轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)在烏斯太發(fā)電有限責任公司 凝結(jié)水泵的應(yīng)用

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    摘要：轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用于高壓大容量異步電動機節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域的一種比較先進的調(diào)速系統(tǒng)。本文介紹了凝結(jié)水泵應(yīng)用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速 凝結(jié)水泵 節(jié)能 調(diào)速
    前言：風機和水泵在國民經(jīng)濟各部門中應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機裝機總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。據(jù)估計，提高風機和水泵系統(tǒng)運行效率的節(jié)能潛力可達（300～500）億kW•h/年，相當于6～10個裝機容量為1000MW級的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。
    烏斯太發(fā)電有限責任公司位于內(nèi)蒙古烏海市，風機和水泵是我廠最主要的耗電設(shè)備，加上這些設(shè)備都是長期連續(xù)運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態(tài)，其節(jié)能潛力巨大。發(fā)電廠輔機電動機的經(jīng)濟運行，直接關(guān)系到廠用電率的高低。隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分家、競價上網(wǎng)等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本提高電價競爭力，已成為各發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟目標。
烏斯太發(fā)電有限責任公司應(yīng)用了多臺轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)過長時間的實踐運行，產(chǎn)品可靠性及性能得到檢驗，收到了顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。
一、 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及技術(shù)特點
1）轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理
    SAVER系列轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)是河北泰達節(jié)能設(shè)備科技有限公司在傳統(tǒng)串級調(diào)速理論基礎(chǔ)上，和當代先進電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)、微機控制技術(shù)而發(fā)展起來的最新成果。其獨有的以轉(zhuǎn)子控制定子、以低壓控制高壓、以部分轉(zhuǎn)差功率控制全部功率的技術(shù)，使其在眾多風機和水泵用高壓大中功率電動機的調(diào)速方案中獨樹一幟，具有其它調(diào)速方案不可替代的優(yōu)越性。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示。

                           轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    SAVER系列轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)是通過在轉(zhuǎn)子回路串入等效電勢，改變其大小來改變電機轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率回饋給電機電源的節(jié)能調(diào)速方法。內(nèi)反饋繞組及固定逆變角的逆變器構(gòu)成固定的電勢源吸收轉(zhuǎn)差功率，IGBT斬波器由PWM信號控制，形成可變的轉(zhuǎn)子回路等效電勢。
2）SAVER系列轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)是由高壓開關(guān)柜、內(nèi)反饋調(diào)速電機、轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置及遠方控制系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置由起動柜和變頻柜組成。
轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置主要由以下幾個部分組成：




