高压变频装置在火电厂风机的应用探讨引言
电厂中风机的流量控制是通过调节档板的开度来实现的，而这是一种经济效益差，能耗大的落后方法，造成设备损坏快，维修难度大，运行费用高，相当部分功率消耗在档板的截流调节过程中，从而造成能源的极大浪费:
(1) 造成大量节流损失，能源浪费严重，造成厂用电率高，发电单位煤耗高，污染排放量大;
(2) 在通过以机械部分的开关实现流量的调节时、部件的磨损、卡渉等影响自动调节的安全运行;
(3) 由于调节阀的漏流量等问题，造成自动调节的品质差，资源浪费，而且维护、检修费用高;
(4) 启动和低负荷时，风机的磨损大;
(5) 直接启动对电动机和电网的电流冲击很大，是厂用主要辅机电动机故障的最主要的原因，缩短设备使用寿命;
(6) 对于调峰厂，机组经常带70％左右负荷，使风机的节流损失更为加大。
针对上述情况，对风机电机进行调速改造是非常必要的。
2 改造方案比较
随着电气自动化程度的不断发展，高压电机调速产品主要有:电磁调速、液力耦合器调速、变极调速、普通串级调速、内反馈串级调速和变频调速。
2.1 电磁调速
电磁调速属于低效无级调速方式，它由恒速电动机、电磁滑差离合器组成，电磁滑差离合器安装在恒速电机和水泵中间，通过调节电磁滑差离合器的励磁电流来改变电磁滑差离合器的转差以实现调速。具有调速范围大，调速平滑，无谐波污染，装置结构及控制线路简单、运行可靠、维护方便等许多优点，但轴向安装尺寸大，若电磁滑差离合器出现故障，必须停机处理，更重要的是存在滑差损耗，当转速调到额定转速的2/3时，该损耗最大，为电机额定功率的14.8%，因此节能效果较差。
2.2 液力耦合器调速
液力耦合器调速亦属于低效无级调速方式，它由恒速电动机、液力耦合器组成，液力耦合器安装在恒速电动机和水泵等负载中间。通过调节液力耦合器内的油压来改变液力耦合器的转差以实现调速。具有调速范围大，调速平滑，无谐波污染，装置结构及控制线路简单、运行可靠、维护方便、可做成大容量等许多优点，但轴向安装尺寸大，若液力耦合器出现故障，必须停机处理，更重要的也是存在转速滑差损耗，即当转速调到额定转速的2/3时，该损耗最大，为电机额定功率的14.8%，因此节能效果较差，不能很好地满足生产与节能要求。
(1) 采用液力耦合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速响应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，影响系统稳定性;
(2) 液力耦合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在40％～90％之间;
(3) 电机直接启动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性;
(4) 在高速运行时，液力耦合器有丢转现象;
(5) 液力耦合器在调速运行时产生机械损耗和转差损耗，效率较低，造成电源浪费。
(6) 液力耦合器工作时是通过一导管调整工作腔的充液量，从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求，因此，对工作腔及供油系统需要经常维护及检修，液力耦合器经过一段时间使用，其维护比较麻烦;
(7) 液力耦合器故障时，无法再用其他方式使其拖动的水泵、风机等负载运行，必须停机检修;
(8) 耦合器运行时间稍长，会漏油严重，对环境污染大，地面被油污蚀严重;
(9) 风机和电机运行噪音大，达到90dB左右，严重影响操作人员的身体健康;
(10) 投资少，设备成本低，易回收;
(11) 在较大范围内可达到无级调速;
(12) 能空载启动电机，逐步启动风机叶轮;
(13) 风机加装液力耦合器后因为取消了硬性机械连接，产生扭矩是通过油传递，利用滑差原理柔性传动，可防止电机过载;
(14) 双台风机启动时能做到均衡各电机之间的负荷，因为液力耦合器在运行中存在滑差作用，转速调整时对传递扭矩的影响不大敏感，使各台电动机负荷可均匀分配。
2.3 变极调速
这种调速方法是通过改变定子绕组的接线方式来改变鼠笼型电动机的极对数以实现调速的，具有较硬的机械特性，稳定性良好，无转差损耗，效率高，接线简单，控制方便，成本低廉等优点，但这种调速方式是有级调速，级差较大，不能获得平滑调速，在改变极对数过程中将造成电流冲击，系统扰动，不利于稳定运行。
2.4 传统串级调速
传统串级调速属于高效调速方式，它将绕线型电动机部分转子能取出以改变电动机转差率来实现调速，并将这部分能量经变换后通过逆变变压器回馈给电网来实现节能，装置容量较小，投资较省。具有调速效率高，装置故障时可切换至全速运行，避免停产，缺点是功率因数较低，谐波污染较大。
