關(guān)鍵詞：變頻，調(diào)速，液力偶合器、： 利德華福的HARSVERT-A系列變頻器 等。
引言
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)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢，電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。
高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能勝過其它任何一種調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、內(nèi)反饋串級調(diào)速和液力偶合調(diào)速）。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào)速范圍，完善的電力電子保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來了極大的便利，使之成為國內(nèi)外企業(yè)采用電機(jī)節(jié)能方式的首選。
變頻調(diào)速的方法及節(jié)能原理
變頻調(diào)速的方法
變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的目的。
交流異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：
n=60f(1—S)/p （1）
式中 n——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；
f——輸入的電源頻率；
S——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；
p——電機(jī)的極對數(shù)。
由公式(1)可知，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對數(shù)有關(guān)系，因而交流電動(dòng)機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速(調(diào)整p)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機(jī)(調(diào)整S)和變頻調(diào)速(調(diào)整f)等。
變頻調(diào)速器從電網(wǎng)接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)制變換方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行。
將工頻交流電變換成為可變頻的交流電輸出的變換方法主要有兩種：一種稱為直接變換方式，又稱為交—交變頻方式，它是通過可控整流和可控逆變的方式，將輸入的工頻電直接強(qiáng)制成為需要頻率的交流輸出，因而稱其為交流—交流的變頻方式。另一種稱為間接變換方式，又稱為交-直-交變頻方式，它是先將輸入的工頻交流電通過全控/半控/不控整流變換為直流電，再將直流電通過逆變單元變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出。
調(diào)速節(jié)能的原理
通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)（或水泵）類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力（揚(yáng)程）H以及軸功率P具有如下關(guān)系：
Q1/ Q2＝n1/n2 （2）
H1/ H2＝（n1/n2）2 （3）
P1/ P2＝（n1/n2）3 ?。?）
式中 Q1、H1、P1——風(fēng)機(jī)（或水泵）在 n1轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、壓力（或揚(yáng)程）、軸功率；
Q2、H2、P2——風(fēng)機(jī)（或水泵）在n2轉(zhuǎn)速時(shí)的相似工況條件下的流量、壓力（或揚(yáng)程）、軸功率。
由公式(2)、(3)、(4)可知，風(fēng)機(jī)（或水泵）的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力（或揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。
由公式(4)可知，在其它運(yùn)行條件不變的情況下，通過下調(diào)電機(jī)的運(yùn)行速度，其節(jié)電效果是與轉(zhuǎn)速降落成立方的關(guān)系，節(jié)電效果非常明顯。例如工況只需要50％的風(fēng)量或水量，則可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，此時(shí)電機(jī)消耗的功率僅為額定的12.5％，即理論上節(jié)能可達(dá)87.5％。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)與液力偶合器的比較
液力偶合器存在的主要缺陷
火力發(fā)電廠一般采用液力偶合器進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)速的居多，由于液力偶合器本身具有如下技術(shù)缺陷，在電廠中將無法較好地滿足安全生產(chǎn)的要求。
a． 液力偶合器調(diào)速屬耗能型調(diào)速方式，在調(diào)速范圍較大時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械損耗和轉(zhuǎn)差損耗，消耗能量，效率較低，節(jié)能效果一般。
b． 液力偶合器是一種以液體為介質(zhì)，靠液體動(dòng)量矩的變化傳遞能量的裝置，工作時(shí)是通過一導(dǎo)管調(diào)整工作腔的充液量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉(zhuǎn)速來滿足工況要求。因此，對工作腔及供油系統(tǒng)需經(jīng)常維護(hù)及檢修。
c． 液力偶合器故障時(shí)，無法再用其它方式使其拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，必須停電檢修。
