变频器调速技术与应用 项目8 变频器在热电厂给水泵上的应用- 电子教案

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节8.1高压变频器整体结构与核心原理课次/周授课方法讲授+图纸分析+原理推导+对比讲解教具PPT、高压变频器柜体示意图、功率单元原理图、整流波形图教学内容1.电网电压等级划分、高低压变频器界定；2.高压变频器四大柜体组成及功能；3.移相变压器结构、移相原理与谐波抑制；4.功率单元整流、逆变、旁路工作原理；5.功率单元串联方式与完美无谐波特性。教学目标知识目标：掌握电压分级标准，熟记高压变频器柜体构成，理解移相降谐波、功率单元工作逻辑。能力目标：能区分不同脉波整流的谐波差异，看懂功率单元电路与串联拓扑。重点、难点重点：高压变频器柜体功能移相变压器降谐波原理功率单元工作过程；难点：绕组移相逻辑、功率单元旁路保护机制、多单元串联升压原理。复习提问1.低压变频器基本电能变换过程是什么？2.变频器运行中高次谐波会带来哪些危害？作业1.简述我国配电电压等级，说明高低压变频器划分标准。2.分析6脉波、12脉波、30脉波整流的谐波含量变化规律。授课时长2学时课后小结高压变频器基础理论与核心结构。按电压划分高、中、低压变频器，10kV级高压变频设备。整机分为高压进线柜、移相变压器柜、功率单元柜、控制柜四大模块；依靠移相变压器+多脉波整流技术抑制谐波，搭配串联式功率单元实现高压输出，整机属于完美无谐波变频器，电磁兼容性优异。功率单元具备正常逆变和故障旁路双重模式，保障设备连续运行。

教案附页注释【知识学习】一、课堂导入热电厂、大型工矿企业存在大量5000kW级高压水泵、风机，普通380V低压变频器无法适配高压大功率电机，高压变频器成为主流解决方案。本节课从电网电压分级入手，逐步讲解高压变频器柜体结构、移相技术、功率单元核心原理，为后续设备应用打下理论基础。二、知识学习8.1.1高压变频器概述1.我国交流电压的划分我国电网供电分为发电、输电和配电，发电机直接发出的电压较低，为6.3kV~10.5kV。为了并入国家电网远距离输送，就要进行升压，电压越高电损耗越小。近距离输电电压为35kV、110kV；跨省输电为220kV、330kV。到用电地电压要降为35kV或10kV，称为变配电电压。用户电压一般为10kV以下。将10kV电压进行降压及进行分配，称为配电。（1）配电电压的划分①配电标准电压范围为：0.22kV，0.38kV，3kV，6kV，10kV，该配电电压为民用和一般应用。②配电扩展标准电压范围为：0.22kV，0.38kV，0.660kV，1.140kV，3.3kV，6kV，10kV。该电压为企业、厂矿等生产设备常用电压。（2）低压和高压的划分在配电线路中，1kV以下为低压，1kV到10kV以下为中压，10kV以上为高压。对变频器而言，工作在1200V以下的都称为低压变频器；工作在3~6kW称为中压变频器；工作在10kV称为高压变频器。3~10kV的变频器在结构和原理上区别不大，也模糊称为高压变频器。2.高压变频器结构高压变频器由于工作电压高、输出功率大，其体积和结构与低压变频器不同。图8-1是高压变频器外形图，是由多组控制柜组成，根据功能不同控制柜可分为4组。（1）高压进线柜因为高压进线需要高压断路器控制，还有避雷等保护装置，需要安装在独立的开关柜中，人不能触及，柜门不能随意打开。（2）移相变压器柜移相变压器是为功率单元提供“移相”电压的电源。移相变压器具有多个输出绕组，根据变频器的“功率单元”来确定。移相变压器工作中会产生大量的热，柜顶的冷却风机将热量抽走。图8-1高压变频器外形图（3）功率单元功率单元是集三相整流和单向交流逆变为一体的功率部件，是变频器的核心部件之一。功率单元工作中会产生大量的热，柜顶的冷却风机将热量抽走。（4）控制柜是变频器的控制核心，包括功率单元的控制信号，移相变频器的保护信号，对变频器的控制指令信号等都是来自控制柜内的控制器。同时各个功率部件的电流检测信号、电压检测信号、温度检测信号都由控制柜内的控制器处理，显示或报警。由于控制柜距离被控部件距离较远，控制电缆会受到电磁干扰，影响变频器正常工作。所以控制电缆改为“光纤”，光纤需要将电信号转换为“光信号”，因此控制柜中又多了一块光电转换板。3.变频器功能框图图8-2是高压变频器功能框图，图中“输入电源”是高压移相变压器的一次绕组，星形连接。