起動柜內(nèi)部說明
    起動柜內(nèi)部主要包括起動裝置、整流器（ZP1-6）、控制、操作部分及顯示。
    起動裝置主要包括頻敏變阻器（PBR）、真空接觸器（KM1-3）。大型電動機，特別是繞線式電動機，在電機起動時會對電網(wǎng)造成較大的沖擊，產(chǎn)生一個較大的起動電流。為減少起動電流，使電機平穩(wěn)起動，在調(diào)速裝置中，加設(shè)了自動切換的起動裝置。在電機起動時， KM1閉合， KM2打開，電機轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器PBR。頻敏變阻器的電阻與流過的電流的頻率成正比關(guān)系，當電機起動時，電機轉(zhuǎn)速為零，轉(zhuǎn)子電流頻率最高，為工頻頻率，此時頻敏變阻器阻值也較高，從而限制了起動電流。隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸減少，頻敏變阻器阻值也逐漸減小。當電機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時，裝置自動將KM2閉合，切除頻敏變阻器，電機進入全速工作狀態(tài)或調(diào)速工作狀態(tài)（根據(jù)觸摸屏設(shè)定而定），完成起動過程。
整流器
    整流單元為三相橋式整流，將轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換為直流電流。
逆變器
    逆變部分為三相全橋有源逆變器，裝置工作于調(diào)速狀態(tài)時，將經(jīng)斬波控制后的轉(zhuǎn)差功率逆變至內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器。逆變觸發(fā)角為最小的固定值，克服了移相觸發(fā)對觸發(fā)脈沖和換相要求嚴格、脈沖移動范圍大、抗干擾能力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點。
控制、操作部分及顯示
    主要包括觸摸屏、普通按鈕、顯示儀表、可編程控制器、小型斷路器、電源、鑰匙開關(guān)及對外接線端子排。起動柜有兩種操作、顯示部分，別為觸摸屏和普通按鈕及顯示表計部分。兩種操作相互獨立。觸摸屏可進行邏輯切換、升降速、系統(tǒng)設(shè)置等操作（詳見第五章）。內(nèi)部普通按鈕可進行邏輯切換。顯示儀表可顯示一次電流、轉(zhuǎn)子電壓（直流），轉(zhuǎn)子電流（直流），轉(zhuǎn)速，反饋電壓，反饋電流。可編程控制器用來進行自動控制。小型斷路器分三相交流和直流兩部分，同時給電源供電。鑰匙開關(guān)控制柜內(nèi)所有控制電源，包括直流、交流電，在運行過程中嚴禁斷開。
變頻柜內(nèi)部說明
    變頻柜內(nèi)主要包括斬波器、驅(qū)動板、及控制板組成。
電路工作時，逆變器的逆變角恒處于最小βmin處不變，轉(zhuǎn)子回路附加電勢調(diào)節(jié)由斬波開關(guān)來完成。斬波開關(guān)以恒頻調(diào)寬方式工作，即工作頻率一定，而開關(guān)導通時間可調(diào)。這樣，通過調(diào)節(jié)斬波開關(guān)導通時間與斬波周期的比率（即占空比或PWM調(diào)制脈寬），來改變串入轉(zhuǎn)子回路的等效電勢的大小，從而改變轉(zhuǎn)子電流，來達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。
3）SAVER系列轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要特點
  平滑無級調(diào)速性能：在調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速。
  調(diào)速效率高：由于調(diào)速控制裝置僅控制電機的部分容量，所以其損耗更小，調(diào)速效率更高，節(jié)電效果更好。
  良好的起動性能：采用頻敏變阻器起動方式，起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，起動迅速，整個起動過程自動切換。
  靈活方便的調(diào)速控制方式：可實現(xiàn)調(diào)速運行與全速運行的轉(zhuǎn)換，開環(huán)運行與閉環(huán)運行轉(zhuǎn)換（或手動運行與自動運行的轉(zhuǎn)換），就地控制與遠方控制的轉(zhuǎn)換。可方便實現(xiàn)與DCS 系統(tǒng)或其它計算機網(wǎng)絡(luò)連接。
  充分的過載能力：電機的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)不低于國家標準所規(guī)定的1.8倍。
  理想的靜態(tài)精度：轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)精度≥99.8%，完全滿足風機、水泵類負載的要求。
  理想的動態(tài)精度：采用轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)控制，既保證了轉(zhuǎn)速的動態(tài)精度又能有效抑制過載電流。
  完善的保護措施：除常規(guī)的過壓、過流等保護措施外，當系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)的故障檢測裝置能將電機轉(zhuǎn)入用戶可選擇的全速運行或停車，同時提供文字或燈光報警。
  主斬波回路采用可自關(guān)斷的大型功率器件IGBT系統(tǒng)更為簡單，可靠。
  全部電力電子功率器件散熱均采用熱管散熱與強制風冷相結(jié)合技術(shù)，散熱效果更好，系統(tǒng)更可靠。
  電子線路采用微機控制和鎖相環(huán)脈沖控制，自動化程度高、抗干擾能力強。
  多重隔離和抗干擾設(shè)計，裝置具有很強的抗干擾能力。
  交直流雙電源供電的高可靠工作電源設(shè)計。
4）SAVER系列轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標
 電機額定電壓： 3KV、6KV、10KV
 電機額定功率： 200～5600KW
 調(diào)速范圍： 一般(50～98)%ne +100%ne
 電機極數(shù)： 4～24極
 額定頻率： 50HZ±2%
 平均調(diào)速效率： η＞98.9%
 額定功率因數(shù)： ＞0.85
 額定直流電流： 315～3000A
 額定直流電壓： 125～2500V
 起動電流： 2.5～3倍的額定電流
 諧波含量： ≤3%
 過載能力： 1.8倍的額定負載
 調(diào)速精度： ≥99.8%
二、應(yīng)用情況
    烏斯太發(fā)電有限責任公司2X300MW機組工程四臺凝結(jié)水泵電機采用了轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)，于2007年3月23日投入運行，至2005年4月30日期間，烏斯太發(fā)電有限責任公司對該系統(tǒng)進行跟蹤監(jiān)測，并對部分數(shù)據(jù)進行了重點測試。
以下為烏斯太發(fā)電有限責任公司2X300MW機組工程#1凝結(jié)水泵電機及#1凝結(jié)水泵的測試數(shù)據(jù)。
（一）1#凝結(jié)水泵電機
電機技術(shù)參數(shù)
電機型號：YRLKKNT560-4 電壓：6.3KV 額定電流：135A
功率：1250KW 額定轉(zhuǎn)速：900-1488轉(zhuǎn)/分
（二）測試結(jié)果

