（电气工程专业论文）变频调速在达拉特发电厂330mw机组节能改造中的应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 变频器以其优异的性能、高效率和显著的节能效果在节能改造方面得到广泛应 用，本文全面分析达拉特发电厂创建节约环保型电厂存在的问题和主要指标差距，进 行了节能估算，决定进行凝结水泵变频调节改造，观察节能效果，并在循环泵、炉侧 风机等设备改造中进一步推广，以实际工程改造为例，通过一些基础性的测量工作， 对变频节能改造前后效果进行对比，了解和掌握变频节能改造的实际效果和现场存在 的问题，确保改造后设备的安全、经济运行。 关键词：变频器，节能改造，水泵 a b s t r a c t f r e q u e n c yc o n v e m ri sw i d e l y 印p l i e dt ot e c h n o l o g i c a l 仃a n s f o n n a t i o n o fe n e 嘲，一s a v i n gb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fe x c e l l e n tp e r ：f o m a n c e ，h i 曲 e m c i e n c ya n do b v i o u se n e r j g y - s a v i n g e 雎c t t h i sp 印e ra n a l y z e sd a l a t e p o w e rp 1 a n t s p r o b l e m s t l l a tr e s u l tf 两m c r e a t i n g a 1 1e c o n o m i c a l 锄【d e n v i r o n m e n t a lp o w e rp l a n ta n dm 句o rt a 玛e t sd i s p 撕够b e s i d e s ，m i sp 印e r c a l c u l a t e st 1 1 eb e n e f i t so fe n e 玛y - s a v i n g 7 r h ea u t l l o ra d j u s t e da n di m p r o v e d w a t e r - f k e z i n gp u m p sa 1 1 dr e c o r d e dm ee a e c t so fe n e 玛：y s a v 血g f t h e m o r e ， t 1 1 ea u t h o ra p p l i e dt h et e c h n o l o g i c a l 仃趾s f - o n n a t i o nt os o m eo 也e re q u i p m e n t ， s u c ha u s ：c i r c u l a t i n gp u m p ，s t o v e s i d ea 打b l o w e ra n ds oo n t h i sp a p e rt a k e s a c t u a lp r o je c t s f o r 。e x 锄p l e w h a t m o r e ，m r o u 曲 s o m ef o u n d a t i o n a j s u r v e y i n gw o r k ， m e 饥曲钟 c o m p a r e s t 1 1 ee f j i e c t s o f t e c l l n o l o 百c a l t r 锄s f o n i l a t i o no fe n e r g y s a v i l l ga n dc l 撕f i e st 1 1 ea c t u a le 虢c t sa j l de x i s t e n c e q u e s t i o n s i no r d e rt om a l ( es u r em a tt h et e c h n o l o g i c a lt r a n s f o m a t i o n e q u i p m e n tc a nr u ns a f e l ya n de c o n o m i c a l l y b a oj u n ( 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 x i nc h u ns h i 、 e n g i n e e rl i a n g z h i f u k e yw o r d s ：f r e q u e n 呵n v e r t e r t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o m a t i o no fe n e r g y - s a v i n g ， w a t e rp u m p 华北电力大学工程硕士学位论文主要符号表 n 。一同步转速； p 一电动机磁极对数； s 一转差； f 一电源频率； w 一定子绕组的匝数； r 。一绕组系数； 。一电动机每极磁通； z 。一定子绕组每相阻抗； i 。一定子绕组相电流； q 。q 厂水泵的流量： h 。h 2 _ 水泵的扬程； n 。n 厂水泵的轴功率； p d 一电动机总功率； p a 一凝泵电动机功率； p b 一凝升泵电动机功率： i a 一凝泵电动机输入电流； i b 一凝升泵电动机输入电流； u 一电动机输入电压； c d s 西一一凝泵电动机功率因子； c d s 痧曰一凝升泵电动机功率因子。 c d 一年耗电量值： t 一年运行时间； 主要符号表 声明户明 奔人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文变频调速在达拉特发 电厂3 3 0 m w 机组节能改造中的应用，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业 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。 