高压变频器调速节能原理

1、引言

包头稀土铝业有限责任公司是一家大型现代化铝电一体化工厂，一期工程于2003年10月28日投产。目前已形成88万吨/年产能，配套建设的热电机组已经陆续建成。包头希铝各项经济技术指标在国内领先，是一个高起点、大容量、低污染的大型现代化工业企业。该项目被中国光彩事业促进会列入全国光彩事业重点项目。公司铝电和生物工程循环产业链，具有独特的竞争力，被授予内蒙古自治区级循环经济园区。
包头希望铝业热电厂总装机容量1320MW，电厂一期4*155MW机组、二期2*350MW机组已全部并网发电。电厂现有2台155MW凝汽式发电机机组运行，随着电网内大机组的相继投产，该厂的调峰任务越来越重，峰谷差日益增大，根据现场运行资料统计，155MW机组每日的负荷一般在73.6MW左右。系统处于低负荷运行时，系统相关设备也要随着负荷的变化作相应的调整，必须通过关小挡板或阀门来调整风量及流量。此时，电动机输出功率大量的能源消耗在挡板上，节流损失很大。异步电动机在直接启动时，启动电流一般达到电动机额定电流的5-7倍，启动电流过大将造成电网电压波动，影响其他电气设备的正常运行，同时电动机自身绕组严重发热，加速绝缘老化，缩短使用寿命。而高压变频器调速装置可以实现电机的软启动，通过调整频率来改变电机转速，满足不同负载的工艺要求，是解决以上矛盾的有效手段。
2、高压变频器调速节能原理
2.1高压变频器工作原理
高压变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度或幅度，以调节输出量和波形的，从而实现电动机电压和频率的平滑变化。
根据电机学原理，交流异步电动机转速由下式确定:
式中：n，f——分别为电动机转速，供电频率； n，s——分别为电动机极对数，转差率。
由式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关，改变极对数的成为变极调速，此种调速属于有极调速，调速不平滑，主要用于不需要频繁变速的地方。改变电机转差率的调速方式有：调压调速，电磁调速，绕线式电机转子串电阻调速，该种调速需要产生新的转差率，消耗转差功率，属于低效调速。而通过改变电机的输入频率的变频调速，近似无级调速，是高效不耗能的调速方式，也是现在应用最广泛的一种调速方式。
2.2高压变频器节能原理
根据流体力学的基本定律可知：风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系：
Q，H——分别为风量，风压； n、T——分别为转速，转矩； P——轴功率。
由公式(2)、(3)、(4)可知，风机(或水泵)的流量与其转速成正比，压力(或扬程)与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。因此调节转速是风机节能的重要途径。

3．高压变频调速系统应用情况
3.1高压变频器的组成
森兰SBH系列高压变频器采用单元串联多电平技术，采用多个低压变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，属于“高-高“电压源型变频器，该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，满足IEEE519-1992国际标准和GB/T14549-93国家标准对输入谐波的要求。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、共模电压等问题，不必设置输出滤波器，可直接拖动普通的异步电机。

其原理框图如图1 所示： 电网输入经多副边移相变压器提供多套副边输出分别给功率单元供电，再由多个功率单元串联构成一相输出的方式构成三相输出，主控系统通过控制每个功率单元的PWM输出来控制变频器输出电压的频率和幅值，从而达到控制电机转速的目的。主控系统和单元之间通过光纤进行通讯，既保证信号的可靠传输，同时保证主控制部分与高压部分的绝缘隔离。

3.2高压变频系统配置方案

此次7套SBH高压变频器应用于电厂一期4*155MW机组，负载为3台凝结水泵，功率为200kw，4台送风机，功率为630kw。
根据现场实际情况，7套高压变频器的现场主回路均采用手动一拖一的方案，如下图：
1、QS1、QS2和QS3为3台高压隔离开关，QF为用户侧高压开关。QS2、QS3之间存在机械连锁。
2、刀闸开关不能带负荷分合闸操作。当要对QS1、QS2、QS3进行操作时，必须将上级开关分断开，才允许进行开关操作。
3、QS1、QS2闭合时，QS3断开时，QF闭合时，电机由变频器控制调速运行。QS1断开、QS2断开、QS3闭合时，电机可由QF直接启停并进行保护，变频器可完全和电网脱离，便于维护与检修。
3.3运行情况及节能效益
7套高压变频器于2011年11月10日到11月29日完成安装及所有现场调试项目。11月30日所有设备正式投入生产，所有变频器运行良好，节能效果明显。
通过记录现场#5炉、#6炉各两台送风机变频改造投运后的耗电量，可以得出，相对于改造前#5炉、#6炉一周可节电量约为49272 kwh，同比节电率为20%，节电效果明显。

下表为#5炉、#6炉风机变频节能周对比数据

除去检修时间，每年按300天计算，电费单价为0.5元/kwh，则年节省电费为：630*20%*300*24*0.5≈45万元。
4、总结
我国拥有为数众多的小型电力企业和各行业大型企业的自备电厂，这些电厂多数为中、小型机组，数量多，单机容量小。不仅发电机组陈旧，其所属的主要辅助设备也较落后，效率低，设备选型不当，大马拉小车。风机水泵的流量压力调节方式基本为进出口闸门的调节，耗能大，经济效益差，设备损坏严重，采用高压变频技术对高能耗用电设备进行技术改造，不仅能直接收到降低厂用电、降低供电煤耗、增加上网电量带来的直接经济效益，而且对设备的安全、可靠运行，减少设备故障等都起到了积极的作用。
森兰SBH系列高压变频器可靠性高，输入输出波形质量好，适合于电厂辅机的变频调速，能提高电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源，为电厂带来较大的经济效益和社会效益。