在相线绕组中安装2个“电流互感器”，作为输入电流检测，用于监视变压器工作中是否过载。“移相变压器”的输出端有27组三相“移相绕组”，每组移相绕组对应1组“功率单元”，每9个“功率单元”串联为1相，将三相串联“功率单元”连接到“10kV电动机”的三相绕组上。“每相”串联9个功率单元是按变频器输出线电压为10kV设计，每个功率单元输出电压为640V。640V属于低压变频器的电压工作范围，也就是高压变频器采用的是低压变频器的IGBT器件。根据“功率单元”工作电压可达640V，如果需要变频器输出线电压为6kV，可以采用“每相”串联5个功率单元；需要变频器输出线电压为3kV，可以“每相”串联3个功率单元。图中“输出电流检测”和“输出电压检测”是检测的“相电流”和“线电压”，用于“功率单元”的工作监控。图中“主控制板”是CPU，是变频器的控制核心。“变频器所有的控制信号都要通过“主控制板”进行处理。由图中可见，“功率单元”为“双箭头”指向，意为由“主控制板”对“功率单元”进行控制；“功率单元”又将工作状态向“主控板”汇报。“主控制板”的外围电路除了检测信号是单向箭头指向“主控板”，其它外围电路都是双向箭头，和“主控制板”进行数据交换。凡是双向箭头指向的“框图”，也都含有CPU，否则不能进行数据交换。图8-2变频器控制框图8.1.2“移相”变压器工作原理1.电磁干扰的消除变频器整流电路会产生大量的高次谐波，低压变频器三相整流电路，整流电流每个周期有6个小波峰，称为“6脉波整流”，产生的谐波含量为总电流的43%。如果采用每个周期有12个小波峰的“12脉波整流”，则谐波含量为总电流的15%。可见增加每个周期整流电流的“波峰数”，就可以降低谐波的含量。高压变频器每相电压是由多个功率单元串联得到的，每个功率单元又都是变压器上的独立绕线供电，如果将多绕组变压器上的每组绕组的相位岔开，就可以得到多“脉波整流”。表8-1是“整流脉波”和谐波的关系。2.变压器“移相”原理我们知道，三相交流电星形（）连接和三角形（△）连接，电流在相位上相差30°，星形连接超前三角形连接30°，由此，可以通过“绕组的延边”，来控制电压“移相”。图8-3是变频器控制框图，图中变压器是延边结构，图中“△”是三相绕组“△”型连接，没有“延边”移相；图中“”是有延边，为“-”移相；图中“”为有延边，为“+”移相。通过“正移相”和“负移相”，可得到60°的移相范围。图中，每个功率单元的控制信号是由光纤传递，解决了高压变频器控制信号的电磁干扰问题。图8-3变频器控制信号图下面分析移相原理。图8-4是延边移相原理图，图（a）是没有移相角的相量图，电路作三角形连接，即移相角为0°。（a）（b）（c）图8-4延边移相原理图（a）0移相（b）+移相（c）-移相图（b）是“+移相角”相量图，是以三相绕组连接为基础，在三角形的角上再绕制“延边”绕组。延边绕组的匝数根据移相角度的大小来选择。图中三个电压相量为“延边”相量，即以U、V、W相“”连接绕组为延边绕组，构成的电压相量超前原三角形相量φ角，改变值的大小，可以控制超前角度的大小。图（c）是“-移相角”相量图，图中、、三个电压相量为“延边”相量，得到“-移相角”电压。延边绕组的绕制方向决定“+”移相或“-”移相，假如正移相是“顺时针”绕制，则“-”移相就反时针绕制。移相度数不同，延边绕组的匝数不同，三角形连接的三相绕组的匝数也不同。移相只是保证多个三相绕组的相位不同，但必须保证电压的有效值是相同的，因此，制造移相变压器是一项很麻烦的工作。图8-5是移相变压器实体图。图8-5移相变压器实体图8.1.3功率单元工作原理1.整流电路工作原理图8-6功率单元原理图图8-6是功率单元原理图，由图中可见，三相整流滤波电路和低压变频器整流电路相同，就是通过VD1~VD6整流，将三相交流电整流为直流电，再通过滤波电路将小波峰滤除。图8-7是整流滤波波形图，由图（a）中可见，三相全波整流电压为线电压的最大值，即有效值的。假如线电压有效值为460V，则整流后的电压为460×1.414=650V。图（b）是电容滤波，当小波峰上升，电容充电，当小波峰下降，电容放电，通过电容充放电将波谷拉平，得到平滑的直流电。（a）（b）图8-7整流与滤波（a）整流波形（b）滤波波形2.逆变与旁路电路工作原理（1）逆变电路图8-6中的VT1~VT4组成逆变电路，在驱动信号的作用下处于开关状态。