讥害莎 一， 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：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；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；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；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： 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章 引言弟一早，ii 1 1 课题的选题背景： 达拉特发电厂目前装有6 台3 3 万千瓦、2 台6 0 万千瓦燃煤发电机组，总容量 3 1 8 万千瓦。为了实现国家“十一五节能减排目标 ，自觉履行国有大型企业的社 会责任，达拉特发电厂作为华能集团目前总装机容量较大的火力发电厂，2 0 0 7 年被 北方公司选取为首批创建节约环保型电厂的试点单位之一，为北方公司系统全面开 展建设节约环保型企业提供值得借鉴的基本经验和工作模式。我厂2 0 0 6 年六台 3 3 0 m w 机组平均利用小时6 9 1 4 小时，完成生产供电煤耗3 3 8 8g k w h ，发电厂用电 率7 1 3 。与华能创建节约环保型燃煤电厂标准中规定的同类型3 3 0 m w 燃煤发电机 组供电煤耗3 3 0g k w h 和发电厂用电率7 0 相比，2 0 0 6 年达拉特电厂的生产供电 煤耗高出8 8g k w h ，发电厂用电率高出0 1 3 个百分点，指标差距较大。 我们结合现场设备实际情况，进行了深入的分析，认为厂用电率高的主要原因 是辅机电耗高，不论机组负荷高低，厂用辅机始终以额定转速运行，风机、水泵大 都采用风门、阀门节流调节风量、水量，造成很大浪费，凝结水泵和凝结水升压泵 如采用变频调节，可根据机组不同负荷，调节泵的运行转速，以适应机组对凝结水 压力和流量的需求。采用变频调节节能效果明显，特别是在低负荷工况运行时，节 能效果更显著。缺点是投资大，运行调整复杂，对变频设备的可靠性要求高。循环 水泵电机改为双速电机或采用变频调节，可在不同季节、不同负荷，调节循环水泵 的运行转速，以调节循环水流量，尤其是低负荷工况节电效果显著。为实现华能集 团公司创建节约环保型燃煤电厂标准的要求，降低厂用电率，我厂拟对机组凝结水 泵和凝结水升压泵、循环水泵实施变频改造。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术和控制理论的高速发展，交流电机变 频调速技术取得了突破性的进展。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、 高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发 展前途的调速方式，是当今节能、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。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业 化方面还不是很理想，市场的大部分份额还是被国外公司所占据。 1 2 1 变频调速技术的优势及在国内外的发展概况 1 2 1 1 变频调速技术的优势 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速是交流调 速的基础和主干内容。变频调速主要有如下一些优点： 华北电力大学工程硕士学位论文 调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速； 启动电流小，而启动转矩大； 启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； 对电机具有保护功能，降低电机的维修费用： 具有显著的节电效果； 通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速。 1 2 1 2 国外现状 在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3 万千 瓦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为6 万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频 调速技术方面，德国西门子公司s i m o v e r ta 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为 1 0 一2 6 0 0 k v a ，s i m o v e r tpg t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 一9 0 0 k v a ，其控制 系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。 