匯川技術(shù)HD90高壓變頻器在熱電廠的應(yīng)用

      介紹了匯川HD90系列高壓變頻器在廣西某化工公司熱電廠一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)上的改造，著重闡述了HD90系列高壓變頻器在此類負(fù)載應(yīng)用中的優(yōu)勢。

一、背景介紹

      隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正經(jīng)歷著比較大的革新。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大量使用的高壓感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)可以進(jìn)行直接的電子控制，即由原來的改變其它機(jī)械環(huán)節(jié)的控制方法到直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和位移控制，從而可以提高生產(chǎn)工藝，降低能源消耗。特別是在當(dāng)今面臨能源危機(jī)的條件下，節(jié)能降耗不僅有近期的直接經(jīng)濟(jì)效益，更有長遠(yuǎn)的社會(huì)效益。      電廠傳統(tǒng)中引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)的流量控制是通過調(diào)節(jié)擋板的開度來實(shí)現(xiàn)的，而這是一種經(jīng)濟(jì)效益差，能耗大的落后方法，造成設(shè)備損壞快，維修難度大，運(yùn)行費(fèi)用高。相當(dāng)部分功率消耗在擋板的截流過程中，從而造成能源的極大浪費(fèi)。

二、項(xiàng)目概況

      廣西某化工有限責(zé)任公司為廣西壯族自治區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。占地面積1080畝，現(xiàn)有資產(chǎn)12.5億元，員工1200余人，其中專業(yè)技術(shù)人員260人。其下屬熱電廠目前共有5個(gè)機(jī)組，每個(gè)機(jī)組同時(shí)配備一臺(tái)引風(fēng)機(jī)、一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)。

（1）運(yùn)行工藝

      現(xiàn)場使用的是鼠籠式異步定速拖動(dòng)，為了調(diào)節(jié)通風(fēng)量在風(fēng)道中設(shè)置風(fēng)門檔板，通過對風(fēng)門擋板開度的調(diào)節(jié)來達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。這種方法效率低，至少浪費(fèi)額定功率20%的電能。風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速風(fēng)量和實(shí)際工況需求不適應(yīng)，任何一個(gè)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，總是要考慮工況最大的風(fēng)量需求并都會(huì)留有一定的設(shè)計(jì)富裕，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)量，功率選配。在絕大多數(shù)情況下，風(fēng)機(jī)都工作在偏離最大風(fēng)量需求的狀態(tài)下，由此造成風(fēng)量過大，造成不必要的電能浪費(fèi)。從根本上講，風(fēng)機(jī)的定速運(yùn)行跟實(shí)際風(fēng)量需求的不斷變化的情況不適應(yīng)。

（2）高壓變頻器選型

一次風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)參數(shù)

熱電廠結(jié)合自身電機(jī)參數(shù)以及匯川HD90系列高壓變頻器的產(chǎn)品優(yōu)勢，具體選型如下：

（3）控制方案

現(xiàn)場一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)電機(jī)的控制方式均采用一拖一方式，變頻器配有手動(dòng)旁路柜，以保證自身故障或者現(xiàn)場設(shè)備檢修時(shí)能夠旁路繼續(xù)運(yùn)行，確保生產(chǎn)的正常運(yùn)行，匯川HD90系列高壓變頻器具有完善的自控能力，能夠穩(wěn)定的融入現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)中，達(dá)到遠(yuǎn)程操作以及集中控制的要求。

