汇川技术HD90高压变频器在热电厂的应用

      介绍了汇川HD90系列高压变频器在广西某化工公司热电厂一次风机、引风机上的改造，着重阐述了HD90系列高压变频器在此类负载应用中的优势。

一、背景介绍

      随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，电气传动技术正经历着比较大的革新。工业生产领域大量使用的高压感应异步电动机，已经可以进行直接的电子控制，即由原来的改变其它机械环节的控制方法到直接改变供给的交流电源的频率和幅值的变压变频控制方法，进行速度调节和位移控制，从而可以提高生产工艺，降低能源消耗。特别是在当今面临能源危机的条件下，节能降耗不仅有近期的直接经济效益，更有长远的社会效益。      电厂传统中引风机、一次风机的流量控制是通过调节挡板的开度来实现的，而这是一种经济效益差，能耗大的落后方法，造成设备损坏快，维修难度大，运行费用高。相当部分功率消耗在挡板的截流过程中，从而造成能源的极大浪费。

二、项目概况

      广西某化工有限责任公司为广西壮族自治区的重点建设项目。占地面积1080亩，现有资产12.5亿元，员工1200余人，其中专业技术人员260人。其下属热电厂目前共有5个机组，每个机组同时配备一台引风机、一台一次风机。

（1）运行工艺

      现场使用的是鼠笼式异步定速拖动，为了调节通风量在风道中设置风门档板，通过对风门挡板开度的调节来达到调节风量的目的。这种方法效率低，至少浪费额定功率20%的电能。风机的额定转速风量和实际工况需求不适应，任何一个风机的设计，总是要考虑工况最大的风量需求并都会留有一定的设计富裕，并在此基础上进行风量，功率选配。在绝大多数情况下，风机都工作在偏离最大风量需求的状态下，由此造成风量过大，造成不必要的电能浪费。从根本上讲，风机的定速运行跟实际风量需求的不断变化的情况不适应。

（2）高压变频器选型

一次风机与引风机电动机参数

热电厂结合自身电机参数以及汇川HD90系列高压变频器的产品优势，具体选型如下：

（3）控制方案

现场一次风机和引风机电机的控制方式均采用一拖一方式，变频器配有手动旁路柜，以保证自身故障或者现场设备检修时能够旁路继续运行，确保生产的正常运行，汇川HD90系列高压变频器具有完善的自控能力，能够稳定的融入现场DCS控制系统中，达到远程操作以及集中控制的要求。

（4）一次系统方案

图一：一拖一手动旁路柜拓扑图

      汇川HD90系列高压变频器的手动旁路柜内安装3只隔离刀闸，分别隔离变频器、高压侧电源、电动机。采用一拖一手动旁路柜，正常运行时，QF1、QS1、QS2闭合，QS3断开，采用变频器运行方式，当变频器有故障不能运行时，QF1、QS3闭合，QS1、QS2断开，采用工频运行方式。QS1、QS3不能同时闭合，实现互锁，高压变频器与QF1进行联锁，变频器故障同时跳开QF1开关，同时允许QF1开关合闸，使系统工频旁路运行。用户开关QF1和电机M均为现场原有设备。

三、汇川HD90系列变频改造优势

      （1）充分利用变频器和现有设备，投资相对较少，既保留了原系统的控制操作方式不变，又保证了系统改造后紧急状态下的工频恢复运行，易于系统维护。      （2）正常时采用变频运行，当发生故障之后，变频器发送故障信号至DCS，跳开电源开关，检查后如果确实存在故障则切至工频运行，相关逻辑在DCS中实现。      （3）减少电机启动时的电流冲击电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的5～7倍，电机软启动也要达到2．5倍。观察变频器起动的负荷曲线，可以发现启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升．不会超过额定电流。因此一次风机变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力从而显著改善了设备的运行可靠性，减少了维护保养费用。       （4）使用变频器可使电机转速沿一次风机的加减速特性曲线平缓变化．设备和轴承受力状况得到了明显改善。同时有关数据说明，机械寿命与转速的倒数成正比，降低一次风机转速可成倍地提高一次风机的寿命，因而一次风机维护费用自然就降低了。       （5）降低噪音一次风机改用变频器后，降低风机转速运行的同时，噪音也将大幅度地降低，当转速降低5 0％时，噪音可减少十几个d B，同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声。 （6）输出电流谐波≤2%，6KV功率单元柜由15个功率单元组成，每相由5个功率单元串联组成，输出21阶梯PWM波形，近似完美正弦波，满足并高于IEEE519-1992和GBT14549-93标准，不会对电网造成谐波污染。