国外变频调速技术有以下特点： 功率器件的发展：近年来高电压、大电流的s c r 、g t 0 、i g b t 、i g c t 等器件 的生产以及串、并联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器的生产及应用成为 现实； 控制理论和微电子技术的发展：矢量控制、磁通控制、转矩控制等新的控制 理论为高性能的变频器提供了理论基础；1 6 3 2 位高速微处理器以及信号处理器 ( 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、多功能提供 了硬件手段； 市场的大量需求：随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频 器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金等各个行业，取得显著的经 济效益。 1 2 1 3 我国变频调速技术的发展概况及现状 我国电气传动产业始建于1 9 5 4 年，现在已有2 0 0 家左右的公司、工厂和研究所 从事变频调速技术的工作。但我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达 国家5 0 年代水平，至今自行丌发生产的变频调速产品大体只相当于国际上8 0 年代水 平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场。国内许多合资公司生 产当今国际上先进的产品，国内的成套公司在自行设计制造的成套装置中采用外国 企业的先进设备，自己丌发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传 动控制系统。虽然近些年取得了很大的成绩，但应看到由干国内自行丌发、生产产 品的能力弱，对国外公司的依赖性还是很严重。 国内变频调速技术产业状况如下： 变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由 2 华北电力大学工程硕士学位论文 于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模； 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白； 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1 2 3 变频调速技术研究的相关技术 1 2 3 1 控制方式 早期通用变频器如东芝t o s v e r t 一1 3 0 系列、f u j if v r g 5 p 5 系列、s a n k e ns v f 系列等大多数为开环恒压比( v f ：常数) 的控制方式。其优点是控制结构简单、成本 较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵场合。具体来说，其控制 曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子 电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。对变频器v f 控制系统 的改造主要经历了3 个阶段： 第l 阶段：电压空间矢量控制，也称磁通轨迹法。8 0 年代初由日本学者提出。 该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨 迹为目的，一次生成二相调制波形。典型机种如1 9 8 9 年前后进人中国市场的富士 f r n 5 0 0 0 g 5 p 5 、s a n k e n ( 三垦) m f 系列等。1 9 9 1 年由富士电机推出f v r 与f r n g 7 p 7 系 列，三菱、日立、东芝也都有类似的产品。然而，在上述方法中，由于未引人转矩 的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 第2 阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。7 0 年代初由西德fb 1 a s s c h k e 等人首 先提出，由此开创了交流电机等效直流电机控制的先河。矢量控制的基本点是控制 转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量， 经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量 变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果。此外，它必须直 接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量 控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这给许多应用场合带来不便。尽管如 此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1 9 9 2 年，西门子开发了6 s e 7 0 通用型系列，通过f c 、v c 、s c 板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1 9 9 4 年将该系列扩展至3 15 k w 以上。 第3 阶段：直接转矩控制理论( d t c ) 。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授提 出。直接转矩控制把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩控制是控制定子磁链， 在本质上并不需要转速信息。控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良 好。所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无 速度传感器化，即无速度传感器直接转矩控制。但这种控制依赖于精确的电机数学 模型和对电机参数的自动识别。