用图8-8的等效电路来加以说明。在图（a）中，L1连接上一级功率单元；L2连接下一级功率单元。当VT1、VT4闭合，在U+电压作用下，电流i1+流出L1，进入上一级功率单元；i1-电流由L2流进，通过VT4流进U-。当VT3、VT2闭合，在U+电压作用下,电流i2+流入L2，进入下一级功率单元；i2-电流由L1流进，通过VT2流进U-。由上述分析可见：VT1、VT4同时动作；VT2、VT3同时动作，控制电流流出或流进，得到交流电。VT1~VT4通过“PWM”脉宽控制，可得到正弦交流电。（a）（b）图8-8逆变与旁路电路（a）逆变（b）旁路（2）旁路原理图8-8（b）是旁路原理图，正常情况下晶闸管T处于关断状态，VD11~VD14不导通。当功率单元出现故障，变频器CPU发出切断信号，晶闸管T导通，VD11~VD14导通，功率单元被旁路。3.功率单元输出电压（1）功率单元连接图8-9是功率单元在三相功率电路中串联连接图。共采用了15个功率单元，“每相”由5个功率单元串联组成，5个功率单元分别连接在不同移相角度的三相绕组上，目的是消除电网出现的高次谐波。功率单元串联时，L1、L2端口按图示连接，即L2端子连接“0V”或低压端，L1端子连接上一级的高压端。通过电压串联，得到高输出电压值。图8-9功率单元连接图（2）输出电压变频器的“每相”输出电压是由5个功率单元串联叠加得到的，图8-10是变频器输出相电压波形图，由图中可见：变频器的输出电压波形是由5个电压相叠加，叠加波形在周边是“PWM”波，在中心部分是连续电流，也就是变频器的输出波形中高次谐波含量要比低压变频器低很多，总谐波低于5%。由此可见，变频器的输入、输出谐波含量都很低，在工作中不用再串联电抗器或电磁滤波器。人们将该变频器称为“完美无谐波变频器”。图8-10变频器输出电压波形（3）功率单元实体图图10-11是功率单元实体图，功率器件安装在一个铁制外壳内。除了整流和逆变电路之外，还有驱动板和单元控制板，驱动板是驱动VT1~VT4逆变模块的；单元控制板是控制旁路单元、信号检测等。驱动板和单元控制板的控制信号是由“主控板”通过“光纤”传递，因为光纤传递的是“光信号”，不受电磁干扰。图8-11功率单元实体图三、课堂互动1.思考：高压变频器为何全部使用光纤传输控制信号？2.提问：单个功率单元损坏后，设备为何不会停机？四、能力培养1.准确划分电压等级，熟记四大柜体功能；2.结合波形图理解移相降谐波的作用；3.看懂功率单元整流、逆变、旁路电路工作逻辑。五、课堂总结移相技术+多功率单元串联是高压变频器的核心设计思路，既实现高压输出，又解决谐波污染问题。功率单元模块化设计、旁路保护功能，大幅提升设备可靠性，以上理论是后续系统应用的基础。

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节8.1.4-5、8.2.1热电厂生产流程课次/周授课方法讲授+电路识图+结构拆解+案例分析教具PPT、主控板/光纤板/通信板实物图、变频器端子图、高压水泵结构图教学内容1.主控板、光纤板、通信板、信号调整板功能；2.光纤信号收发原理与应用；3.高压变频器数字量、模拟量端子分类与功能；4.热电厂整体工艺流程；5.多级高压给水泵结构、轴向力平衡、防漏水结构。教学目标知识目标：掌握高压变频器内部控制板功能、外接端子定义；熟知热电厂发电流程，理解高压水泵机械结构与防护设计。能力目标：能识读端子接线图，分析水泵轴向力与气蚀问题。重点、难点重点：四大电路板功能、端子用途、热电厂流程、高压水泵结构；难点：光电转换原理、水泵轴向力平衡、气蚀产生原因与防护。复习提问1.完美无谐波变频器依靠什么技术实现低谐波？2.功率单元旁路电路的作用是什么？作业1.简述主控板、光纤板、信号调整板各自功能。2.区分高压变频器数字量、模拟端子的信号类型与用途。3.说明高压给水泵轴向力平衡的两种方式。授课时长2学时课后小结本节课讲解高压变频器内部控制系统、外接端子，以及热电厂工艺与高压给水泵机械结构。内部四大电路板分工协作，光纤实现抗干扰信号传输；外接端子分为数字量、模拟量两大类，满足启停、保护、PID反馈等功能。热电厂以燃煤产汽驱动汽轮发电机，给水泵是核心辅机；多级高压水泵通过平衡盘、对称叶轮消除轴向力，专用水封结构防止高压泄漏，同时配套除氧器规避气蚀故障。