d． 采用液力偶合器時(shí)，在低速向高速運(yùn)行過程中，延遲性較明顯，不能快速響應(yīng)，同時(shí)這時(shí)候的電流較大，如整定不好會引起跳閘，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
e．液力偶合器本身控制精度差，調(diào)速范圍窄，通常在40％～90％之間。
f．電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流較大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
g．在高速運(yùn)行時(shí)，液力偶合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會影響工作的正常進(jìn)行。
從以上情況來看，如果繼續(xù)使用液力偶合器，將會制約電廠節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、增加企業(yè)競爭力的目的。
高壓變頻器具有的優(yōu)點(diǎn)
現(xiàn)在有很多電力企業(yè)已經(jīng)采用新型的高壓大功率變頻調(diào)速裝置拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，取得了良好的應(yīng)用效果。同傳統(tǒng)的液力偶合器比較，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A高壓變頻器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
a．采用先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與輸入變壓器副邊多級繞組移相整流技術(shù)，減少了輸出側(cè)的電流諧波，提高了功率因數(shù)，解決了對電網(wǎng)的諧波污染，無需任何濾波或功率因數(shù)的補(bǔ)償。
b．電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，變頻器提供給電機(jī)的無諧波干擾的正弦波電流，峰值電流和峰值時(shí)間大為減少，可消除對電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過電壓而損傷電機(jī)絕緣，延長了電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)、水泵的使用壽命。同時(shí)，變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機(jī)、水泵處于共振點(diǎn)運(yùn)行的可能性，使風(fēng)機(jī)、水泵工作平穩(wěn)，軸承磨損減少，啟動(dòng)平滑，消除了機(jī)械的沖擊力，提高了設(shè)備的使用壽命。
c．變頻器自身保護(hù)功能完善，同原來繼電保護(hù)比較，保護(hù)功能更多，更靈敏，瞬間過流保護(hù)(超過200%額定電流峰值)10μs,動(dòng)作有效過流保護(hù)(150%額定電流)3s動(dòng)作，過載保護(hù)(120%額定電流)1min動(dòng)作，大大加強(qiáng)了對電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。
d．調(diào)速工段內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制由機(jī)組DCS完成，DCS負(fù)責(zé)采集模擬量、開關(guān)量等信號，變頻器輸出的模擬量、開關(guān)量信號全部進(jìn)入DCS系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)輔機(jī)聯(lián)鎖功能等。
e．采用變頻調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了擋板、閥門全開，減少了擋板、閥門節(jié)流損失，且能均勻調(diào)速，滿足調(diào)峰需要，節(jié)約了大量的電能，具有顯著的節(jié)電效果。
f．整機(jī)的運(yùn)行噪音改善明顯：采用液力偶合器時(shí)，無論低速高速，由于電機(jī)均處于工頻運(yùn)行，整機(jī)的噪音明顯，達(dá)到90dB左右，但是進(jìn)行變頻改造后，整機(jī)的運(yùn)行頻率下降至40Hz左右，電機(jī)的運(yùn)行噪音明顯下降，低于80dB,在低速運(yùn)行時(shí)基本上聽不到噪音，達(dá)到65dB以下，大大改善了現(xiàn)場的噪音污染。
g．由于電機(jī)降低速度運(yùn)行以及工作在高效率區(qū)，電機(jī)的溫升和軸承溫升下降明顯：電機(jī)溫升由采用液力偶合器時(shí)的59℃下降至44℃，電機(jī)的前后軸承的溫度都有相應(yīng)的下降，延長了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。
h．低負(fù)荷下轉(zhuǎn)速降低，減少了機(jī)械部分的磨損和振動(dòng)，延長了風(fēng)機(jī)大修周期，可節(jié)省大量的檢修費(fèi)用。
i．日常維護(hù)保養(yǎng)工作量和費(fèi)用下降：采用液力偶合器估計(jì)每年的維護(hù)費(fèi)用在5萬元左右，采用變頻器后，這項(xiàng)費(fèi)用下降為數(shù)千元左右。
j．調(diào)速范圍：采用液力偶合器調(diào)速范圍具有相當(dāng)大的限制，采用變頻器后，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速，系統(tǒng)調(diào)頻范圍0～50Hz，大大地增強(qiáng)了工藝調(diào)節(jié)能力。
高壓變頻調(diào)速同液力偶合器調(diào)速經(jīng)濟(jì)比較
為了檢測高壓變頻裝置的節(jié)能情況，某電廠在風(fēng)機(jī)上采用液力偶合器與北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARSVERT-A高壓變頻裝置調(diào)速作對比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如下：