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速 度、转矩控制精度。1 9 9 5 年，a b b 公司首先推出a c s 6 0 0 直接转矩控制系列，已达到 2 m s 的转矩响应速度和o 0 1 ( 带p g ) ，0 1 ( 无p g ) 的速度控制精度。安川公司推 华北电力大学工程硕士学位论文 出的v s 一6 7 6 h 5 高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别， 但也已做到了1 0 0 m s 的转矩响应和0 2 ( 无p g ) ，0 0 1 ( 带p g ) 的速度控制精度。 日本富士电机推出的f r n5 0 0 0 g 9 p 9 以及最新的f r n 5 0 0 0 g ii p ii 系列，都采取了类 似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前 的机型昂贵多少【1 1 。 1 2 3 2p w m 技术 p w m 技术是变频技术的核心技术。1 9 6 4 年由as c h o n u n g 和hs t e m m l e r 首先在 b b c 评论上提出。p w m 控制技术大致可以分为3 类，正弦p w m ( 包括电压、电流或 磁通的正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此类) 、优化p w m 及随机p w m 。 正弦p w m 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的 多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特的优势( 如a b ba c s l0 0 0 系列和美国 r o b i c o n 公司的完美无谐波系列等) ；而优化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率 ( t h d ) 最小，电压利用率最高，效率最优，转矩脉动最小以及其他特定优化目标。 任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式完成的。目前已经提出 并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种。尤其是微处理器应用于p w m 技术并使 之数字化以后，花样是不断翻新、从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦， 再到磁通的正弦：从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，p w m 控制技术的发 展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出， 进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量p w m 技术以其电压利用率高， 控制算法简单，电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。 1 2 4 变频调速技术的发展趋势 1 2 4 1 主控一体化、变频器与电机的整体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的d i p i p m ( 即双列直插 式封装) 的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化、智 能化和高性能化的h v i c ( 高耐压i c ) s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的概念己被用户接受，首 先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此可以展望， 随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。 9 0 年代以前，对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓扑结构以及控制算 法上，并且取得了很大的进展，使得电机传动的动态性能和调速精度等方面大大提 高。但对于变频器供电下电机的效率、功率因素、绝缘等没有加以重视和研究。其 中变频器带来的“电应力 问题和电机轴电压、轴电流问题是近儿年较为突出的严 重问题，而这些问题的起因在于变频器与电机没有作为一个整体加以设计而引起 的。 1 2 4 2 变频控制的高性能化 4 华北电力大学工程硕士学位论文 无速度传感器矢量控制( s v c ) 的发展。早期的s v c 多采用电压、电流信号构成 速度观测器，后来采用磁通观测器模型，使力矩特性更好。最新的s v c 产品则用电 压电流模型与磁通模型构成速度观测器，在不同的速度区段，利用切换的办法取得 更好的速度观测效果，称为双观测器矢量控制系统。此外，采用高速c p u 芯片，信 号处理速度更快，使系统在极低的转速下也能获得良好的转矩特性与高速响应。 电机参数自检测与自整定技术。高性能矢量控制变频器运行前需进行电动机 参数的检测。早期变频器首先需把电动机和机械脱开，才让电动机旋转，按预先设 定的程序运转，记录定子电压和电流，对参数进行自动整定，该方法称为“旋转自 检测”。其缺点在于卸开电动机和机械的连接十分不方便。新开发的“停车自检测刀 电动机可以在不旋转的状态下进行测量，连“旋转自检测不测量的漏电感参数也 可以测出，因此控制性能得到提高。目前s i e m e n s 公司的m m 4 4 0 矢量型变频器具有此 功能，可以“停车自检 出电机定子电阻、转子电阻、定子漏抗、主电抗以及磁化 饱和曲线等。 