高压变频器在贵州瓮福磷肥厂的应用

1　引言

贵州省瓮福矿肥基地是国家“八五”和“九五”期间建设的五个大型磷矿肥基地之一，目前拥有全国最大的磷矿山和磷肥厂。

瓮福矿肥基地由瓮福磷矿和瓮福磷肥厂两个国家重点项目组成。瓮福磷矿1990年11月开工，1995年建成。瓮福磷肥厂1997年建设，1999年通过72h考核。从而形成250万t/年磷矿石、210万t/年磷精矿、80万t/年重钙、3万kW余热发电的生产能力，以及年吞吐能力345万t的自备铁路专线。

瓮福磷肥厂下设磷酸一铵分厂、磷酸二铵分厂、硫酸分厂、磷酸分厂、热电分厂5个主生产单位和水处理分厂、动力分厂、机修分厂、仪修分厂、工程车队5个辅助生产单位。而电机的变频调速运行，是降低厂用电率、节电增效的有效措施及有效手段。#2炉电机调速用挡板调节，风道压力损失严重，浪费大，通过变频调速，实现了电机转速连续无级调速，调速范围宽，调节精度高，效率高,实现了电机的软启动，减少了启动冲击及设备磨损。另外变频装置安装较方便，只需在原断路器与电机之间串联变频装置即可，无需对负载和电机做任何改动;正常运行后，可靠性高，基本上无维护量。通过对引风机进行变频改造而达到节能增效，无疑是必要的。热电厂总共有三台锅炉拖动三台风机，其中一台常年运行，余下两台分别用两台变频器拖动，其中一台为哈尔滨九洲电气的PowerSmartTMM高压变频器产品。

2　高压变频装置原理及特点

变频装置采用多电平串联技术，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6kV系列变频装置由18个功率单元构成，每6个功率单元串联构成一相，如图1所示。



图1　6kV系列变频装置原理图
功率单元的电路结构及原理:每个功率单元由、整流、滤波、逆变、旁通、驱动、保护、模拟量采集、PWM形成等电路组成。
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组;这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近于1。

另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器。

输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造;同时，电机的谐波损耗也大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，因此变频调速具有其它调速方式无法比拟的优点:

(1)变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压、电流、频率、电机转速等，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态;

(2)精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的要求;

(3)高压变频器具有国际通用的外部接口，可以同可编程控制器(PLC)和工控机等各种仪表相连，并可与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统，如与原DCS系统实现数据交换和连锁控制等;

(4)具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能;

(5)具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠;

(6)电机可实现软启动、软制动，启动电流小，小于电机的额定电流，电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响;

(7)减少配件的损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。

3　变频器改造方案简介

表1　热电厂#2炉电机及引风机的参数表




瓮福热电厂#2炉引风机是两台双侧布置，目前其引风机的出力调节由人工调节挡板来实现。由于引风机设计时冗余功率较大，加上风量控制采用档风板引起的阻力损耗，造成厂用电率高，影响机组的经济运行。表1为热电厂#2炉电机及引风机的参数表。
根据电机的参数以及现场工况和运行的经验，最终确定#2炉引风机的电机配套变频器选用型号为九洲电气的Power
Smart10000-1A/063，变频器额定电流为60A，同电机额定容量匹配，完全满足现场负载运行的要求。为了充分保证系统的可靠性，同时为变频器加装如图2所示的工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成。要求QS2不能与QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开;工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。

为了实现变频器故障的保护，变频器对6kV开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，要求甲方对QF的合分闸电路进行适当改造。工频旁路时，变频器应允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动.

变频调速由安装在锅炉操作台上的启动、停机、转速调整开关进行远程控制，并可同DCS系统接口，通过DCS实现变频器的调速控制，变频调速装置还提供报警指示、故障指示、待机状态、运行状态、旁路状态、高压合闸允许、高压紧急分断等保护信息以及转速给定值和风机实际转速值等必要指示，以便操作人员进行操作控制。

九洲公司开发了GPRS监控功能,可以对高压变频在现场运行的情况及其数据进行监控,如有问题,可以最快捷地做出解决方案,将损失降到最低,并可以使公司和用户方面进行双向沟通，以便使变频器更加长期有效的运行。




图2　高压变频器旁路系统图

4　变频器节能原理

异步电动机的转速n与频率f、电动机转差率s、电动机磁极对数p有如下关系，即:
n=60f(1-s)/p
根据相似理论有:
Q/Q0=n/n0
M/M0=(n/n0)2
N/N0=(n/n0)3
注:n、Q、M、N为调节变化的转速、流量、转矩、功率，n0、Q0、M0、N0为额定转速、流量、转矩、功率。
风机消耗的功率是和其转速的三次方成正比的，可见通过风机转速的节能效果是十分显着的。
由电机的转速公式可知:改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变，变频器是通改变电源频率f的方式来改变电动机转速的。在异步感应电动机的设计制造完成后,转速与频率的线性关系既确定，如图3所示:



图3　电机的供电频率和转速的关系曲线

由于转速n与频率f之间为线性关系，从理论上分析调速范围在0～100%内，线性度都很好,因此变频调速是当今调速应用的主力军.随着科学技术的不断发展,高电压大功率半导体器件的出现,高压变频器应运而生,使发电厂大型辅机的调速运行成为现实.从而省去由于阀门、挡板节流等带来的功率损失，达到节能的目的,提高了发电企业的经济效益。

5　变频节能效果计算
变频器在正常带负荷运行72h后,为了方便的对设备的节能效果进行分析,笔者进行了一周的设备运行记录,2006年2,3,8月份2#锅炉引风机参数如表2所示。





在变频器改造以前，根据统计情况，锅炉引风机的运行工频电流在30A左右，通过变频器调节装置改造后，目前在锅炉相同运行情况下，锅炉引风机在变频后的电流为10—17A左右，平均降低电流达到10—11A。根据计算，平均节电80kW.h/h，考虑装置自耗电及将来空调用电16kW.h/h，总体节电可达到65kW.h/h，节电率达到35%，年节电可达40万元，经济效益相当显着。因此，锅炉引风机高压变频器节能技术改造项目是相当成功的。

6　结束语

高压变频调速控制作为一种新型的调速方法，其性能优于其它调速方式，是现代化大型电厂广泛采用的一种节能控制手段。瓮福热电厂的变频改造工程促进了企业经济效益的明显提高，并且它以高性能、高可靠性和调节的灵活性以及操作的简便性，赢得了运行人员的认可。

随着电力体制改革的推进和竞价上网新格局的形成、深化，瓮福磷肥厂还将在未来的新兴项目等辅助设备进行变频改造，势必将优化企业资源配置，为促进企业可持续发展创造条件，早日实现成为中国节能大厂的宏大目标。