变频电器在京源涿州厂的应用及节能分析

贺建新

摘要：随着新建火力发电厂对节能降耗的要求越来越高，以及辅机设备的使用寿命对机组安全运行的重大影响。我厂根据机组调峰变负荷时相应风机和水泵出力变化和降低能耗的实际需要，为6kV电压等级凝结水泵、主机循环水泵、一次风机以及380V电压等级的热网补水泵、给煤机、翻车机等设备选配了变频器。

由于变频调速在避免节流损失、降低设备能耗方面有着显著的优点，具有无冲击启动和软停机的优良控制特性，可极大的延长辅属机械设备的使用寿命，减少设备的维护量；随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，变频器的性价比越来越高、体积越来越小、可靠性也越来越高，变频器在工业上的应用也越来越广泛。采用变频器调速技术实现节能降耗是我国重点推广的一项节能技术。经过理论和数据分析我们可以得出结论：变频器在发电厂的应用可以在节能降耗方面为发电厂带来可观的经济效益。在我厂风机、水泵中的实践应用证明了：其不仅提高了设备效率，还大大减少了设备维护、维修费用。

关键词：变频器、节能降耗、安全运行、节流损失、使用寿命

前言

随着新建火力发电厂对节能降耗的要求越来越高，以及辅机设备的使用寿命对机组安全运行的重大影响。我厂对6kV电压等级凝结水泵、主机循环水泵、一次风机以及380V电压等级的热网补水泵、给煤机、翻车机等设备选配了变频器。以满足新建机组对经济性和安全性的高标准、严要求。

1变频器原理简介

近年来，随着变频器技术越来越成熟，变频器的性价比越来越高，变频器的安全可靠性越来越高，越来越被工业上所采用，我们火力发电厂也不例外。根据机组调峰变负荷时相应风机和水泵出力变化的实际需要和降低能耗的需要，我厂为6kV电压等级的凝结水泵、主机循环水泵、一次风机等设备选配了高压变频器。还为380V电压等级的热网补水泵、给煤机、翻车机等设备选配了变频器。

现在我们简单介绍一下变频器的工作原理交流电动机的同步转速表达式为：n＝60f（1－s）/pN—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；S—电动机转差率；P—电动机极对数。

由式公式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

所谓变频调速器——它将三相工频（50Hz）交流电源（或任意电源）变换成三相电压可调、频率可调的交流电源，有时又将变频调速器称为变压变频装置VVVF。主要用于交流电动机（异步机或同步机）转速的调节。一个交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动器、交流电动机和控制器三大部分组成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑变化。

变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，代表今后电气传动的发展方向。

变频器能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。可根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压、频率，进而达到节能、调速的目的。

2变频器节能原理

2.1变频降速节能：

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。

当电机转速从N1变到N2时，其电机轴功率P的变化关系如下：P2/P1=

（N2/N1）3，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

2.2动态调整节能：

迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

2.3通过变频自身的V/F功能节电：

在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

2.4变频器自带软启动节能：

在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收6-7倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可以从0——电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

2.5提高功率因数节能：

电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：AC——DC——AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。

2.6变频器节能实例分析

风机是一种传送气体的装置；而水泵是传送水或其它液体的装置。就其结构和工作原理而言，两者基本相同。我们以风机为例加以说明：

采用变频器对风机进行控制，属于减少空气动力损失的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。

由图1可以说明其节电原理：（下图：H表示压力，Q表示流量）

图1中，曲线（1）为风机在恒定转速n1下的风压——风量（H―Q）特性，曲线（2）为管网风阻特性（风门全开）。

假设风机工作在A点效率最高，此时风压为H2，风量为Q1，轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比，在图中可用面积AH2OQ1表示。如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3），系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与面积BH1OQ2成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2风压—风量（H―Q）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3随着显著减少，用面积CH3OQ2表示。节省的功率△N=（H1-H3）×Q2，用面积BH1H3C表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。

由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。采用变频器进行调速，当风量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率将下降到额定功率的51.2%，如果风量下降到60%，轴功率可下降到额定功率的21.6%，当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等。即使这样，这个节能数字也是很可观的，因此在装有风机水泵的机械中，采用转速控制方式来调节风量或流量，减少调门的节流损失，在节能上是个有效的方法。