1 2 4 3 变频控制系统的全数字化 随着计算机技术的发展，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流 调速系统与信息系统紧密结合，同时提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调 速系统实现全数字化控制。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。如 i n t e l 公司1 9 8 3 年推出的m c s 一9 6 系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高 速、高精度的工业控制。其高档型8 1 9 6 k b 、8 1 9 6 k c 、8x1 9 6 m c 等在通用丌环交 流调速系统中的应用较多。另外，随着交流电机控制理论不断发展，控制策略和控 制算法也同益复杂。d s p 芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的 舞台。如t i 公司的m c s 3 2 0 f 2 4 0 等d s p 芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化 交流调速系统的首选。最近t i 公司推出的m c s 3 2 0 f 2 4 0 x 系列产品更将价格降低到了 单片机的水平。各种总线在实现数字化控制过程中也扮演了相当重要的角色。s t d 总线、工业p c 总线、现场总线以及c a n 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起 到了重要的作用。 1 2 4 4 变频器的环保化 如变频器的低电磁噪音化。今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面 符合e m c 国际标准，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正 ( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a p f c ) 电路，改善输人电流波形，降低电网谐 波以及逆变桥采取电流过零的丌关技术。而控制电源用的丌关电源将推崇半谐振方 式，这种丌关控制方式在3 0 5 0 m h z 时的噪声可降低1 5 2 0 d b 【。 1 3 本文的研究内容 本文以实际工程改造为例，介绍了交流变频调速技术的主要内容和方法，研究 华北电力大学工程硕士学位论文 了变频调速技术在电厂凝结水泵、循环水泵系统中应用的相关问题。通过理论分析 和实际的测量工作，对变频节能改造前后效果进行对比，了解和掌握变频节能改造 的实际效果和现场存在的问题，确保改造后设备的安全、经济运行。具体工作如下： ( 1 ) 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、风机水泵调速运行节能原理等。 ( 2 ) 进行变频方案的初步论证，通过节能估算，决定对凝泵、循环水泵设备 进行变频改造。 ( 3 ) 将理论应用于工程实践，结合达拉特发电厂3 3 0 m w 机组凝结水泵、循环水 泵变频改造项目，通过实际的测量工作，对变频节能改造前后效果进行对比，了解 和掌握变频节能改造的实际效果和现场存在的问题，确保改造后设备的安全、经济 运行。 1 4 ，卜结： 1 、达拉特发电厂2 0 0 6 年六台3 3 0 m w 机组平均利用小时6 9 1 4 小时，完成生产供电 煤耗3 3 8 8g k w h ，发电厂用电率7 1 3 。与华能创建节约环保型燃煤电厂标准中规 定的同类型3 3 0 m w 燃煤发电机组供电煤耗3 3 0g k w h 和发电厂用电率7 0 相比，2 0 0 6 年达拉特电厂的生产供电煤耗高出8 8g k w h ，发电厂用电率高出0 1 3 个百分点。 厂用电率高的主要原因是辅机电耗高，一直以来，不论机组负荷高低，厂用辅机始 终以额定转速运行，风机、水泵大都采用风门、阀门节流调节风量、水量，造成很 大浪费，节能潜力巨大。 2 、变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果， 广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，是当 今节能、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。 3 、交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，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 硬软件丌发问题，其发展趋势为： 1 ) 主控一体化、变频器与电机的整体化； 2 ) 变频控制的高性能化； 3 ) 变频控制系统的全数字化； 4 ) 变频器的坏保化。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章交流变频调速相关理论 2 1 变频调速基本原理 2 1 1 变频器定义 变频器至今并无确切的定义，但按其作用可理解为改变电动机电源频率值及电 压值的自动化电气装置( 或设备) 。变频器由电力电子器件( 如i g b t 模块) 、电子器件 ( 集成电路、开关电源、电阻、电容) 、微处理器( c p u ) 等组成的电气装置( 或设备) 。 交流电动机，特别是笼型异步电动机，具有体积小、重量轻、结构简单、维护方便、 制造成本和运行费用低、能在恶劣环境下可靠运行等一系列优点。但是过去由于实 现调速困难或者某些调速方式低效果不够理想，因此，长期以来在调速的领域仍被 直流调速占领，交流电动机的优点在调速传动中未能获得发挥。