恒运电厂一次风机斩波内馈调速装置应用浅析.doc

恒运电厂一次风机斩波内馈调速装置应用浅析摘要: 从节能应用角度出发,结合风机的特性及其节能策略,阐述了斩波内馈调速方式功率控制方式，调速原理,并通过在本公司#9机组锅炉一次风机中的应用情况验证其经济效益。关键词: 斩波内馈;电机 引言风机作为电厂主要的辅机之一,其节能效果直接影响到电厂的发电效率。大部分电厂的风机由于调峰需要,其驱动电机的设计功率都要大于实际需要,不同程度上存在大马拉小车的现象,具有较大的节能空间。然而大部分风机都采用了风门节流的方式来调节风量大小,这样很大一部分的能量就白白浪费在风门上。为了降低厂用电率、提高发电效率,越来越多的电厂采用调节电机转速的方法来调节风量大小。内反馈调速方式属于串级调速的一种改进,它继承了串级调速的调速平滑,操作方便可靠的优点,并且克服了串级调速的功率因数低、谐波污染大的缺点,非常适合风机泵类负载调速。由于它具有功率因数高、转速调节方便、可靠性高、节能效果明显、性价比高等优点,在电厂获得了越来越多的应用。本文介绍了风机节能原理、内反馈电机原理及其在本公司#9机组锅炉一次风机上的应用。1风机特性及其节能分析当发电机组负荷发生变化时,需要经常调节风量。传统的调节手段是通过调节风机挡板的开度,即改变风道阻力的方法来调节风量,风机往往运行在效率的最低点。如果风机能在调速状态下运行,则可将风机挡板全开,通过调整风机的转速来调整风量,使风道的阻力减小至最小,此时风机可以始终处于高效点运行。风机由恒速运行改为调速运行,机组带低负荷和满负荷时,都能节约用电。根据风机的功率消耗与其转速的立方成正比的原理,利用内反馈调速电机进行无级调速,从而使风量与压力随时符合实际需要,从而节约电能。因此,有必要将电厂一次风机改造为可调速运行的电机,以达到节能和降低厂用电率的目的。下面具体说明上述两种方法的调风原理并分析其节电效果。传统的方法是通过改变风机的管网特性曲线来实现对风机风量的调节,这种办法是通过调节挡风板的开关程度来实现的, 图1为不同管网阻力(R)下风机的Q-H曲线。从图上我们可以看出,当系统风量从Q2减小到Q1时,必须相应地关小风门挡板。风机的阻力线从R1到R2。风机运行的工况点,从M2点移到M3点,风压从H2上升到H3。这时,风机的阻力变大,风机的节流损失增加。如果采用调节速度的方法,不改变风门开度,通过降低风机转速的方法来实现将系统的风量从Q2减小到Q1,则风机的阻力曲线仍然为R1,风机运行工况点从M2下降到M1,风压从H2降到H1。这样完全不会产生节流损失。根据风机的功率计算公式:P=QH/102r.F式中:P风机电动机所需的输出轴功率(kW);Q风机风量(m3/s);H风机风压(kg/m2);r传动装置的效率F风机的效率;102由kg·m/s变换为kW的单位变换系数。由公式可求出运行在M3点和M1风机的轴功率分别为:PM3=Q2H3/102r.FPM1=Q2H1/102r.F两者之差为:P=PM3-PM1=Q2(H3-H1)/102r.F上式说明,用风门控制风量时,有P的功率被损耗浪费掉了。而且,随着风门不断关小,这个损耗还要增加。采用调速控制时,当流量从Q2减少到Q1,由于阀门的开度没有变化,管网的阻力曲线不变,风机的特性曲线随转速由n2变化到n1。风机运行的工况点,则从M2点移到M1点,风压从H0下降到H1。根据流量Q,风压H,功率P和转速n之间的近似关系:Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2P1/P2=(n1/n2)3由上面的公式可以计算出:若转速下降20%,则轴功率对应下降49%。由此可见,在电机设计余量较大的情况下,采用内馈调速可以大幅降低电机的电耗,节省能源,降低企业生产成本。2 斩波内馈电机调速系统的构成及调速原理斩波内馈调速是一种以低压（通常约为200-700V）控高压（6KV、10KV）的高效率调速技术，突出特征在于“内馈”与“斩波”两项高新技术的有机结合。内馈电机高频斩波调速装置由转子整流器、斩波器、晶闸管相控逆变器及DSP控制器组成。工作原理图如图1所示。图1内馈频波调速系统工作原理图21 内馈调速及其功率控制原理 根据电机学的理论，电机的转速与机械功率及电磁转矩成如下关系： = PM/T （1）式中：为机械转速 PM 为机械功率 T为电磁转矩 又，根据能量守恒，有PM=Pem P2 （2） = （Pem P2）/ T （3）其中：Pem 为电磁功率，P2 为转子损耗。公式（2）表明，电机转速可以通过电磁功率或损耗功率两种控制获得调节。电磁功率控制改变的是理想空载转速，调速是高效率的；损耗功率控制增大转速降，调速是低效率的。所有调速方法都归属于功率控制原理之中。这一原理便是内馈调速发明人屈维谦先生率先提出的“电机调速的功率控制理论”（即P理论）。 