（三）測試結(jié)果分析
1）全速狀態(tài)：
    全速時，通過檢測：電機振動為16.3um，符合國家標準，；電機溫度在44-56℃之間，在正常范圍之內(nèi)。
2）調(diào)速狀態(tài)：
1、節(jié)電率
表4 節(jié)電率統(tǒng)計表

2、轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍與精度
    轉(zhuǎn)速實測：調(diào)速狀態(tài)下對984r/min至1450 r/min進行了實測， 由于系統(tǒng)負載為離心式水泵，當轉(zhuǎn)速小于984 r/min時，水泵已不能正常工作，未能進行更低轉(zhuǎn)速測試。
調(diào)速靜態(tài)精度達1轉(zhuǎn)（99%）。
3、調(diào)速狀態(tài)電機轉(zhuǎn)速和電機與水泵的振動關(guān)系 
   電機振動符合國家標準，并且可以看出電機振動，隨轉(zhuǎn)速下降而降低。
4、轉(zhuǎn)速與占空比
   可以看出，轉(zhuǎn)速隨占空比減小而減小，且基本呈線性變化。
5、電機溫度與轉(zhuǎn)速及占空比
   可以看出，電機溫度隨轉(zhuǎn)速減小而降低。
三、結(jié)論
1、 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置運行可靠，節(jié)能效果明顯，已達到項目實施目的。
2、 節(jié)電率：節(jié)電率隨轉(zhuǎn)速下降而增長，轉(zhuǎn)速越低節(jié)能效果越明顯。
3、 調(diào)速的平穩(wěn)性與連續(xù)性：
該電機采用頻敏變阻器啟動方式，啟動電流小，電機啟動的沖擊小。電機由全速轉(zhuǎn)調(diào)速狀態(tài)時，電機轉(zhuǎn)速由最高轉(zhuǎn)速平滑降至設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速變化連續(xù)性、平穩(wěn)性好。同時調(diào)速系統(tǒng)溫升不高，運行穩(wěn)定可靠。
4、 電機振動與溫升
電機振動在16-12.3um之間，符合國家標準，并且可以看出電機振動，隨轉(zhuǎn)速下降而降低（見表2）；電機溫度在64-68℃之間，在正常范圍之內(nèi)。由此可見，電機運行穩(wěn)定可靠。
四、結(jié)束語
轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)在我廠順利投入生產(chǎn)以來，運行一直較為穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果非常明顯，實踐證明，該系統(tǒng)調(diào)速效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資回收期短。確實不失為一種較好的調(diào)速方法，具有很強的實用性和經(jīng)濟性。