直到上世纪七十年 代初，随着电力电子、微电子( 集成电路) 和微机技术的飞速发展，人们长期渴望的 变频调速器实现了工业化生产。所谓变频调速器：它将三相工频( 5 0 h z ) 交流电源( 或 任意电源) 变换成三相电压可调、频率可凋的交流电源，有时又将变频调速器称为 变压变频装置( v v v f ) ，主要用于交流电动机( 异步机或同步机) 转速的调节。一个 交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动器、交流电动机和控制器三大部分组 成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑变化。 变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实 现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调 速和液力祸合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速 方案，代表今后电气传动的发展方向。近三十多年来变频调速已在钢铁、冶金、石 油、化工、纺织、化纤、轻工、造纸、橡胶、塑料、电力、水务等行业中得到广泛 应用。低压电动机变频调速应用已非常普及和成熟。高压电动机变频调速也正在被 人们关注和逐步应用。交流电动机变频调速除了有卓越的调速性能之外，还有显著 的节约电能和保护环境等重大作用【2 1 。 2 1 2 变频调速基本原理 三相交流异步电动机是用来把交流电能转化为机械能的，电动机有笼型和绕线 转子型( 较少使用) 两种。由于异步电动机具有结构简单、体积较小、价格低廉、经 久耐用、维修量小等优点，被大量地使用在交流传动上，其配上变频器，完全可代 换其他调速装置，如直流调速、转差调速、滑差调速、串级调速、换向器电动机调 速、液力偶合调速等。异步电动机定子磁场的转速n 。又称为同步转速，n 。= 6 0 f p ， 单位为r m i n 。这里f 是频率，p 是电动机磁极对数。转速与极对数的关系见表2 1 ： 表2 1 转速与极对数的关系 l 转速n 。 3 0 0 015 0 010 0 07 5 0 l 极对数p 1234 华北电力大学工程硕士学位论文 异步电动机的实际转速n 总是小于n 。，转差s ： s = ( n 。一n ) n ( 2 一1 ) 一般：在1 一5 范围内，它决定于气隙大小、硅钢片质量、铜耗、铁耗、风阻、 摩擦、电动机结构等因素，见表2 2 ： 表2 2 实际转速与同步转速的关系 实际转速n 2 9 6 01 4 6 0 9 6 07 2 0 同步转速n 。 3 0 0 01 5 0 01 0 0 07 5 0 整理后，异步电动机转速 n = 6 0 f ( 1 一s ) p( 2 2 ) 从上式可知，只要改变f 和p 中的任意一项即可改变电动机转速，其中，改变p 调速是有级的，即选用多极电动机，但多极电动机绕组较复杂，因而改变、调速是 不经济的。对笼型异步电动机只有改变频率f 才是既经济又无级的调速方式，改变 频率又称变频，而变频器就是起到这个作用的装置。 变频调速在改变输入频率的同时还需改变电压，因为当f 5 0 h z 时电动机定子 绕组内的感应电动势为 e - = 4 4 4 f w 凡i i ( 2 3 ) 式中：w 一定子绕组的匝数； r w l 绕组系数； l 一电动机每极磁通。 定子电压u l 和定子绕组的感应电动势e 1 的关系为 u l = e l + i l z l( 2 4 ) 式中：z 1 一定子绕组每相阻抗； 工l 一定子绕组相电流。 若忽略定子压降i lz l 则 u i - 4 4 4 f w r - i i ( 2 5 ) 若u 1 不变，则l 上升，要产生铁心的磁通饱和现象，为使磁通不变，必须在 f 下降时使u l 同时下降，u l k f = c ( 常数) ，才可使磁通不饱和，保持1 不变。 这样电磁转矩t 与( u 1 f ) 2 成f 比，也不变，即电动机拖动负载能力不发生改变。 所以，变频时一定还要变压( 故有v v v f 之称) 【2 1 。 2 1 4 典型变频器的原理框图 变频器的应用范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的地方都可装 置变频器，对设备来讲，使用变频器的目的无非是三个： 1 ) 对电动机实现节能，使用频率范围为o 一5 0 h z ，具体值与设备类型、工况条件 有关。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 ) 对电动机实现调速，使用频率范围为o 一4 0 0h z ，具体值按工艺要求而定，受 电动机允许最大工作频率的制约。 3 ) 对电动机实现软起动、软制动，频率的上升或下降，可人为设定时间，实现 起、制动平滑无冲击电流或机械冲击。 典型变频器的原理框图：见图2 一l 主电路 图2 1 典型变频器的原理框图 根据输出电压的高低、电动机功率的大小、谐波分量的要求、输出波形的平滑 性的要求、设备成本的大小、系统设备占地面积、使用器件的耐压允许值、使用的 可靠性、使用设备的特性及技术要求等不同，常见有以下几种形式。 2 1 5 几种主电路形式 2 1 5 1 二电平电路形式 国内外所有品牌的低压变频器几乎都是二电平6 脉冲主电路结构形式( 见图 2 2 ) 。 交直 交 t 1 p 。留一 zs2 玉z 。 一 lb 、o ( 是 z 玉2 王z王宁- - f 整流逆变 图2 2 二电平6 脉冲主电路结构形式 9 华北电力大学工程硕士学位论文 因输入电压较低，功率较小，电网电压可直接进人整流环节。