（4）一次系統(tǒng)方案

圖一：一拖一手動(dòng)旁路柜拓?fù)鋱D

      匯川HD90系列高壓變頻器的手動(dòng)旁路柜內(nèi)安裝3只隔離刀閘，分別隔離變頻器、高壓側(cè)電源、電動(dòng)機(jī)。采用一拖一手動(dòng)旁路柜，正常運(yùn)行時(shí)，QF1、QS1、QS2閉合，QS3斷開，采用變頻器運(yùn)行方式，當(dāng)變頻器有故障不能運(yùn)行時(shí)，QF1、QS3閉合，QS1、QS2斷開，采用工頻運(yùn)行方式。QS1、QS3不能同時(shí)閉合，實(shí)現(xiàn)互鎖，高壓變頻器與QF1進(jìn)行聯(lián)鎖，變頻器故障同時(shí)跳開QF1開關(guān)，同時(shí)允許QF1開關(guān)合閘，使系統(tǒng)工頻旁路運(yùn)行。用戶開關(guān)QF1和電機(jī)M均為現(xiàn)場原有設(shè)備。

三、匯川HD90系列變頻改造優(yōu)勢

      （1）充分利用變頻器和現(xiàn)有設(shè)備，投資相對較少，既保留了原系統(tǒng)的控制操作方式不變，又保證了系統(tǒng)改造后緊急狀態(tài)下的工頻恢復(fù)運(yùn)行，易于系統(tǒng)維護(hù)。      （2）正常時(shí)采用變頻運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障之后，變頻器發(fā)送故障信號(hào)至DCS，跳開電源開關(guān)，檢查后如果確實(shí)存在故障則切至工頻運(yùn)行，相關(guān)邏輯在DCS中實(shí)現(xiàn)。      （3）減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流為額定電流的5～7倍，電機(jī)軟啟動(dòng)也要達(dá)到2．5倍。觀察變頻器起動(dòng)的負(fù)荷曲線，可以發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉(zhuǎn)速增加而上升．不會(huì)超過額定電流。因此一次風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問題，消除了大啟動(dòng)電流對電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力從而顯著改善了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，減少了維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。       （4）使用變頻器可使電機(jī)轉(zhuǎn)速沿一次風(fēng)機(jī)的加減速特性曲線平緩變化．設(shè)備和軸承受力狀況得到了明顯改善。同時(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)說明，機(jī)械壽命與轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成正比，降低一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可成倍地提高一次風(fēng)機(jī)的壽命，因而一次風(fēng)機(jī)維護(hù)費(fèi)用自然就降低了。       （5）降低噪音一次風(fēng)機(jī)改用變頻器后，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同時(shí)，噪音也將大幅度地降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低5 0％時(shí)，噪音可減少十幾個(gè)d B，同時(shí)消除了停車和啟動(dòng)時(shí)的打滑和尖嘯聲。 （6）輸出電流諧波≤2%，6KV功率單元柜由15個(gè)功率單元組成，每相由5個(gè)功率單元串聯(lián)組成，輸出21階梯PWM波形，近似完美正弦波，滿足并高于IEEE519-1992和GBT14549-93標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對電網(wǎng)造成諧波污染。

四、 匯川HD90高壓變頻器的優(yōu)勢

1）通用矢量控制技術(shù)

      HD90系列高壓變頻器具備通用矢量控制技術(shù)，基于電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，對電機(jī)定子電流解耦成勵(lì)磁分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，以達(dá)到模擬自然解耦的直流電動(dòng)機(jī)的控制效果。       a. 這種控制方式，調(diào)速精度可以達(dá)到0.01HZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液耦的調(diào)速精度，減少了負(fù)載的波動(dòng)，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定；       b.高壓變頻器效率高,無轉(zhuǎn)差損耗，其效率達(dá) 0.97以上，并且不隨調(diào)速的范圍而變化。液力耦合器效率低,其效率與調(diào)速比成正比，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越低,其效率越低，液力耦合器屬轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速，是低效調(diào)速設(shè)備，在調(diào)速的過程中,轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中。同時(shí)造成液壓油需要定期更換，維護(hù)成本高。       c. 起動(dòng)性能高壓變頻器具有真正意義上的軟起動(dòng)功能，它可以使起動(dòng)電流值保持在額定電流以內(nèi)，不會(huì)對電網(wǎng)造成沖擊，也不會(huì)對所傳動(dòng)的風(fēng)機(jī)、泵類的機(jī)械設(shè)備帶來沖擊，是最理想的軟啟動(dòng)設(shè)備。液力耦合器屬于直接起動(dòng)類型，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流約為額定電流的 3－5 倍，對電網(wǎng)造成沖擊，特別是在電網(wǎng)容量受限而電機(jī)容量較大時(shí)，這種直接起動(dòng)對電網(wǎng)所造成的沖擊有時(shí)是不允許的。       d. 功率因數(shù)高壓變頻器可以保證電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)在 0.96以上。液力耦合器調(diào)速則使電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，因?yàn)橥蟿?dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)裕量都較大，輸入電流中無功分量就越大，導(dǎo)致其在低功率因數(shù)下運(yùn)行。