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入高压变频器除功率变换部分，完整的控制系统、接线端子是实现自动化运行的关键。同时想要完成设备调试，必须了解热电厂生产工艺、高压给水泵的机械特性。本节课依次讲解内部控制板、外接端子、热力流程与水泵结构。二、知识学习8.1.4“主控制板”功能分析图8-12是主控制板结构框图，由图中可见，主控制板就是由CPU组成的控制核心，即智能控制器。在主控制板外围还有三块控制板向CPU控制器传递数据。“光纤板”主要是通过光纤向功率单元传递控制信号；“通信板”又称通信接口，是将通信数据按照通信协议的格式进行编排，参与通信的设备是按指令发送或接收。“信号调整板”是处理输入信号和输出信号的，主要功能是将输入的“模拟”信号转换为“数字”信号，或将输出的“数字”信号转换为模拟信号输出。图8-12主控制板结构框图1.CPU板（1）CPU板结构CPU板见图8-13所示。CPU是变频器的控制核心。主要由处理器、程序存储器、参数存储器、现场可编程门阵列以及信息传递接口组成。（2）CPU板的功能①通过串行口或接口板，接收和处理来自工控机及PLC的控制命令，同时向外发送自身的状态信息。②CPU产生功率单元的PWM驱动信号。③采集和处理所有功率单元反馈回来的故障信息，通知人机界面进行故障记录，通知PLC实施系统的报警和保护。图8-13CPU控制板2.光纤板光纤板如图8-14所示，图中上端为连接CPU板的接口插排，下端为传递光信号的光纤接口，图中C1~C8是光纤信号处理芯片。光纤板将CPU对功率单元的PWM驱动信号、对电源电压电流的检测信号，通过光纤板处理后，实施对功率单元的控制。图8-14光纤板实体图（1）光纤信号发射与接收图8-15（a）是光缆实体图，光纤是由玻璃加工成的细丝，外加保护层，和一根硬钢丝封装在一起，防止折断。当一端受到光照射，另一端得到光信号。图（b）是光纤输入接口，输入的是电流信号，加在“VT”三级管的基极b和集电极c之间，发射极e为射极输出器，具有跟随特性。输入电流上升，流过“发光二级管”的电流上升，发光量上升；输入电流下降，流过“发光二级管”的电流下降，发光量下降，即将电流脉冲信号转换为光脉冲信号。当光信号照射到光纤接口，光信号由光纤传递到光纤另一端，另一端连接光纤接收口。图（c）是接收口，当光脉冲通过光纤传到“接收端”，接收头为“光电二极管”，光电二极管为感光器件，光照强度和输出电流成正比，即将光脉冲还原为电脉冲。光纤传输最大的优点就是传输中没有电磁干扰。（a）（b）（c）图8-15光纤传输原理（a）光纤实体图（b）发射端（c）接收端（2）光纤应用变频器的“控制柜”距离“功率单元”较远，如果直接采用电缆传递信号，电磁干扰很难克服，采用光纤传递不存在电磁干扰问题。现在所有高压变频器“功率单元”均用光缆传递控制信号。3.通信板通信板是处理“通信信号”的电路板。图8-16（a）是通信板实体图，图中“接线排插口”通过插线排连接到CPU的“接线插排”，和CPU进行数据传递。传递的数据经过“通信板”进行“格式”转换，转换为“通信格式”，再由通信接口和PLC以及智能系统进行“通信”控制。在通信板上的“下面”集中了多个RS232和RS485通信接口，实施通信控制。图（b）是带接口的通信电缆。（a）（b）图8-16通信板实体图（a）通信板（b）通信电缆4.信号调整板图10-17是信号调整板实体图，图中有2排端子插排。左边连接CPU，右边连接输出接口。信号调整板的功能就是“数/模”和“模/数”转换。CPU是数字电路，模拟信号不辨认，必须通过“模/数”转换电路转换为数字信号，才能上传到CPU进行处理；CPU下传到信号调整板的是数字信号，当需要模拟信号，要通过“数/模”转换电路转换为模拟信号，才能进行现场控制。 变频器的现场控制信号有数字信号和模拟信号，数字信号不用转换。例如变频器开关控制端子、继电器输出控制端子，CPU给出的就是数字信号，就不用转换；模拟调速端子和模拟输出指示端子，就需要转换，模拟调速端子需要“模/数”；模拟输出指示端子需要“数/模”。图8-17信号调整板8.1.5变频器外接端子外接端子是变频器应用时的控制和指示端子，端子数量的多少是根据变频器的功能和控制需要设置的。外接端子分4种：数字量输入端子和数字量输出端子；模拟量输入控制端子和模拟量输出指示端子。图8-18是森兰SBH系列高压变频器外端子连接图。