a． 采用變頻器拖動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)
高速狀態(tài)：
P1 = UIcosф= 1.732×6.3×40.2×0.96＝419.00544kW
低速狀態(tài)：
P2 = UIcosф= 1.732×6.3×18×0.95＝186.58836kW
平均功率 P=P1×0.8+P2×0.2=372.52kW(高速狀態(tài)約80％，低速狀態(tài)為20％)
b． 采用液力偶合器時(shí)
高速狀態(tài)：
P1’ = UIcosф= 1.732×6.3×52×0.93＝527.68kW
低速狀態(tài)：
P2’ = UIcosф= 1.732×6.3×44×0.9＝432.1kW
平均功率 P’=P1’×0.8+P2’ ×0.2=508.564W (高速狀態(tài)約80％，低速狀態(tài)為20％)
c. 采用變頻調(diào)速和采用液力偶合器調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能率對比
F=(P’-P)/P=(508.564-375.52)/508.564=26.17%
結(jié)論：
變頻改造后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率明顯提高，比液力偶合器調(diào)速節(jié)電26.17%。
變頻器節(jié)能分析
火力發(fā)電企業(yè)消耗的廠用電量中，75％以上的負(fù)荷為水泵與風(fēng)機(jī)，這些水泵與風(fēng)機(jī)都是經(jīng)過調(diào)整門擋板來實(shí)現(xiàn)的，不但調(diào)節(jié)質(zhì)量差、響應(yīng)慢，而且存在著浪費(fèi)電能的問題。
風(fēng)機(jī)節(jié)能分析
風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制
送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)是火電廠中的耗電大戶，其耗電量約占廠用電量的30％、占機(jī)組發(fā)電量的2％—4％。因此，正確選擇送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式，對火電廠的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義。
電機(jī)以定速運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量典型的方法是采用擋板控制。根據(jù)擋板在風(fēng)道中的安裝位置可分為出口擋板控制和入口擋板控制，采用擋板控制時(shí)，當(dāng)擋板關(guān)小則增加風(fēng)阻，且不能在寬范圍調(diào)節(jié)風(fēng)量。例如，要求風(fēng)量在80％的情況下，電機(jī)消耗的功率約為90％，能量損失嚴(yán)重。
風(fēng)機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，保持擋板全開，通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量，采用變頻控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗的功率＝（80％）3≈50％，與其他控制相比，轉(zhuǎn)速控制的節(jié)電效果十分明顯。電廠風(fēng)機(jī)的各種調(diào)速裝置的比較，見圖1示。
1——輸出端風(fēng)門控制時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率
2——輸入端風(fēng)門控制時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率
3——轉(zhuǎn)差功率調(diào)節(jié)控制（轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)或液力
偶合器）時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率
4——變頻器調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸入功率
5——調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)軸功率
送風(fēng)機(jī)變頻改造后的節(jié)能分析
某電廠使用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARSVERTHARSVERT-A高壓變頻器，選定在機(jī)組帶50％、75％、100％負(fù)荷3種工況下對#4爐2臺送風(fēng)機(jī)進(jìn)行工頻和變頻2種運(yùn)行方式下的對比試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行工況和測試計(jì)算結(jié)果見表1。
從表1可以看出，送風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)方式運(yùn)行效率基本在75％～80％，而工頻調(diào)節(jié)方式運(yùn)行效率為55％左右(圖2)；機(jī)組在100MW、150MW、200MW負(fù)荷時(shí)，2臺送風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行每小時(shí)分別節(jié)電750kW·h、602.5kW·h、733.6kW·h。變頻改造后，送風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率明顯提高，節(jié)電效果顯著。
#4爐2臺送風(fēng)機(jī)變頻改造后以年運(yùn)行7000h計(jì)算，全年可節(jié)約電量4928770kW·h。按該公司上網(wǎng)電價(jià)0.30元/(kW·h)計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)效益約為148萬元。
水泵節(jié)能分析
水泵流量控制