3变频器在我厂的具体应用

3.1变频器在风机中的应用

风机变频器在我厂主要对应的是锅炉的一次风机，该变频器在变频系统检修时，能够从电源系统中独立出来进入工频系统运行，实现一次风机变频调速系统的“一拖一”功能。

我们锅炉是直流炉，直流炉主要的控制对象是有炉一次风量调节、中间点温度调节、给煤量调节、给水量调节、氧量调节。主要是这些调节参数，其中一次风的控制对锅炉水煤比的控制，经济稳定燃烧至关重要，变频器出现以前风机调节使用的风门配合电动执行器调节其缺点是：结构复杂，节流损失严重，浪费能源。变频器的优点是：风机调节系统结构简单、对电机的保护全面、节约能源。总的降低运行维护成本。且由于离心风机与高压变频器的配套选用可以有效的避免发生风机失速和喘振故障的发生，提高了机组运行的安全稳定性。

3.2变频器在水泵中的应用

水泵变频器在我厂主要应用于凝结水泵和主机循环水泵，我厂凝结水泵变频系统检修时，能够从电源系统中独立出来，同时，任意一台凝结水泵能够进入工频系统运行。为了满足电厂运行的设备轮换制，要求在不中断凝结水系统供水的情况下，能够实现两台凝泵在变频系统下的互投，即实现凝结水泵变频调速系统的“一拖二”功能。我厂主机循环水泵变频系统检修时，能够从电源系统中独立出来进入工频系统运行，实现主机循环水泵变频调速系统的“一拖一”功能。

凝结水泵和主机循环水泵使用变频器的优点是可以减少人员的劳动强度，根据水压的变化自动的调节水泵负载电机的工作，提升或降低负载。属于闭环控制系统。当水量需求量变大的时候增加频率，增加供水量。当需求量变小的时候降低频率，减少供水量。实现闭环系统的自动调节，避免阀门节流调节所带来的节流损失，可以达到节能的效果。由于变频器的无冲击启动和软停机的优良控制特性，可极大的延长辅属机械设备的使用寿命。

4变频器应用所带来的经济效益

那么我厂的变频器在一次风机、凝结水泵和主机循环水泵的应用上能给我们带来多大的经济效益呢？下面让我们来分析一下：

根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3计算，式中P0为额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。

以我厂一次风机为例，使用的是1300kW的电机。运行工况以24小时连续运行，假设每天8小时运行在100%负荷（频率按50Hz计算，挡板调节时电机功耗按100%计算），8小时运行在88%负荷（频率按45Hz计算，挡板调节时电机功耗按

95%计算），8小时运行在50%负荷（频率按20HZ计算，挡板调节时电机功耗按

68%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。

则变频调速时每年的节电量为：Wa=1300×8×[1－（45/50）3]×300=845520kW·hWb=1300×8×[1－（20/50）3]×300=2920320kW·hWz=Wa＋Wb=845520＋2920320=3765840kW·h

挡板调节时的节电量为：Wa=1300×（1－95%）×8×300=156000kW·hWb=1300×（1－68%）×8×300=998400kW·hWy=W1＋W2=156000＋998400=1154400kW·h

相比较节电量为：W=Wz－Wy=3765840－1154400=2611440kW·h

按我厂上网电价0.35元/kW·h计算，则用变频调速一台一次风机每年可节约电费91.4万元。两台机组4台一次风机可节约365.6万元。

以此类推，我厂还有2台1400KW凝结水泵和4台1250KW主机循环水泵使用了高压变频器。每年我厂所有高压变频器就可节省电费约913.9万元。我厂所用合康亿盛高压变频器每台进价约30万元共10台。设备连续运行约4个月即可以回收变频器设备的购买成本。实践证明采用变频器节能降耗是可行的，所带来的经济效益也是可观的。

此外由于变频器的使用避免了为适应变负荷的需要而采取节流调节手段，减轻了对阀门和管道的冲刷和侵蚀。变频器自带软启动功能减小了启动电流，同时也减少了对电机及电缆绝缘的冲击，启动转矩小降低了对水泵和风机的转动机械部件的损耗；延长了辅属机械设备的使用寿命，减少了设备的维护量，节约了维修成本。

结束语

变频器调速相对于其他调速方式有明显的优点。在经济方面，可以降低节流损失、降低能耗。在安全方面，减小启动电流，减轻了对阀门和管道的冲刷。并且可以对电机进行更加全面的保护，由于使用变频器调速的系统机械结构简单，所以机械损耗和故障也很少；采用变频器调速技术实现节能降耗是我国重点推广的一项节能技术，已应用在多种行业的电机设备中。特别是在风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果。在我厂风机、水泵中的实践应用证明：其不仅提高了设备效率，还延长了设备的使用寿命，大大减少了设备维护及维修。