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發(fā)電廠高壓電機(jī)調(diào)速方式的選擇和應(yīng)用

2011-06-01 05:50孟江紅
山西電力 2011年4期
關(guān)鍵詞:變流變頻變頻器

孟江紅

(山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山西 太原 030001)

發(fā)電廠高壓電機(jī)調(diào)速方式的選擇和應(yīng)用

孟江紅

(山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山西 太原 030001)

論述了高壓電機(jī)的調(diào)速方式,通過(guò)對(duì)高壓變頻調(diào)速和高頻斬波調(diào)速的技術(shù)原理分析,以及兩種調(diào)速方式的節(jié)能比較,提出了調(diào)速裝置的適用范圍。

高壓電機(jī);變頻;調(diào)速;節(jié)能

0 引言

我國(guó)人口眾多,能源資源相對(duì)匱乏,發(fā)電成本隨著煤炭等主要資源材料的大幅度上漲而節(jié)節(jié)上升,能源緊缺已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,節(jié)約能源已勢(shì)在必行。在火力發(fā)電廠中,風(fēng)機(jī)和水泵是主要的耗能設(shè)備,通常情況下其輸入能量的15%~20%被電機(jī)和風(fēng)機(jī)或水泵本身所消耗,約35%~50%的輸入能量被擋板或閥門節(jié)流所消耗,因此對(duì)發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行節(jié)能改造具有很大的潛力。

1 大功率高壓電機(jī)的調(diào)速方式

按照理論分析,由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和泵類都是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比[1-2],當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低1/2時(shí),所需功率降至原來(lái)的1/8,由此可見調(diào)速對(duì)節(jié)能具有重要意義。

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

式中:n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;

f——電機(jī)定子頻率;

s——轉(zhuǎn)差率;

p——級(jí)對(duì)數(shù)。

由此可知,改變轉(zhuǎn)速可采用以下措施:改變定子供電頻率f,改變轉(zhuǎn)差率s,改變級(jí)對(duì)數(shù)p。

大功率高壓電機(jī)的主要調(diào)速方式有以下幾種:串級(jí)滑差調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、高頻斬波調(diào)速、高壓變頻器調(diào)速等。

1.1 串級(jí)滑差調(diào)速

串級(jí)滑差調(diào)速是通過(guò)將異步電機(jī)部分轉(zhuǎn)子能量回饋到電網(wǎng),從而改變轉(zhuǎn)子滑差來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其優(yōu)點(diǎn)是:可以回收轉(zhuǎn)差功率,安全可靠性高,易于維護(hù)檢修。缺點(diǎn):功率不能做得很大,調(diào)速范圍有限,功率因素和效率低,不易實(shí)現(xiàn)同PLC、DCS等控制系統(tǒng)的配合。適用于繞線式異步電機(jī),屬落后技術(shù)。

1.2 液力耦合器調(diào)速

液力耦合器是一種利用液體介質(zhì)傳遞轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備。其缺陷:液力偶合器是一種耗能型的機(jī)械調(diào)速裝置,轉(zhuǎn)速越低損耗越大;調(diào)速精度差,存在嚴(yán)重的非線性;液力耦合器故障時(shí)必須停電檢修;高速運(yùn)行時(shí)液力耦合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響正常運(yùn)行。

1.3 變級(jí)調(diào)速

通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子繞組級(jí)對(duì)數(shù)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)變速,調(diào)速范圍2~4級(jí),需使用專用電動(dòng)機(jī)。

1.4 高壓變頻器調(diào)速和高頻斬波調(diào)速

目前三相異步高壓電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域,主要有變頻技術(shù)和高頻斬波調(diào)速技術(shù),兩種技術(shù)都是用電力電子技術(shù)進(jìn)行交、直流電力的變流,都屬于變流技術(shù)。

2 高壓變頻調(diào)速技術(shù)

2.1 高壓變頻器調(diào)速節(jié)能原理

變頻調(diào)速是用變頻電源改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的頻率,從而改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其節(jié)能原理如下。

通過(guò)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、揚(yáng)程H以及軸功率P具有如下關(guān)系。