2）快速疊頻技術(shù)

       通過矢量算法在輸出電壓矢量上疊加可控的其他頻率分量，使電機(jī)產(chǎn)生更大的阻力矩，加快電機(jī)的制動(dòng)。       此項(xiàng)技術(shù)對于要求停機(jī)時(shí)間短的場合十分有效，一般情況下可以縮短減速時(shí)間40%左右。目前國內(nèi)其他廠家還不具備此技術(shù)。

3) 工變頻無擾切換技術(shù)   

工變頻無擾切換技術(shù)是指變頻器輸出線、電動(dòng)機(jī)輸入線、工頻電網(wǎng)三者之間無干擾的平滑切換技術(shù)。此技術(shù)對于大容量驅(qū)動(dòng)場合的變頻軟啟動(dòng)或者1臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的場合（例如多臺(tái)水泵變頻控制）十分有競爭力。

工變頻無擾切換技術(shù)通過矢量控制算法，快速同步電網(wǎng)。 當(dāng)變頻器輸出電壓的相位、頻率和幅值與電網(wǎng)同步時(shí)，通過相應(yīng)的開關(guān)投切，把電機(jī)從變頻運(yùn)行狀態(tài)平滑無沖擊地切換到工頻運(yùn)行，或者把電機(jī)從工頻運(yùn)行平滑無沖擊地切換到變頻運(yùn)行。

4) 非對稱旁路技術(shù)   

      HD9X系列高壓變頻器采用單元級(jí)聯(lián)方式，當(dāng)其中某個(gè)單元出現(xiàn)故障后，如果單元具備旁路功能（可選），通過非對稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運(yùn)行。目前國內(nèi)的廠家通常采用的是對稱旁路技術(shù)，即當(dāng)某個(gè)單元故障后，高壓變頻器將其余兩相的單元分別旁路一個(gè)，使三相對稱輸出（減少3個(gè)單元工作）。對稱旁路技術(shù)雖然可以不停機(jī)運(yùn)行，但是其輸出電壓幅值減少，此時(shí)帶負(fù)載能力大大降低。而HD9x的非對稱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓輸出幅值。

5) 雙路控制電源

         HD9X控制系統(tǒng)采用雙電源供電，控制電源失電后可正常工作；一路由用戶提供，一路由高壓變壓器繞組降到380v。兩路電源切換電路采用儲(chǔ)能電容，保證切換時(shí)平滑無擾動(dòng)。

五、現(xiàn)場應(yīng)用照片

圖二：現(xiàn)場負(fù)載照片

圖三：設(shè)備及調(diào)試照片

圖四：變頻器正常運(yùn)行HIM畫面

六、結(jié)束語

    高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要?jiǎng)恿?。在化工、冶金、電力、市政等各行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)及各種大型機(jī)械。其消耗的能源占電機(jī)總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，但目前我國的調(diào)速和起動(dòng)方法仍很落后，浪費(fèi)了大量的能源且造成機(jī)械壽命的降低。因此，推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速及起動(dòng)裝置的效益和潛力非常巨大的。     匯川技術(shù)依托多年的自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對電力行業(yè)的變頻改造具有獨(dú)到的方案解決能力，HD90系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于化工、冶金、電力、市政等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。