1.数字量输入控制端子（1）强电控制柜控制端子高压变频器通断电要按照高压控制流程进行控制，高压变频器都有专用高压配电柜，柜内高压开关人不能直接接触，通过控制柜的指令端子或人机界面发送控制信号。图8-18中是由人机界面发出控制指令，由变频器的“允许高压进线开关合闸”执行进线开关的通断。在通电前如果柜门没有关闭、变压器过热没有消除等报警，人机界面就不能通电。（2）数字控制端子X1~X5是多功能控制端子，X6为PF1脉冲输入端子和FWD、REV正反转控制端子。多功能端子可用于多段速切换、升降速控制、点动等功能。2.模拟量输入控制端子分为模拟电流和模拟电压输入控制端子，AI1I、AI2I、AI3I为模拟电流端子，电流信号为4~20mA；AI1U、AI2U、AI3U为模拟电压端子，电压信号为0~10V。该模拟端子可输入模拟控制指令信号或反馈模拟信号。3.数字量输出指示端子有3个继电器输出指示端子，分别为1T、2T、3T。这3个数字输出端子为多功能，如运行中、故障报警、抱闸使能等几十项功能。4.模拟量输出指示端子分为3个电流输出和3个电压输出，AO1I、AO2I、AO3I为电流输出，输出电流为0~20mA；AO1U、AO2U、AO3U为电压输出，输出电压为0~10V。图8-18变频器外接端口8.1.6总结1.高压变频器用途高压变频器广泛应用于各个行业的大功率设备上，如发电厂、钢铁厂、水泥厂、煤矿、码头以及重型加工厂等。多用于水泵、风机、压缩机、轧钢机等大功率设备。2.高压变频器的特点高压变频器具有起动平稳、调速范围广、精准控制、扩展性强、节能环保等特点。高压变频器是智能控制的“结晶”，将控制器、PLC、HMI集于一体，工作时变频器安装在控制室，电动机和被控制设备安装在车间，变频器无人值守。3.高压变频器选用高压变频器是根据工程需要进行选用。380V交流电动机最大功率为315kW，690V交流电动机最大功率为450kW。超过1000kW的电动机一般为高压电动机。在工程上很多场合应用高压电动机，就得配备高压变频器。高压变频器在使用方法上和低压变频器区别不大。8.2.1热电厂生产流程1.热电厂发电我国热电厂发电过程为：以煤为燃料，通过锅炉产生高压蒸汽，由高压蒸汽驱动汽轮机、汽轮机带动发电机进行发电。2.热电厂生产流程图（1）蒸汽发电图8-19是燃煤热电厂工作流程图。由图的左边锅炉燃烧部分开始分析。先将燃料煤磨成煤粉，才能投入到锅炉燃烧。煤粉由鼓风机吹入炉膛进行燃烧，炉膛温度控制在1000~1300°C之间。为了充分利用炉膛温度，在炉膛的四周安装“水冷壁”，水冷壁是由成排的水管组成，水冷壁中的水是由“给水泵”提供，“给水泵”将水压入“水冷壁”进行预热，预热后进入“汽包”。进入汽包的水已经气化为过饱和蒸汽，由“汽包”进入“过热器”，通过“过热器”再次加温，温度达到540°C，压力达到16.7MPa，称为“过热蒸汽”。过热蒸汽进入汽轮机，气体膨胀做功，驱动汽轮机转动，带动发电机发电。“过热蒸汽”的温度和压力是需要控制的物理量，关系到汽轮机发电的稳定性。一般由“给水泵”进行控制。（2）余热处理炉膛的热量大部分被“水冷壁”和“过热器”吸收，还有一部分余热需要排放，在排放的“烟道”中安装有“给水预热器”和“空气预热器”；“给水预热器”就是“给水泵”的预热水管，“空气预热器”就是“鼓风机”的预热风管，通过“预热管”将烟道中的余热吸收并再利用。为了使“烟道”中的余热流动回收，在烟道中安装“引风机”，通过引风机的吸力使烟道中的气体流动，余热被回收，烟雾通过烟囱排出。（3）回水处理进入汽轮机的蒸汽做完功之后，尾气进入“冷凝器”，进入“冷凝器”的气体没有了动能，但是温度较高，通过“冷却塔”冷却，变为液化水。该液化水经过“凝结水泵”泵入“除氧器”，将“氧气”除掉后，由“给水泵”为“水冷壁”加水，蒸汽用水为循环应用。图8-19燃煤热电厂工作流程图3.给水泵工作分析（1）压力分析由图8-19中可见，“冷凝器”中的水通过“凝结水泵”泵升到“除氧器”，“凝结水泵”扬程（H）为320m；给水泵又将“除氧器”中的水泵升到16.7MPa（扬程为1670m），为“汽轮机”供气。给水泵实际泵升压力为：1670m-320m=1358m。（2）流量分析给水泵的功率、流量和发电机的容量相对应，假如100MW的发电机组，配备水泵功率为1600kW、流量为220m3/h，水泵为高压水泵。