我国设计规范规 定，当电动机功率大于2 0 0 k w 时，宜采用高压供电方式，当今低压大容量变频器已 达1 5 0 0 k w ，因此，当电动机功率大于2 0 0 k w 而又采用高压供电方式时，一般采用以 下两种方案： 1 ) 高一低一低方案( 见图2 3 ) 技术特点：可采用通用的低压变频器，易于改造现有设备，可靠性高，造价低， 但降压变压器要特殊设计。 降压受压器低压变颏器低压电动机 ，聃酬卜 图2 3 高一低一低方案 2 ) 高一低一高方案( 见图2 4 ) 技术特点：投资高，效率低，占地多，升压变压器要特殊设计。 降压变压器低压变频器降压变压器高压电动机 ，州_ - 图2 4 高一低一高方案 高一低一低方案或高一低一高方案，在对现有设备采用变频器进行技术改造时，而 且在资会受到一定制约的条件下，也是一种方法。 2 1 5 2 三电平电路形式 当电压源型变频器输出电压在l 一6 k v 时，为避免整流及逆变器件串联引起的动态均 压，降低输出的谐波分量，减小d u d t 过大影响，可采用三电平电路形式，也称中心点 钳位( n p c ) 方式： 1 k v 一- 。爷1 爷 z玉z 玉z王 - _ 一 f 0 2玉- 2i j ， z王z 玉2土 i i厂 z 、。 _- 一 文备z kl z王zzz f 值2i j 瞄 - - il -_ - 一- g 2 玉2z 图2 5 三电平电路形式 i o 华北电力大学工程硕士学位论文 其整流电路一般是1 2 脉冲，如要求更高时，还可用1 8 脉冲、2 4 脉冲，甚至3 0 脉 冲。这时输入整流变压器的二次侧分别是2 个、3 个、4 个、5 个绕组，但以1 2 脉冲为 多数。该电路适用不大于6 k v 的输出电压。若采用对称的p w m 整流电路，可实现四象 限运转。技术特点：采用三电平p w m 控制输出谐波较低，比较经济实用，占地面积小， 可选用h v i g b t 或i g c t ，以减少元器件的数量，不需要用常规的串、并联方式来提 高电压、增大电流，进一步提高了可靠性。例如德国的西门子的变频器采用i g b t ， 欧洲的a b b 的变频器采用i g c t ，美国的g e 的变频器采用i g c t ，都属于三电平电路形 式。 2 1 5 3 多电平电路形式 当高压变频器输出电压为6 1 0 k v 时，一般采用多电平电路形式( c m s l ) 。多电 平电路形式是由若干个低压p w m 变频功率单元，以输出电压串联方式( 功率单元为三 相输人、单相输出) 来实现直接高压输出的方法( 见图2 6 ( a ) 、( b ) ) 一 -_ 一 七 =- i 辛一i 辛 f uzz玉2 。 ii f u l li f u + _ 嘧 z 玉2z王 ： 图2 6 ( a ) 多电平电路形式的功率单元 输 出 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 6 ( b ) 多电平电路形式 多电平电路的变压器的二次绕组个数应与三相功率单元数相等，而且二次绕组 采用多重化的移相方法，因此对电网谐波污染最小时约为1 ，功率因数大于0 9 5 ， 效率大于9 6 ，其综合性能优于三电平电路结构，载波频率高达6 k h z ，但只能二象 限运行。技术特点：采用多重化脉宽调制技术，输出诣波最小( 有的产品号称完美无 谐波) ，消除了谐波引起的转矩脉动，电动机的发热及噪声大大减小，可使用普通 电动机。但使用器件数量大大增加，主变压器结构复杂，成本高，投资大。进口产 品有美国的罗宾康，r 本的安川、三菱、富士等品牌，我国自行丌发的北京的先行、 凯奇、利得华福等品牌都属此类变频器。 2 1 5 4 直接高进高出电路形式 成都佳灵公司的z j m 方案就是直接高进高出电路形式。采用h v i g b t 串联直接高 压二电平方式的s p w m 变频器( 见图2 7 ) 。效率超过9 6 ，功率因数大于0 9 5 ，谐波符 合i e e e 一5 1 9 1 9 9 2 标准( 美国电气和电子工程师协会的文件) 和g b l 4 5 4 9 1 9 9 3 标准 ( 电能质量公用电网谐波标准) 要求。技术特点：真正的高一高方案，无输入、输出 变压器，独创的i g b t 串联直接高压二电平方式，器件使用数量最少，电路简单，占 华北电力大学工程硕士学位论文 地面积很小，造价低，可靠性高。当电动机功率大于1 2 0 0 kw 时，建议选用具有1 2 脉冲输人变压器的电路形式。 王一a 玉- q j _ 一l 王j 2 l l 并i - 昭 王 j 2l 1 一 z王2玉z厂 玉j 旺i - 0 ( 高j 旺 j l 卜 王j 2王j ( z 一 _-_ 王 卜吐 - j i l zl l 一 z玉2z 同 3 ，v 1 0 k v r 压 断 路 _-_ 盛 z王zz _- z王2、z 图2 7h v i g b t 串联直接高压二电平电路 目前高压变频器在世界各国制造公司还不像通用的低压变频器一样，具有主电 路一致性较成熟的拓扑模式，由于主器件i g b t 或1 g c t 的耐压跟不上变频技术发展所 需，因此高压变频器主电路形式是多种多样，各有所长，综合比较起来，目前较为 理想的是高进、高出的直接方式。 2 1 6 变频器的控制形式及特性分析 2 1 6 1 压频控制( 又称v f 控制) 压频控制的原理是正弦脉宽调制，即s p w m 。为保持主磁通恒定，必须在变频 的同时要变压，使u f = c ，这是原则。v f 控制具有简单低廉、使用调试方便的特点， 适用于各种水泵、风机，节电率高，使用效果好。其主要问题是，当低频工作时( f 小于等于5 一l o h z ) ，要产生转矩减小、转矩脉动、谐波加大的毛病，因此不适宜在 低频时运行( 见图2 8 ( a ) 、( b ) ) 。 r s t _-_ 面 姗净爷爷v zz王z王 = c -lv ， _ 好 z王2玉z玉 一 lb w 、 图2 8 ( a ) v f 控制变频器主电路图 乘绣器 速鼹定( ：巫) 副= = 三! ! ! 