式中:Q0,H0,P0—— 額定轉(zhuǎn)速n0下的流量、揚(yáng)程(壓力)和軸功率。

對(duì)于電廠而言,當(dāng)用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量,要求風(fēng)量在80%左右時(shí),風(fēng)機(jī)消耗功率一般在90%左右,而當(dāng)采用變頻控制時(shí),消耗功率為80%×0.3≈50%,和常規(guī)相比節(jié)能效果明顯。

如圖1所示,當(dāng)采用擋板控制流量(設(shè)轉(zhuǎn)速為n1)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性曲線由(3)變?yōu)椋?),使流量Q1減少到Q2,工作點(diǎn)由原來(lái)的A點(diǎn)移至B點(diǎn),節(jié)省能耗為A Q1OH2和B Q2OH1的面積差,節(jié)能有限;而當(dāng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí),轉(zhuǎn)速?gòu)膎1轉(zhuǎn)為n2,電機(jī)運(yùn)行曲線由(1)變?yōu)椋?),工作點(diǎn)由原來(lái)的A點(diǎn)移至C點(diǎn),節(jié)省能耗為A Q1OH2和C Q2OH3的面積差,節(jié)能效果顯著。

圖1 流量Q、壓力H特性曲線隨轉(zhuǎn)速變化曲線示意圖

2.2 高壓變頻裝置的分類及特點(diǎn)

根據(jù)輸出電壓方式分為:高-高型和高-低-高型兩種變頻方式。

高-低-高型變頻器使用低壓變頻器需增加變壓器、無(wú)功補(bǔ)償器、諧波濾波器,變頻實(shí)現(xiàn)控制復(fù)雜,可靠性較低,且設(shè)備占地較大。在技術(shù)上不具有先進(jìn)性,造價(jià)較低廉。

高-高型變頻器:采用單元串聯(lián)方式(IGBT),利用移相疊加原理(移相變壓器) 有效抑制諧波干擾使輸出波形近乎正弦波形。其具備以下優(yōu)點(diǎn):無(wú)需增加任何輸出濾波或功率補(bǔ)償裝置;效率可高達(dá)97%,功率因數(shù)高,在無(wú)需任何補(bǔ)償裝置的情況下大于95%(負(fù)載>20%);沒有諧波引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生,可避免負(fù)載共振,延長(zhǎng)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的使用壽命;可使主電機(jī)、電纜絕緣免受dv/dt應(yīng)力損傷;電機(jī)不受共模電壓的影響;電機(jī)電纜在壓降允許范圍內(nèi)無(wú)任何長(zhǎng)度限制;對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生污染;主器件采用冗余設(shè)計(jì)可靠性高,可以適應(yīng)極端工況;功率單元自動(dòng)旁路功能,提升供電的可靠性;瞬時(shí)停電不停機(jī)功能,電源電壓發(fā)生瞬時(shí)降壓或停電(5 s以內(nèi)),變頻器不停機(jī)。在電源電壓恢復(fù)后立即重新加速,并恢復(fù)原狀。電源瞬停,300 ms以內(nèi),變頻器不會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。其接線如圖2。

圖2 高-高型變頻配置方案

變頻器效率與輸出頻率、電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見表1。

表1 變頻器效率與輸出頻率、電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 高頻斬波調(diào)速技術(shù)

與變頻調(diào)速技術(shù)不同,高頻斬波調(diào)速技術(shù)從電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制,其本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)子的電流。高頻斬波調(diào)速是近年來(lái)隨著當(dāng)代電力電子器件的進(jìn)步和交流調(diào)速技術(shù)的革命,并融合微機(jī)控制技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新方法,是我國(guó)獨(dú)有技術(shù)。高頻斬波調(diào)速是將變流裝置接在電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路,它將交流電轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行整流,通過(guò)IGBT器件的高頻斬波,改變了轉(zhuǎn)子繞組中的交流電勢(shì),通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流,實(shí)現(xiàn)工況需求的電機(jī)調(diào)速;同時(shí)將節(jié)減的電流逆變成工頻(50 Hz) 再回饋到電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)利用。由于變流裝置的逆變電路為有源逆變,所以在變流裝置中引入了直流附加電勢(shì),因此,轉(zhuǎn)子變頻的變流裝置是一種雙向變頻裝置,一方面將轉(zhuǎn)子電轉(zhuǎn)差功率逆變成工頻回饋電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)利用,另一方面將直流附加電勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c轉(zhuǎn)子頻率相同的交流附加電勢(shì),達(dá)到改變轉(zhuǎn)子電流完成電機(jī)調(diào)速的目的。由于電機(jī)的機(jī)械功率(軸功率) 通過(guò)軸輸出給負(fù)載(風(fēng)機(jī),水泵),所以轉(zhuǎn)子繞組輸出的功率只含轉(zhuǎn)差功率。這樣,轉(zhuǎn)子變頻的變流裝置僅控制轉(zhuǎn)差功率(4/27),加之轉(zhuǎn)子電壓遠(yuǎn)低于定子電壓,因此轉(zhuǎn)子變頻的控制電壓低,控制功率小,損耗小,節(jié)電率高。

