變頻調(diào)速的方法及節(jié)能原理

變頻調(diào)速的方法及節(jié)能原理交流異步電動機的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：n=60f(1—S)/p(1)式中n——電動機的輸出轉(zhuǎn)速；f——輸入的電源頻率；S——電動機的轉(zhuǎn)差率；「一一電機的極對數(shù)。由公式(1)可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關(guān)系，因而交流電動機的直接調(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(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)膹娭谱儞Q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機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行。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，又稱為交一交變頻方式，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制成為需要頻率的交流輸出，因而稱其為交流一交流的變頻方式。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(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(揚程)H以及軸功率？具有如下關(guān)系：Q1/Q2=n1/n2(2)H1/H2=(n1/n2)2(3)P1/P2=(n1/n2)3(4)式中Q1、H1、P1——風(fēng)機(或水泵)在n1轉(zhuǎn)速時的流量、壓力(或揚程)、軸功率；Q2、H2、P2——風(fēng)機（或水泵）在n2轉(zhuǎn)速時的相似工況條件下的流量、壓力（或揚程）、軸功率。由公式（2）、（3）、（4）可知，風(fēng)機（或水泵）的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力（或揚程）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，在其它運行條件不變的情況下，通過下調(diào)電機的運行速度，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，則可以將電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，此時電機消耗的功率僅為額定的12.5%，即理論上節(jié)能可達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行風(fēng)機調(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。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，產(chǎn)生機械損耗和轉(zhuǎn)差損耗，消耗能量，效率較低，節(jié)能效果一般。液力偶合器是一種以液體為介質(zhì)，靠液體動量矩的變化傳遞能量的裝置，工作時是通過一導(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)常維護及檢修。液力偶合器故障時，無法再用其它方式使其拖動的風(fēng)機運行，必須停電檢修。d.采用液力偶合器時，在低速向高速運行過程中，延遲性較明顯，不能快速響應(yīng)，同時這時候的電流較大，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.電機啟動時，沖擊電流較大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。g.在高速運行時，液力偶合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響工作的正常進行。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)速裝置拖動風(fēng)機，取得了良好的應(yīng)用效果。同傳統(tǒng)的液力偶合器比較，高壓變頻器具有以下優(yōu)點：采用先進的拓?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)的補償。電動機實現(xiàn)了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，峰值電流和峰值時間大為減少，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絕緣，延長了電動機和風(fēng)機、水泵的使用壽命。同時，變頻器設(shè)置共振點跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風(fēng)機、水泵處于共振點運行的可能性，使風(fēng)機、水泵工作平穩(wěn)，軸承磨損減少，啟動平滑，消除了機械的沖擊力，提高了設(shè)備的使用壽命。變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，瞬間過流保護（超過200%額定電流峰值）10^,動作有效過流保護（150%額定電流）3動作，過載保護（120%額定電流）1min動作，大大加強了對電動機的保護。調(diào)速工段內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制由機組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)量信號全部進入DCS系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，同時實現(xiàn)相關(guān)輔機聯(lián)鎖功能等。采用變頻調(diào)節(jié)，實現(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。整機的運行噪音改善明顯：采用液力偶合器時，無論低速高速，由于電機均處于工頻運行，整機的噪音明顯，達到90dB左右，但是進行變頻改造后，整機的運行頻率下降至40Hz左右，電機的運行噪音明顯下降，低于80dB，在低速運行時基本上聽不到噪音，達到65dB以下，大大改善了現(xiàn)場的噪音污染。由于電機降低速度運行以及工作在高效率區(qū)，電機的溫升和軸承溫升下降明顯：電機溫升由采用液力偶合器時的59°C下降至44°C，電機的前后軸承的溫度都有相應(yīng)的下降，延長了風(fēng)機系統(tǒng)的使用壽命。低負(fù)荷下轉(zhuǎn)速降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了風(fēng)機大修周期，可節(jié)省大量的檢修費用。日常維護保養(yǎng)工作量和費用下降：采用液力偶合器估計每年的維護費用在5萬元左右，采用變頻器后，這項費用下降為數(shù)千元左右。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，實現(xiàn)智能調(diào)速，系統(tǒng)調(diào)頻范圍0?50Hz，大大地增強了工藝調(diào)節(jié)能力。