（3）水泵是发电厂自耗电最大的设备因为水泵要把水压升到汽轮机做功时的压力，因此水泵的功率非常大，100MW的发电机组需要1.6MW的供水水泵，占总发电量的1.6%。整个发电厂自耗电不能超过4%，这里面包括给煤机、粉煤机、各种风机和各种泵类。给水泵就占了自耗电的40%，占比非常高。其节能空间也要大于其它设备。8.2.2多级高压离心水泵高压离心水泵和普通离心水泵都是通过离心力完成泵水工作，普通离心水泵是以出水流量Q为目的；而高压离心水泵是以输出高扬程H的水为目的。普通离心水泵的扬程为几十m到上百米m，而高压离心水泵的扬程达几km。高压离心水泵的制造技术远高于普通离心水泵，防漏部件精度不到位，难以达到要求的扬程（压力）。1.结构原理1级叶轮的离心水泵输出的压力是有限的，通过叶轮串联，可以得到更高的压力。多级叶轮串联得到的总压力为各级叶轮压力之和。图8-20是发电厂用的多级高压水泵。下面分析其结构原理。图8-20多级高压水泵图1.—联轴器；2.—泵轴；3.—前轴承体；4.—吸入段；5.—泵进口；6.—穿杠；7.—中段；8.—“平衡管”；9.—压出段；10.—泵出口；11.—后轴承体（1）泵轴组件①锁紧螺母。是防止轴上的“套件”轴向窜动，进行锁紧。②平衡盘。是平衡轴上的轴向力。叶轮在吸水口产生吸力，造成泵轴出现轴向力。为了平衡轴向力，将产生吸力端的高压水通过“平衡管”引到平衡盘，通过平衡盘平衡转轴两端的轴向力。③叶轮。在泵轴的高速旋转下，叶轮对水产生离心力，形成高压水。水在叶轮组中串联增压，形成超高压水。图8-21水泵轴组件1.—锁紧螺母；2.—泵轴；3.—轴承挡套；4.—密封填料轴套；5.—“平衡盘”；6.—叶轮（2）“中段”结构中段就是分级单元（见图8-22），由叶轮、隔板、密封环和“导叶”组成。“导叶”相当于单级泵的蜗壳；隔板是中段和中段之间的隔离。隔板上的“密封环”是和泵轴之间进行密封的。工作时隔板和导叶均不动，泵轴在隔板的“孔”中转动，“密封环”和转轴之间即不能接触，又要防止高压水泄漏，可见密封环的加工精度是很高的。图8-22中段示意图1—隔板；2—密封环（口环）；3—“导叶”；4—叶轮2.轴向力的消除与防漏水封（1）消除轴向力多级高压离心水泵工作时会产生巨大的轴向力，是轴承不能承受的。消除轴向力“有平衡盘法”和“对称布置叶轮法”。本例是“平衡盘法”，就是将高压端的水通过平衡管引到低压端，低压端有受压面较大的“平衡盘”，通过平衡盘达到转轴两端的轴向压力平衡。图8-23叶轮对称布置（2）防漏水封水泵轴两端泵壳中是“高压回水腔”和“高压出水腔”，其水压为20MPa以上，巨大的水压必然会使水在泵轴和外壳的缝隙中喷发。防漏是必须的也是一个科学问题。图10-24是水封外形图，图（a）是水封的主视图和左视图，水封是弧形结构，又称“水封瓦”，两片“水封瓦”对接是正圆形，正好抱住泵轴。“水封瓦”和泵轴之间有0.01mm的间隙，间隙太小，会产生抱轴，间隙太大，泄漏加强。高压水泄漏是水的动能释放的过程，为了减少泄漏，必须消耗水的动能。消耗的方法就是在水封瓦上加工出“齿槽”，改变水的泄漏路径，使水在泄漏中处于“碰撞”状态，水的动能逐渐被消耗，压力也就消失了，泄漏也就停止。（a）（b）图8-24“锯齿形”水封（a）水封视图（b）泵轴与水封3.离心水泵总结（1）低压离心水泵离心泵是一种用于输送液体的设备，工作中没有污染，结构简单，运行噪音低，效率高，可以长期稳定运行。离心泵可以输送清水、带有颗粒的液体以及含有短纤维的流体物料。离心泵可以用于民用清水、水处理工业、石油、化工、电力、冶金、制药、食品、纺织等凡是需要用水的行业。（2）高压离心水泵高压离心泵通过叶轮串联，可以得到很高的输出水压，广泛应用于发电厂、化工厂、矿山、钢铁、建筑、消防等领域。离心泵优点是：叶轮工作时不用润滑，不会造成二次污染，这对于自来水厂、制药厂以及需要清水的企业尤其重要。结构简单，制造方便，经久耐用。离心泵的效率高，在80%以上，是泵类中最高的。在没有特殊要求均选择离心泵。离心泵的缺点是：密封性较差，容易造成泄漏，水泵轴承受轴向力，容易损坏轴承。在输送腐蚀性液体、高温液体、易燃易爆液体要进行特殊处理。三、课堂互动1.思考：PID闭环控制需要使用哪一类端子？2.提问：水泵气蚀会造成什么后果？如何预防？四、能力培养1.区分各类端子的信号形式与使用场景；2.梳理热电厂水汽循环完整流程；3.理解高压水泵轴向力、泄漏、气蚀三大问题的解决方案。五、课堂总结内部控制板、外接端子构成高压变频器的“神经”，水泵的机械结构决定负载特性。二者结合，才能完成后续变频改造、接线与调试工作。