四、 汇川HD90高压变频器的优势

1）通用矢量控制技术

      HD90系列高压变频器具备通用矢量控制技术，基于电机d-q轴数学方程式解析，对电机定子电流解耦成励磁分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，以达到模拟自然解耦的直流电动机的控制效果。       a. 这种控制方式，调速精度可以达到0.01HZ，远远高于液耦的调速精度，减少了负载的波动，保证生产的稳定；       b.高压变频器效率高,无转差损耗，其效率达 0.97以上，并且不随调速的范围而变化。液力耦合器效率低,其效率与调速比成正比，负载的转速越低,其效率越低，液力耦合器属转差损耗型调速，是低效调速设备，在调速的过程中,转差功率以热能的形式损耗在油中。同时造成液压油需要定期更换，维护成本高。       c. 起动性能高压变频器具有真正意义上的软起动功能，它可以使起动电流值保持在额定电流以内，不会对电网造成冲击，也不会对所传动的风机、泵类的机械设备带来冲击，是最理想的软启动设备。液力耦合器属于直接起动类型，电动机的起动电流约为额定电流的 3－5 倍，对电网造成冲击，特别是在电网容量受限而电机容量较大时，这种直接起动对电网所造成的冲击有时是不允许的。       d. 功率因数高压变频器可以保证电网侧的功率因数在 0.96以上。液力耦合器调速则使电网侧功率因数降低，因为拖动风机的电机裕量都较大，输入电流中无功分量就越大，导致其在低功率因数下运行。

2）快速叠频技术

       通过矢量算法在输出电压矢量上叠加可控的其他频率分量，使电机产生更大的阻力矩，加快电机的制动。       此项技术对于要求停机时间短的场合十分有效，一般情况下可以缩短减速时间40%左右。目前国内其他厂家还不具备此技术。

3) 工变频无扰切换技术   

工变频无扰切换技术是指变频器输出线、电动机输入线、工频电网三者之间无干扰的平滑切换技术。此技术对于大容量驱动场合的变频软启动或者1台变频器控制多台电动机调速的场合（例如多台水泵变频控制）十分有竞争力。

工变频无扰切换技术通过矢量控制算法，快速同步电网。 当变频器输出电压的相位、频率和幅值与电网同步时，通过相应的开关投切，把电机从变频运行状态平滑无冲击地切换到工频运行，或者把电机从工频运行平滑无冲击地切换到变频运行。

4) 非对称旁路技术   

      HD9X系列高压变频器采用单元级联方式，当其中某个单元出现故障后，如果单元具备旁路功能（可选），通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。目前国内的厂家通常采用的是对称旁路技术，即当某个单元故障后，高压变频器将其余两相的单元分别旁路一个，使三相对称输出（减少3个单元工作）。对称旁路技术虽然可以不停机运行，但是其输出电压幅值减少，此时带负载能力大大降低。而HD9x的非对称技术可以实现更高的电压输出幅值。

5) 双路控制电源

         HD9X控制系统采用双电源供电，控制电源失电后可正常工作；一路由用户提供，一路由高压变压器绕组降到380v。两路电源切换电路采用储能电容，保证切换时平滑无扰动。

五、现场应用照片

图二：现场负载照片

图三：设备及调试照片

图四：变频器正常运行HIM画面

六、结束语

    高压电动机的应用极为广泛，它是工矿企业中的主要动力。在化工、冶金、电力、市政等各行业的大、中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。其消耗的能源占电机总能耗的70%以上，而且绝大部分都有调速的要求，但目前我国的调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命的降低。因此，推广应用高压变频调速及起动装置的效益和潜力非常巨大的。     汇川技术依托多年的自动化行业的应用经验，对电力行业的变频改造具有独到的方案解决能力，HD90系列高压变频器为采用矢量控制技术的高性能变频器，产品适用于化工、冶金、电力、市政等多个应用领域。