加酿建挖制蓦 压频使缺豫处埋器 鼗 叫放电压 i 调制电略 图2 8 ( b ) v f 控制变频器的控制原理图 2 1 6 2 空间电压矢量控制( 又称s v p 洲控制) 空间电压矢量控制的原理是控制电动机的气隙磁通，减小低频时异步电动机的 华北电力大学工程硕士学位论文 转矩脉动，因为电压矢量的积分是磁通矢量，其实质是磁通轨迹控制。使磁通的轨 迹在圆周上以内接多边形代圆、这就是磁通轨迹控制，通常有六边形磁通轨迹控制 见图、圆形轨迹控制( 见图2 9 ( a ) 、( b ) ) c de b a 0 ( b ) 图2 9 磁通轨迹控制原理图 ( a ) 六边形磁通轨迹( b ) 圆形磁通轨迹 2 1 6 3 矢量控制( 又称v c 控制) 矢量控制的原理是通过电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和 励磁电流，具有与直流电动机类似的性能。异步电动机定子电流包括两个分量：励 磁电流分量和转矩电流分量。在矢量控制中，着眼于转子磁通来控制电动机的定子 电流，状态方程中以励磁电流和转矩电流作为变量，也采用电流闭环控制，实际电 流以定子电流反馈和角速度反馈，经一系列变换处理( 见图2 一1 0 ( a ) 、( b ) 、( c ) ) 就可实现精确的控制。在实际应用中，又分有速度反馈和无反馈两种，控制精度前 者为0 0 1 ，后者为o 1 ，但前者电路复杂，使用元器件多，对电动机的参数设定 值要求高，软件编程较复杂，价格较贵，也无法解决低速甚至零速时有1 5 0 一2 0 0 额定转矩的拖动要求。 2 1 6 4 直接转矩控制( 又称d t c 控制) 直接转矩控制属第四代产品，其基本原理是通过对磁链和转矩的直接控制来确 定逆变器的开关状态，这样不需复杂的数学模型。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 蹇燃定一 一薹季崔囊设定 定子电压设定十一；- 喜互毒芒谘宦 i 图2 一1 0 ( a ) 磁链反馈控制系统( 电压矢量控制w c ) 图2 1 0 ( b ) 磁链的前馈控制系统( 电流矢量控制i v c ) 图2 1 0 ( c ) 转差频率矢量控制的系统构成( s f v c ) 华北电力大学工程硕士学位论文 变频器在实际使用中有两种控制方式： ( 1 ) 开环控制适用在恒速、输出量不变条件下。开环控制电路简单，省费用，如图 2 一1 1 图2 1 1 开环控制电路 ( 2 ) 闭环控制适用在变速、输出量变动条件下，如图2 1 2 a c 3 8 0 v j 弋、r 啼 图2 1 2 闭环控制 此系统要增加传感器、p i d 调节器，虽安装费用高些，但对提高控制精度有利， 控制精度0 1 ，凡需要精确控制温度、压力、流量、速度、张力、位置、p h 值等 场合，一般都选用闭环控制实行定值控制。在相同工况条件下，闭环控制比丌环控 制能多节电5 9 6 _ 1 0 。 2 2 变频调速的优越性和存在的问题 近年来，随着大功率开关器件和交流调速技术突飞猛进的发展，使发电厂辅机 电动机采用变频调速方式成为可能。变频调速属高效调速方式，可使调速系统的效 率提高到9 0 以上，从而为电厂节能降耗丌辟了一条极好的途径。不同调节方式的 功率损耗和节电效果差异很大。例如，在8 0 额定流量下运行时，如果采用出口阀 门调节方式的耗电量为1 0 0 的话，则采用液力耦合器等有转差损耗的调节方式的耗 电量为6 8 3 ，节电3 1 - 7 ：而采用无转差损耗调节方式( 包括变频调速和串级调速) 仅耗电5 5 2 ，节电4 4 8 ，两者相差1 3 1 ，变频调速方式节电效果随流量降低而大 幅度提高。在9 0 额定流量时，液力耦合器节电1 6 9 ，变频调速节电2 3 3 ，两者 仅相差6 8 ：而当流量降至5 0 时，液力耦合器节电6 5 5 ，变频调速节电8 2 1 ，两 者相差达1 6 6 。由此可见，采用变频调速方式，可以节省大量的节流损耗和转差 损耗，使辅机始终保持高效运行，是电厂节能降耗的最佳方案。目前，阻碍变频调 速技术在高压大容量传动中推广应用的主要难题有两个：一是我国火力发电厂中大 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 功率电动机供电电压高( 3 一1 0 k v ) ，而变频器开关器件的耐压水平较低，造成电压 匹配上的难题；二是高压大功率变频调速技术含量高、难度大、成本也高，但一般 风机水泵等节能改造都要求低投入高回报，从而造成经济效益上的难题。这两个世 界性难题阻碍了高压大容量变频调速技术的推广应用，因此如何解决高压供电和用 高技术生产出低成本的变频调速系统是当前世界各国相关行业竞相关注的热点。 2 2 1 高压变频器具有的优点 现在有很多电力企业己经采用新型的高压大功率变频调速装置，取得了良好的 应用效果。同传统的液力偶合器比较，高压变频器具有以下优点【2 1 ： ( 1 ) 采用先进的整流技术，减少了输出侧的电流谐波，提高了功率因数，解决 了对电网的谐波污染，无需任何滤波或功率因数的补偿。电动机实现了真正的软启 动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间 大为减少，可消除对电网和负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤电机绝缘，延 长了电动机和风机、水泵的使用寿命。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了 风机、水泵处于共振点运行的可能性，使风机、水泵工作平稳，轴承磨损减少，启 动平滑，消除了机械的冲击力，提高了设备的使用寿命。 ( 2 ) 变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏， 大大加强了对电动机的保护。调速工段内的