cos 变频器额定电流KI式中：P电动机轴功率，kW ； 电动机效率 ； cos电动机功率因素 K修正系数（PWM一般1.051.10）； I电动机电流，A；根据公式，我所选的变频器佳灵JCS6K-710，将数据代入之（取K值为1.06），得其额定容量为912 KVA而我选的变频器额

17、定容量为920KVA，符合要求;其额定电流为88A，而我选的变频额定电流为89A，亦符合要求，综上所述，我所选择的变频器符合要求，可以用之。4.4 该变频器的主要特点： 1）、 JCS6K变频器核心是DSC-直接转速控制直接速度控制（DSC）是交流传动中最佳的电动机控制方法。 2）、无与伦比的电动机速度和转矩控制在JCS中，静态速度控制精度通常为正常转速的0.1%至0.5%，能满足大多数工业领域的要求。3）、自动起动，最大限度的不间断运行由于DSC能在几个毫秒内检测出电动机的状态，在所有的条件下都能迅速起动。例如，采用DSC，就没有重新起动延时。4）、 最大化的起动转矩DSC所特有的精确的转矩

18、控制，使JCS6K具有既可控又平稳的最大的起动转矩。5）、 模块化的构造与设计保证了系统的高利用率每个功率单元都是相同的，并装在一个可抽出的机架上，便于抽出移动和修理。 6）、 高效率 JCS6K变频器系统效率达到98%以上。 4.5 技术数据：型号 JCS6k 输出额定容量(kVA)920kVA额定电流（A）89A过载能力100%Ie连续；120%Ie每十分钟一个间隔，150Ie立即保护（JCS型）输出电压/频率三相6kV，0.5120Hz相数/电压/频率三相6kV，50/60Hz允许波动电压：+10%-15% 频率：5%输 出频率基本频率0.560Hz可变设定启动频率0.550Hz可变设定

19、精 度模拟设定：最高频率设定值0.3%（2510）以下数字设定：最高频率设定值0.01%（-1050）分辨率模拟设定：最高频率设定值二千分之一数字设定：0.01Hz（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz以上）核心技术IGBT直接串联、输出正弦波技术、直接速度控制控制转矩提升根据负载转矩自动调整到最佳值起动转矩120%以上加减速时间0.53600s（加、减速时间可单独设定）控制电压输入AC380V/50Hz（或DC220V）保护功能过流，过压，欠压，短路，过热，接地，输入电源断相，输出断相，电机过载，外部报警，电涌保护，主器件自保护操作及显示液晶触摸屏外壳防护等级IP20冷却方式强制风冷

20、4.6 控制方式开环V/F 控制方式1)、当外加电源的频率低于电动机的额定频率时，即基频以下, 在变频调速时，如果只降低定子频率f1，而定子每相电压保持不变，则m要增大。由于在U1=Un、f1=fn时电动机的主磁路就已接近饱和，m再增大，主磁路必然过饱和，这就使励磁电流急剧增大，铁损耗增加，cos下降，若在降低f1时，使U1也随之降低，则可保持m不变，从而避免过饱和现象发生。因此，在基频以下变频调速时，定子电压必须与频率配合控制。2）、当外加电源的频率超过电动机的额定频率时，即基频以上，电压不能上升，保持气隙磁通近似恒定，电压恒定而频率增加时，将迫使磁通与频率成反比例减少，为恒功率调速，弱磁升

21、速。如下图3-2所示图3-2低频转矩提升：为了弥补电机起动和低速时的转矩不足，可根据需要加入转矩提升电压，改变变频器的输出V/F 曲线，从而实现电机的输出转矩提升；4.7 主接线图及设计说明原系统方案原系统6kV高压开关柜至电机，电机与风机直接连接，通过风门挡板的开度来调节风量。变频改造后系统方案 系统改造后要求实现变频运行到工频旁路运行以及工频旁路运行到变频运行的自动切换，按一拖一的方式配置，即一台高压变频调速系统拖动一负载电动机与变频器的主电路系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高

22、压变频输出，直接供给高压电动机。如下图3-2所示：图3-2 IGBT直接串联高压变频器功率器件IGBT直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。4.8 高压变频器-工频的切换方式图3-3 高压变频器-工频的切换方式上图高频变压器-工频的切换说明：1）、刀闸QS1、QS2、QS3、QS4，只是在检修时手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全。在工频或变频运行状况下均处于闭合状态。2）、工频旁路接触器KM3与变频进线接触器KM1、变频出线接触器KM2具备电气闭锁功

23、能，不能同时闭合。 3）、KM1、KM2同时合上处于变频运行，这时KM3断开。4）、KM3合上处于工频运行，这时KM1、KM2断开。加装变频器旁路开关，当变频装置故障或检修时可由旁路开关将6kV电动机直接切换到6kV厂用母线，可使电动机恢复到原有的控制方式，不影响整个机组的运行。或者运用工频电源到变频器的切换功能和变频器到工频电源的切换功能，使之在高风量区(需要全转速运行时)切换到工频电源，在低风量区切换至变频器控制，这样可以获得更好的节能效果。第5章 变频器的节能计算已知：电动机的效率：=93.5变频器的效率： 98%电动机额定功率：700KW100负荷：年运行小时数为1000h；90负荷：

24、年运行小时数为2000h；70和80负荷：年运行小时数均为500h；60负荷：年运行小时数为3000计算：当风机工作于100%风量时，直接切换至工频运行，不做变频节能计算。假设P100 为100%风量的功耗，P90 为90%风量的功耗，P70为70%风量的功耗，P80为80%风量的功耗，P60为60%风量的功耗。（将100%风量时的电动机负载率定为90%）引风机入口风门控制时的电功率为：P90=7000.90.85/93.5%=573kWP80=70009073/935%=492kWP70=70009067/935%=451kWP60=70009063/935%=424kW变频器控制时的电功率为：P90=7000.90.93/93.5%/0.98=501kWP80=70009083/93.5%/0.98=352kWP70=70009073/93.5%/0.98=236kWP60=70009063/93.5%/0.98=149kW引风机和变频器下电动机输入功率根据“不同调节方式下电动机输入功率特性曲线”得出。节省电能：（573-501）2000+（492-352）500+（451-236）500+（424-149）3000=kWh结论鉴于发电厂辅机电动机调速节能的巨大经济潜力和面对厂