2.5 内反馈串级调速
内反馈串级调速是在普通绕线型电动机的定子上与原定子绕组（称为主绕组）同槽嵌放在一套绕组（称为调节绕组）而制成内反馈串级调速电动机，将该电动机部分转子能量取出以改变电动机转差率来实现调速，并将这部分能量经变换后反馈给该电动机的调节绕组再利用，以产生拖动转矩，使主绕组从电网吸收的能量大幅度下降来实现节能。缺点是改变原电动机工作模式，当内反馈串级调速装置故障时，恢复原工况较困难。
2.6 变频调速
变频调速是高效调速方式，通过改变电动机定子的频率以实现调速。而且功率因数高，调速范围大，调速精度好，调速效率高，机械特性硬等优点是近代交流调速发展的必然趋势。
(1) 调速范围宽，在高压大容量变频器调速范围可以做到0～100％;
(2) 调节精度高，效率高，在正常变速范围内，变频装置的总效率在93％以上，功率因数超过0.95;
(3) 可实现真正的软启动，对电机和电网无冲击，
(4) 输入功率因数高，只吸收很少的无功功率;
(5) 设备发生故障时可随时切换至工频运转，适用于不允许停机场所的要求。
改变运行方式容易，当变频器故障时，可以通过旁路柜切换到工频状态。但目前风机类设备还不能实现当变频器故障时自动切换到工频状态。以吸风机为例:因为当风机变频运行时，风机挡板在全开位置，风机转速根据炉膛负压自动调整风机转速，当变频器故障时，技术上完全可以实现旁路开关自投，风机工频运行。但此时由于挡板在全开位置，如工频运行，此时由于挡板在全开位置，吸风量必然增大，容易造成锅炉灭火。因此变频器故障时旁路开关自投方案仍需要研究。
综合以上调速方式，高压变频调速在近几年的发展壮大中占有较大的市场分额;在高压变频技术的不断提高完善中，高压变频装置已经完全满足在电厂现场安全可靠的运行;高压变频设计趋于合理，现场使用简单，易于维护;节能效果显著，操作简单;功率因数高，可以避免设备启动时大电流的冲击;随着市场的竞争，高压变频器的价格已经趋于下降;变频器的谐波也满足电网要求。表1为高次谐波规定值;表2为高压变频器电网侧电流谐波分布一览表，图1为电流谐波含有率。
图1 电源侧高次谐波电流
表1 高次谐波规定值
表2 高压变频器电网侧电流谐波分布一览表
综合以上原因，使用高压变频器是火力发电厂风机设备调速改造的首选方案。
3 高压变频调速装置在现场的安装应用和逻辑保护关系
现就变频器在下花圆电厂＃3炉吸风机上使用做一个说明，供大家参考。系统采用“一拖一带工频旁路方案”的电气一次接线改造方案。采用DCS控制系统作调节回路。
变频系统总体说明:
由于变频器在现场运行对环境温度要求较高，一般要求环境温度低于40℃，所以变频器在现场安装应建变频机房。变频装置工作电源正常为交流220V电源，可以从本机组380V段和保安段分别取一路电源。正常一路工作，一路备用，如工作交流电源掉电，变频装置可分别通过其UPS(1kVA)装置供电（UPS可提供工作电源约30min），如UPS电量不足，则备用直流220V工作电源自动投入（220V直流工作电源分别从吸风机各自直流操作回路操作保险上口接取），增加10A直流熔断保险，装在各吸风机高压开关柜，直流掉电监视信号与变频器故障信号并接于变频器的综合故障信号，当工作直流掉电时，在机炉控制室CRT画面发变频器故障信号，吸风机变频正常运行中，如变频器报警，运行人员应分别查看变频器控制柜工控机显示器的故障信息及直流工作电源保险是否熔断。另外变频器室安装一个冷风器、空调及照明电源箱，以满足冷却和照明的需求。
正常运行时，变频器可通过炉膛负压实现闭环自动调节变频器频率，以调节风机转速，根据热工自动条件，也可开环实现手动给定输出调节。最后输出4－20mA信号。实现吸风机速度给定，CRT画面变频器操作画面中，设启、停、复位软按钮共三个，分别控制甲、乙变频器的启、停输出及重故障复位。
正常运行时，变频器若发生不影响运行的轻故障时，只发报警，高压开关不跳闸，若发生重故障，则高压开关事故跳闸，同时报警。
4 变频调速系统整体停送电操作步骤
4.1 变频系统送电步骤
检查变频器室冷风器及空调装置运行都正常;检查引风机、电机、变频器系统均无异常，且符合送电条件;从380V段分别送两路交流控制电源，合上变频器控制柜内交流控制电源小开关，合上变频器控制柜内直流控制电源小开关，控制柜内的风机开始运转，检查控制柜内的风机运行无异常，再按变频器控制柜内UPS电源按钮（正常运行后，除交流控制电源掉电外，无须按变频器控制柜内UPS电源按钮），变频器进入主界面并开始系统自检。合上变频器旁路柜输入侧刀闸并锁定，检查确已合好。合上变频器输出侧刀闸并锁定，检查确已合好。确认变频器旁路刀闸在分闸位置。检查操作器手动位并且指示最低。合A、B、C功率柜风机开关，合上6kV吸风机高压开关送电。进行送电后的检查。CRT“变频器就绪”指示弹出后，按CRT画面重启动按钮，进行吸风机的启动。如启动不成功，按一下“复位”按钮，当CRT“变频器就绪”指示再次弹出后，重新启动变频器。