由于电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小，当负载转矩一经为客观的工况所确定之后，电磁转矩就随之被决定了，因此，电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变。动态转矩对转速的作用只表现在调速的过渡过程中，转矩的变化是功率控制和转速响应滞后的结果，在一定的功率控制作用下，动态转矩随转速响应自动减小，直至新的负载平衡时为零。因此，电机转速只能通过功率控制来实现。内馈调速是基于转子的高效率电磁功率控制调速，通过将转子的部分功率（即电转差功率）移出来，使转子的净电磁功率发生改变，于是根据P理论，电机转速就相应得到控制。为了获得高性能的调速，加强电机调速的内因，内馈调速在电机定子上另外设置了内馈绕组，图2斩波内馈功率圆图及系统图用来接受电转差功率，有源逆变器使内馈绕组工作在发电状态，通过电磁感应将功率反馈给电机定子。使定子的有功功率基本与机械输出功率相平衡，内馈调速因此而得名。与变频调速相比，斩波内馈调速只是控制对象不同，两者遵循的是同一原理，因此并不存在本质的区别。22斩波的原理作用与意义斩波器的作用相当于按一定的频率、周期性地接通和关断的高速开关。高频斩波部分是一个BOOST升压电路,在斩波电路稳定工作时,对于某一个占空比D,输入电压Ui与输出电压UC之间,有方程式:Ui=UC(1-D) (1)转子电势为sE20,在转子整流电路电压平衡时,忽略二极管压降,暂不考虑整流电路的换相重叠压降,有方程式:Kuv·sE20=Ui+IdR(2)式中:Kuv转子电路整流系数;s转差率;Id整流电流;R等效的转子整流电路及斩波电路总电阻;E20转子电路开路电压。这是一个简化式。由此公式可以定性地分析高频斩波调速系统的工作原理。在该系统工作时,电容器电压UC基本恒定。在采用晶闸管逆变器时UC=Kuv·Uf·cos 30°(Uf是内馈电机反馈绕组电压)。改变斩波占空比D即可改变转差率s,也就改变转速。当增大占空比D时,等效的Ui降低,由于机械转动惯量很大,电机转速瞬间不会变化,所以电动机转子整流电流Id很快增大。电机电磁转矩相应增大,电机加速,转速升高,转差率s下降,又使电机电流下降,电磁转矩下降,故又在新的平衡点达到平衡。当减小占空比时亦然,s升高会在新的平衡点稳定运转。这就是高频斩波调速系统的基本工作原理。控制斩波的占空比，就可以实现对逆变电流的控制，也就是控制了反馈到内部内馈绕组的电流和功率，从而实现内馈调速。其意义在于：（1） 使有源逆变器的功率因数可以高达0.9，且恒定不变。（2） 有源逆变器的额定容量仅为电机容量的14.8%， 加上触发简单，使可靠性大为提高。3、斩波内馈调速系统的控制及运行方式由于系统调速范围及运行特性的需要，设置了频敏变阻器启动和调速停止方式。（1）启动时，直接控制高压开关柜，电机经频敏启动，可以减小启动电流并增大启动转矩。（2）调速运行时，直流回路存在较大的电磁能量，如果直接停电，将产生过电压使可控硅损坏。所以调速停车时，设置的逻辑控制会自动转到全速后再停车。事故停电有断电和过压保护，防止了设备的损坏。（3）该调速设备可以在不停机的情况下自检。即设备可在全速运行状态时，可以用低电压小电流模拟调速运行，这样可在不影响运行的情况下检测斩波器和逆变器是否正常，给检修带来极大的方便。（4）在集控室实现远方操作。该方式与本机操作相同，且更加方便；（5）DCS控制方式。远方操作指令在给定420mA控制信号下实现稳定、平滑调速，并在出现断线故障时能够保持原来给定转速，同时发出断线报警信号。4斩波内馈调速系统在恒运D厂一次风机上的运用恒运D厂一次风机是两台双侧布置。由于负载变化较大,所以一次风机设计时冗余功率较大。如果风量控制采用档风板,引起的阻力损耗会造成厂用电率高,影响机组的经济运行。为了节约厂用电,提高发电效率,在仔细考虑实际负荷情况后,决定设计一次风机由斩波内馈调速电机驱动。风机参数型号2008AB电机参数型号YQT2-630-4风量211320M3 /h功率1600kw风压18849.3Pa电压6000v转速1480电流185.7A功率因数0.87附表一：一次风机参数，电动机参数设计 机组实际运行当中，在低负荷阶段风门挡板开度较小，节流损失较大，这时候采用斩波内馈调速电机驱动风机，风门挡板可以全开，节流损失几乎可以忽略不计，斩波内馈调速的节能效果越加明显。负荷（MW）电流（A）一次风压（Kpa）挡板开度（%）转速（r/min）180112.111.31001245180123.711.7561383200132.711.8601383200128.411.91001275 附表二：一次风机运行参数附表二所列数据所示为#9机组锅炉一次风机运行数据参数，比较得出，在相同负荷下，一次风机采用风门挡板全开，斩波式内反馈调速方式运行，电流要比风机全速运行，风压靠挡板节流调节小。机组在180MW和200MW负荷运行时，电流分别小了11.6A和4.3A，节电效益可观。4结论实践证明: 斩波式内反馈调速方式具有调速方便、节能效果好、运行可靠的优点,适合电厂一次风机的调速。