為了檢測高壓變頻裝置的節(jié)能情況，某電廠在風(fēng)機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，數(shù)據(jù)如下：采用變頻器拖動風(fēng)機時高速狀態(tài)：P1二UIco山=1.732某6.3某40.2某0.96=419.00544kW低速狀態(tài)：P2二UIco山=1.732某6.3某18某0.95=186.58836kW平均功率P=P1某0.8+P2某0.2=372.52kW(高速狀態(tài)約80%，低速狀態(tài)為20%)采用液力偶合器時高速狀態(tài)：P1’=UIco山=1.732某6.3某52某0.93=527.68kW低速狀態(tài)：P2’=UIco山=1.732某6.3某44某0.9=432.1kW平均功率P’=P1’某0.8+P2’某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)機運行效率明顯提高，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，這些水泵與風(fēng)機都是經(jīng)過調(diào)整門擋板來實現(xiàn)的，不但調(diào)節(jié)質(zhì)量差、響應(yīng)慢，而且存在著浪費電能的問題。風(fēng)機節(jié)能分析風(fēng)機風(fēng)量控制送風(fēng)機和引風(fēng)機是火電廠中的耗電大戶，其耗電量約占廠用電量的30%、占機組發(fā)電量的2%—4%。因此，正確選擇送風(fēng)機和引風(fēng)機的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式，對火電廠的安全和經(jīng)濟運行有著重要意義。電機以定速運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)風(fēng)機風(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，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，電機消耗的功率約為90%，能量損失嚴(yán)重。風(fēng)機在變速狀態(tài)下運行，保持擋板全開，通過改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量，采用變頻控制時，電動機消耗的功率=（80%）3孑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)門控制時電動機輸入功率2——輸入端風(fēng)門控制時電動機輸入功率3——轉(zhuǎn)差功率調(diào)節(jié)控制（轉(zhuǎn)差電動機或液力偶合器）時電動機輸入功率4——變頻器調(diào)速控制時電動機的輸入功率5——調(diào)速控制時電動機軸功率送風(fēng)機變頻改造后的節(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，選定在機組帶50%、75%、100%負(fù)荷3種工況下對#4爐2臺送風(fēng)機進行工頻和變頻2種運行方式下的對比試驗，機組運行工況和測試計算結(jié)果見表1。表1#4爐送風(fēng)機試驗工況和測試計算結(jié)果發(fā)電機（MW）100150200工頻變頻工頻變頻工頻變頻主蒸汽溫度（甲/乙）/°C534/540529/538531/534535/537538/53730/532主蒸汽壓力/MPa11.8012.1013.4313.6613.3713.41風(fēng)機入口擋板開度（甲/乙）/%25/20100/10030/30100/10038/3694/90風(fēng)機電流（甲/乙）/A80/7941/2181/8043/3690/8750/49電動機輸入功率（甲/乙）/kW729.0/720.0452.8/246.2778.4/743.2476.0/443.1886.2/822.9470.2/505.3風(fēng)機設(shè)備運行效率/%58.47/50.1475.53/75.3352.34/49.7387.00/79.5356.73/58.4252.34/49.73平均運行時間（％）603010從表1可以看出，送風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)方式運行效率基本在75%?80%,而工頻調(diào)節(jié)方式運行效率為55%左右（圖2）；機組在100MW、150MW、200MW負(fù)荷時，2臺送風(fēng)機變頻運行比工頻運行每小時分別節(jié)電750kW?h、602.5kW?h、733.6kW?h。變頻改造后，送風(fēng)機運行效率明顯提高，節(jié)電效果顯著。#4爐2臺送風(fēng)機變頻改造后以年運行7000h計算，全年可節(jié)約電量4928770kW?h。按該公司上網(wǎng)電價0.30元/（kW?h）計算，直接經(jīng)濟效益約為148萬元。水泵節(jié)能分析水泵流量控制水泵是由恒速電機驅(qū)動出口閥及調(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到調(diào)節(jié)流量的目的，因而在運行中產(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，流量、總揚程、軸功率依次有線性、平方、立方關(guān)系。但對于實際的水泵負(fù)載，通常存在一個與高低差有關(guān)的實際揚程，揚程越小，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)的電動機轉(zhuǎn)速也應(yīng)降低20%，艮口實際轉(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。—排出管路閥門控制時電動機輸入功率—轉(zhuǎn)差功率調(diào)節(jié)控制(轉(zhuǎn)差電動機或液力偶合器)時電動機輸入功率3——變頻器調(diào)速控制時電動機的輸入功率4——調(diào)速控制時電動機軸功率當(dāng)采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)為接近1，工作電流比電機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，選定在機組帶350MW、315MW、280MW、240MW、210MW、175MW負(fù)荷6種工況下對某電廠#1機1臺凝結(jié)水泵進行工頻和變頻兩種運行方式下的對比試驗，機組運行工況和測試計算結(jié)果見表2。表2#1機凝結(jié)水泵試驗工況和測試計算結(jié)果電動發(fā)電機凝結(jié)水流電動機功率凝結(jié)水泵出口壓機效平均運行(MW)量(t/h)(kW)泵效率力⑴)率時間(%)7687686856856306305995994924924214210.940.940.930.930.930.920.920.910.920.900.920.88652.55573.58633.38454.18617.61384.14609.00349.95564.38244.09539.24193.920.810.810.810.810.800.810.800.810.800.810.800.80237.56200.46255.7717423267.82158.5127477150.22310.0212484346.16110.743503152802402101751052051050凝結(jié)水泵改造為變頻無級調(diào)節(jié)運行后，一方面減少了運行中的節(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)濟效益。工頻運行時，累計年耗電量為：Cd=7000某(652.55某10%+633.38某5%+617.61某20%+609.0某5%+564.38某10%+539.24某50%)=4038675.227kWh因此，采用工頻運行時，每年凝結(jié)泵耗電量約為403.9萬kWh。變頻運