水泵是由恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)出口閥及調(diào)節(jié)閥控制水的流量和壓力，通過人為增加阻力和回流的辦法達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，因而在運(yùn)行中產(chǎn)生了大量的能量損失。
水泵的轉(zhuǎn)速在某一范圍內(nèi)變化時(shí)，流量、總揚(yáng)程、軸功率依次有線性、平方、立方關(guān)系。但對于實(shí)際的水泵負(fù)載，通常存在一個(gè)與高低差有關(guān)的實(shí)際揚(yáng)程，揚(yáng)程越小，軸功率越接近于同轉(zhuǎn)速成立方的定常特性，而且轉(zhuǎn)速控制產(chǎn)生的節(jié)電效果也越大。根據(jù)實(shí)際調(diào)查表明一般老電廠大型水泵平均流量的余量大于20％，即有多于20％的流量損耗在節(jié)流閥和回流調(diào)節(jié)上，若所需要的流量減少20％，則相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也應(yīng)降低20％，即實(shí)際轉(zhuǎn)速為80％，則根據(jù)流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式我們可得出：(80%)3≈51％，即按此工況水泵節(jié)電近50％。由此可見，節(jié)能潛力之大，效益之高。電廠水泵的各種調(diào)速裝置的比較，見圖2示。
1——排出管路閥門控制時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率
2——轉(zhuǎn)差功率調(diào)節(jié)控制（轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)或液力
偶合器）時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率
3——變頻器調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸入功率
4——調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)軸功率
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近l，工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電廠節(jié)約容量20%左右。
凝結(jié)水泵變頻改造后的節(jié)能分析
某電廠使用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARSVERT-A高壓變頻器，選定在機(jī)組帶350MW、315MW、280MW、240MW、210MW、175MW負(fù)荷6種工況下對某電廠#1機(jī)1臺凝結(jié)水泵進(jìn)行工頻和變頻兩種運(yùn)行方式下的對比試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行工況和測試計(jì)算結(jié)果見表2。
凝結(jié)水泵改造為變頻無級調(diào)節(jié)運(yùn)行后，一方面減少了運(yùn)行中的節(jié)流損失，凝結(jié)水泵電流下降，起到節(jié)能作用，另一方面由于凝結(jié)水泵出口水壓的下降，大大改善了低壓加熱器的工作條件，減少了低壓加熱器泄漏，降低了檢修工作量，取得了較為明顯的安全和經(jīng)濟(jì)效益。
工頻運(yùn)行時(shí)，累計(jì)年耗電量為：
Cd=7000×（652.55×10%＋633.38×5%＋617.61×20%＋609.0×5%＋564.38×10%＋539.24×50%）= 4038675.227 kW?h
因此，采用工頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為403.9萬kW?h。
變頻運(yùn)行時(shí)，累計(jì)年耗電量為：
Cb=7000×（573.58×10%＋454.18×5%＋384.14×20%＋349.95×5%＋44.09×10%＋193.92×50%）= 2070343.933 kW?h
因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為207.0萬kW?h。
節(jié)能計(jì)算：
年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb = 403.9- 207.0 = 196.9 萬kW?h
節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100% =（196.9/ 403.9）×100% = 48.75%
按該公司上網(wǎng)電價(jià)0.334元/(kW·h)計(jì)算，則每年直接經(jīng)濟(jì)效益196.9×0.334=65.765萬元。
結(jié)論
隨著廠網(wǎng)分開，竟價(jià)上網(wǎng)改革的深入，節(jié)能已成為各發(fā)電企業(yè)的重要工作，只有降低廠用電率、降低發(fā)電成本才能提高上網(wǎng)電價(jià)的競爭力，因此，采用變頻技術(shù)對電廠輔機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，是各電廠的當(dāng)務(wù)之急。
經(jīng)過現(xiàn)場的運(yùn)行，證明北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的HARSVERT-A高壓大功率變頻器性能好，可靠性高，其節(jié)能效果明顯優(yōu)于其他任何一種調(diào)速方式，特別是在低負(fù)荷時(shí)更為顯著。電廠輔機(jī)采用變頻調(diào)速后，提高了機(jī)組自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，大大改善了電機(jī)的啟動(dòng)性能，延長了電機(jī)的壽命，在老電廠的大功率風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，是理想的節(jié)能項(xiàng)目，一般1～3年即可收回設(shè)備改造投資成本。
作者簡介：劉英肖（1968.11-），男，工程師，從事發(fā)電廠電氣設(shè)備檢修及技術(shù)管理工作。
（轉(zhuǎn)載）