4 高壓變頻調(diào)速與高頻斬波調(diào)速的對(duì)比

以下對(duì)兩種方案就幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題作逐一對(duì)比,見表2。

表2 高壓變頻調(diào)速與高頻斬波調(diào)速的對(duì)比

5 高壓變頻調(diào)速與高頻斬波調(diào)速在電廠中的應(yīng)用

5.1 節(jié)能效果

從兩種調(diào)速裝置原理可以看出,高壓變頻調(diào)速與高頻斬波調(diào)速一樣,均為可供選擇的節(jié)能調(diào)速設(shè)備,從實(shí)踐來(lái)說(shuō)節(jié)能效果也基本相當(dāng)。

5.2 設(shè)備情況

兩種調(diào)速裝置均有多個(gè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn),供貨業(yè)績(jī)也不少。但高壓變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)廠家及供貨業(yè)績(jī)均遠(yuǎn)高于高頻斬波調(diào)速裝置。目前高壓變頻調(diào)速裝置在電廠送、引風(fēng)機(jī)、給水泵、凝結(jié)水泵等輔機(jī)中應(yīng)用較多,調(diào)速、節(jié)能效果良好,但價(jià)格較高(進(jìn)口設(shè)備1 000~1 200元/kW,國(guó)產(chǎn)設(shè)備700~800元//kW)。高頻斬波調(diào)速裝置必須使用繞線式電機(jī),有電機(jī)滑環(huán)、碳刷運(yùn)行維護(hù)的問(wèn)題,并需購(gòu)置專用的內(nèi)饋電動(dòng)機(jī)。專用的內(nèi)饋電動(dòng)機(jī)與控制裝置也存在配合問(wèn)題,但價(jià)格較低(500~600元/kW)。

6 結(jié)論

變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度的性能且規(guī)格齊全,可以滿足各種不同需求,適用范圍廣,是最具發(fā)展前途的理想調(diào)速方法。

高頻斬波調(diào)速裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在高電壓、大容量的水泵、風(fēng)機(jī)用繞線電動(dòng)機(jī)調(diào)速中,顯示出突出的優(yōu)勢(shì)。

在新建工程中,2 000 kW以下的電動(dòng)機(jī)兩種調(diào)速裝置均可。但額定功率在5 000 kW以上高頻斬波調(diào)目前沒有產(chǎn)品,只能選用變頻調(diào)速。

在改造工程中,原電機(jī)為鼠籠式且不更換電機(jī)的情況下,則只能選用變頻調(diào)速,但需考慮其對(duì)占地及環(huán)境的要求。

[1] 楊興瑤.電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)[M].北京:水利電力出版社,1995:229-363.

[2] 白愷.火電廠大型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的可行性[J].華北電力技術(shù),1999(11):17-23.

[3] 陳劍光.高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式的研究[D].導(dǎo)體及電氣設(shè)備選擇文集.2007:75-82.

The Choice and Application of Speed Control Mode of High Voltage Motor

MENG Jiang-hong
(Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute,Taiyuan,Shanxi030001,China)

It elaborates the speed control modes of high voltage motor.Based on the comparison between high voltage frequency conversion mode and chopper-controlled high frequency speed control mode,the applicable scope of the speed control device is proposed.

high voltage motor;frequency conversion;speed control;energy conservation

TM31

B

1671-0320(2011)04-0053-04

2011-04-12,

2011-05-23

孟江紅(1968-),女,河北高陽(yáng)人,1991年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力分院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè),工程師,注冊(cè)電氣工程師,從事發(fā)電廠及變電站設(shè)計(jì)工作。

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