4.2 变频系统停电顺序
具备停吸风机条件后，按变频器停止按钮。当变频器速度降为0后，将引风机6kV开关断开、停电。切断变频器控制柜上控制电源交流小开关，检查冷风机停止，切断直流控制电源小开关。按控制柜内UPS按钮，使UPS装置断电，变频器工控机触摸屏上无任何显示。切断A、B、C功率柜风机开关。拉开变频器输出刀闸，并锁定，检查确已经拉开。拉开变频器输入刀闸，并锁定，检查确已经拉开。进行停电后的检查。
4.3 锅炉正常启停吸风机的步骤
此步骤为吸风机没有任何检修工作时的正常操作步骤，注意不再每次停启风机时切合吸风机高压开关，但应注意此时不要在吸风机设备上进行任何工作。
(1) 锅炉正常启动风机顺序
确认变频器在送电状态，检查吸风机入口挡板全关，检查电机转速不能高速运转（±2％额定转速内）;
(2) 锅炉点火过程启动吸风机
变频器就绪显示正常，按变频器启动按钮，观察CRT显示转速自动升速至设定转速，调整入口挡板开度维持炉膛负压;
(3) 吸风机正常运行中
调整入口挡板全开，根据炉膛负压自动调整吸风机转速给定，进入正常的调整过程;
(4) 锅炉正常停止吸风机顺序
降吸风机变频给定到零，调整吸风机入口挡板到全关。按变频器停止按钮，观察转速表指示到零位。
4.4 变频器故障后旁路定速切换操作步骤
当发生变频器重故障后将掉开6kV高压开关，此时为缩短影响负荷的时间，应立即进行旁路定速切换操作:将6kV高压小车开关拉至试验位;拉开变频器旁路柜的输入、输出刀闸并锁定，检查确认拉开;合上旁路切换柜内旁路刀闸并锁定，检查确已合好;将6kV高压小车开关推入运行位;合上6kV高压开关，定速启动吸风机;通过原调整挡板方式调整风量。
5 保护功能及参数整定说明
5.1 6kV高压柜跳闸条件
(1) 按下柜门“紧急停机”按钮
(2) 变频器发生一下重故障:输入变压器线圈温度过高立即跳闸（≥130℃）;单元重故障（过压、光纤故障）;变频器过流（≥150％额定输出电流）;变频器过载（≥120％额定输出电流，1min后）;现场输入跳闸有效。
5.2 变频器报警条件
(1）变压器温度≥120℃;
(2）功率单元柜风扇坏;
(3）柜门打开;
(4）控制器未就绪（变频器上电自检过程）;
(5）单元模块故障（过热、欠压、驱动故障、电源故障、缺相）旁路运行报警;
(6）环境温度高（≥40℃）;
(7）工控机死机;
(8）直流控制电源消失。
5.3 变频器及电机保护整定
(1) 负荷保护:反时限，1.2×In（In为电机额定电流），60s;
(2) 速断保护:1.5×In;
(3) 过、欠压保护:6kV±10％;
(4) 超速保护:110％×ne(ne为电机额定转速)。
5.4 变频器工艺参数整定
(1) 升速时间（0－750r/min，80s）;
(2) 降速时间:额定转速到最小转速（约240r/min，240s）;
(3) 速度给定丢失时保持原转速（DCS输出掉电保护位）;
5.5 高压变频器巡视及维护要点
(1) 经常检查室内温度，注意室内温度不超过40℃，当温度过高，要采取相应措施;
(2) 室内保持清洁卫生;
(3) 经常检查变频器是否有异常声响，异味，柜体是否发热。排风口是否有异味;
(4) 经常用一张A4纸检查功率柜进风口风量（A4纸应能被过滤网牢牢吸住，如有问题及时排除更换过滤网或检查风扇是否有问题）;
(5) 变频器投运头一个月内，利用停机机会，将变频器停电，将所有进出线电缆及功率单元之间连接电缆紧固一遍，以后每六个月定期紧固一遍（包括控制线），并用吸尘器将柜内灰尘清除干净;
(6) 经常记录变频器运行情况（电压、电流、速度、功率等），发生跳闸时，要记录下故障情况，查明原因并消除后方可再次送电;
(7) 遥测电动机绝缘时，要将变频器停电，并拉开其输入输出刀闸，严防带变频器遥测电机绝缘，以防损坏变频器;
(8) 要加强对变频器工作电源的维护，严防交流、直流工作电源同时掉电，要加强变频器室空调的维护，确保变频器冷却不超温;
(9) 变频器控制柜面板上有一紧急停止按钮，按下为高压开关掉闸，使吸风机停运，拉出为正常运行位，正常运行时要严防人员误碰。
6 结束语
电厂节能环保主要表现在系统高效安全运行和流量的有效调节等几方面。随着火力发电厂的生产过程经济性方面要求的提高，电厂必须走节能降耗、提高经济效益之路，推广高压变频器在电厂风机系统优化运行有十分重要的社会效益和经济价值。
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