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节任务实施：改造方案、调试、维护与项目总结课次/周授课方法案例研讨+实操讲解+参数解读+效益分析教具PPT、主回路接线图、参数表、HMI界面截图教学内容1.电厂原有调速方式弊端与变频改造必要性；2.两套给水泵改造方案对比与选型；3.变频器主回路“一拖一”限流接线原理；4.端子配置、PID参数与整机参数设置；5.HMI人机界面操作、分级权限与故障查询；6.设备经济效益、日常运维与项目总结。教学目标知识目标：掌握变频改造方案、电气接线、全套参数含义，熟悉HMI操作与故障管理。能力目标：能完成参数设置、HMI基本操作。重点、难点重点：改造方案、主回路接线、核心参数设置、HMI操作；难点：预充电限流原理、PID参数整定、故障分析。复习提问1.高压给水泵的负载特性是什么？2.PID控制需要接入的传感器信号？作业1.对比液力耦合器与高压变频器的优缺点。2.抄写本项目变频器核心PID与频率参数并说明含义。授课时长2学时课后小结本节课完成项目实操与总结。原液力耦合器在机组轻载时能耗高，是改造主要原因；项目选用拆除耦合器+加装增速箱的彻底改造方案。主回路采用预充电限流设计，保护功率器件；通过端子配置、PID参数实现管网恒压控制。HMI分三级权限，可完成参数设置、状态监视、故障记录。变频改造后厂用电率大幅下降，投资回收期短。本项目是高压大功率水泵变频节能的典型工程案例。

教案附页注释【知识学习】一、课堂导入早期热电厂高压给水泵采用液力耦合器调速，机组负荷波动时能量损耗极大。本节课结合工程案例，讲解变频改造方案、电气接线、参数调试、人机操作，并分析改造效益与运维规范。二、知识学习8.3.1热电厂需要节能增效1.热电厂简介自从1891年德国建成世界上第一座三相火力交流发电厂，至今已有130多年的历史，技术已经非常成熟，各种设备已经定型。近年来高压变频器异军突起，动摇了液力耦合器的霸主地位。2.节能增效发电厂发电的同时，还有风机、水泵、给煤机等辅助设备为发电机服务，这些设备也要耗电，辅助设备的耗电和总发电量之比，称为“厂内自用电率”。（GB/T19098-2003）定义了发电厂厂用电率的标准，核电厂厂用电率不得超过8%。，燃煤发电厂厂用电率不得超过6%，。经过近20年的发展我国厂用电率已经降到了4.6%。这里边有高压变频器应用的功劳。电厂主要自用电设备是：送风机、引风机、增压风机；除渣泵、凝结泵、给水泵等高耗能设备。这些设备其输出功率不能随着机组的负荷变化而变化，只能通过改变挡板或阀门的开度来调整，造成了大量的能量消耗在“节流板”上。给水泵作为锅炉的主要辅机，其耗电量很大，达到发电量的2.5%，直接影响发电成本及能源消耗，因此，对给水泵进行优化改造是十分必要的。3.改造方案（1）以某发电厂为例改造分析某电厂300MW燃煤发电机组，机组锅炉给水系统由1台“凝水泵”和1台“给水泵”串联给水。“凝水泵”采用工频直接控制，“给水泵”采用“液力耦合器”转矩控制。另有1台备用“给水泵”，由“液力耦合器”控制。给水泵参数为：功率5000kW、流量641m3/h、扬程2392m、转速5880r/min。采用5000kW/10kV、转速1490r/min电动机控制。液力耦合器为德国VOITH公司生产，型号为：R16K400M。凝水泵参数为：功率1120kW，流量745m2/h、扬程321m。采用1200kW/6kV、1486r/min电动机驱动。系统整体示意图如图8-25所示。图8-25液力耦合器示意图图中由点划线圈起来的部分是液力耦合器，液力耦合器由增速齿轮、润滑油泵、工作油泵和耦合器4部分组成，润滑油泵是为增速齿轮提供润滑，工作油泵是为耦合器提供工作油。液力耦合器在工作时，通过调整“耦合器”上的主动片和被动片之间的摩擦力来控制被动片的转矩，来达到调速目的。（2）确定改造方案先介绍一下“除氧器”。锅炉中的水是循环应用，在汽化时会分离出氧气，当凝结为水时，水中就会含有氧气。氧气是以“气泡”的形式存在于水中，因为气体具有可压缩性，在经过水泵的离心叶轮时，气泡先是被压缩，然后膨胀释放动能，损坏水泵叶轮的内表面，称为“气蚀”。时间长了叶轮被“蚀穿”。气蚀是水泵失效的主要原因之一，尤其是热电厂的核心设备，严格杜绝“气蚀”现象。因此要采用“除氧器”除氧，除氧原理就是将“水”打碎，分割为细小的“水”珠，使水中的气体析出。同时“凝水泵”的转速不合适，也会影响“除氧器”的除氧效果。通过比较分析，凝水泵在应用中没有造成“给水泵”的气蚀现象，但是当用水量下降时，凝水泵需要采用挡板节流，造成能量损失，故此“凝水泵”选用高压变频器控制。变频器功率为1200kW/6kV。给水泵有两种改造方案：一是保留液力耦合器，将液力耦合器调整到最大输出转矩，当作离合器用，用变频器进行调速。这种方法液力耦合器仍然处在工作状态，消耗机械功率，系统稳定性差。二是将液力耦合器拆除，另外加装增速齿轮箱，这是彻底的改造方案。最后通过电厂权衡，选择加装增速齿轮箱，由齿轮箱厂家定制。变频器选用国产森兰高压变频器，凝结泵配置型号为SBH-100-1120，额定功率1400kW，额定电流84A；给水泵配置型号为SBH-100-5000，额定功率6300kW，额定电流360A。8.3.2变频器控制实施两台变频器的控制原理和控制方法相同，以给水泵变频器为例进行分析。1.采用“一拖一”限流方案图8-26是“一拖一”限流方案，“一拖一”即为1台变频器拖动1台电动机，“限流”即为起动时在电路中串联“限流电阻”，限制起动时“功率单元”中的储能电容充电电流对“整流二极管”的冲击（见图8-6功率单元原理图，见图2-4整理电路，对限流电阻做了说明）。此方案为一拖一的典型方案。图8-26“一拖一”限流方案图图中QS1、QS2为隔离开关，在通电之前，先将隔离开关闭合。系统高压通电时（即闭合QF），电流首先通过“限流电阻”对系统进行充电，当系统充电完毕后断路器QF1自动闭合，短路限流电阻，系统完成通电。隔离开关的作用：当变频器需要检修或维护（清扫积灰、检查电缆连接）时，将QS1、QS2断开，变频器与电气主回路之间产生明显的断点，确保工作人员的人身安全和设备的安全（因为留有一套“液力耦合器”控制系统作为备用，当变频系统出现问题时由备份系统工作）。2.变频器功能选择变频器工作中要完成水泵的压力稳定控制，要处理变频器内部设备中的电压、电流、温度等物理量显示和控制；处理电动机以及水泵的相关问题等。图8-27是森兰高压变频器的接口图，图中有8个数字输入端子，其中FWD和REV为正反转端子已经固定，不用另行设置。其它6个数字端子是多功能端子。其中X1设置为变频器复位、X2设置为“移相变压器”过热检测；X3设置为“开关柜”过热检测；X4设置为“电动机”过热检测。图中数字指示端子有2个，继电器输出指示端子有5个。数字输出指示端子Y1设置为“移相变频器”过热保护；Y2为“功率柜”过热保护。继电器输出指示端子T1、T2为进线高压开关专用，T3为指示“运行中”，T4为指示变频器故障。T5为指示“电动机”过热。图中模拟控制端子共6个，选择AI1作为现场压力信号反馈输入端，其它端子空置。模拟输出指示端子共8个，选择了2个用于指示输出频率和输出电流。在图8-27中看到一个现象：变频器将变压器、功率柜的温度检测信号加在了变频器的数字输入端，在数字输出端就是对变压器、功率柜的温度控制信号，这个功能是PLC才有的功能。再有就是变频器的数字输出端口T1、T2，是闭合、打开“QF1”断路器的，在通电时，“充电”完成才自动合闸；当断电时，是由变频器给出“断电信号”，由变频器进行逻辑判断后才能实施。“PLC”是安装在变频器控制柜中，作为变频器的控制单元，其功能在变频器出厂之前已经设置，不用另行编写PLC程序。HMI也是如此，通信接口、各种参数的“矢量”连接出厂前都已经完成，用户直接应用。变频器采用压力PID控制，在水泵的输出管道上安装压力传感器，压力传感器的压力量程按照需要压力进行设置，水泵出口压力为24MPa，选择25MPa压力量程传感器，应用压力在13~16MPa内选择（水温540°C）。变频器选择的功能都要通过参数进行确认，表8-3是变频器参数选择表。图8-27变频器端子接口8.3.3变频器调试1.HMI人机界面HMI是高压变频器的重要组成部分，其主要任务是发布命令、参数读写、监视管理等工作。HMI自身具有“显示功能”，在通信控制时访问的是被控设备的指令“原码”，从根本上了解被控设备的工作状态，控制信息量大、监控数据丰富、显示直观。图8-28是森兰HMI功能图和登