1、引言 隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢，電機交流變頻調速技術是當今節電、推動技術進步的一種主要手段。 高壓交流變頻調速技術是20世紀90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電動機的變頻調速，其技術和性能勝過其它任何一種調速方式（如:降壓調速、變極調速、滑差調速、內反饋串級調速和液力耦合器調速等）。變頻調速以其顯著的節能效益，高的調速精度，寬的調速范圍，完善的電力電子保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利和快捷的服務，使之成為國內外企業采用電機節能方式的首選方案。 2、變頻調速的方法及節能原理 2.1 變頻調速的方法 變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機轉速的目的。 交流異步電動機轉速由下式確定: n=60f（1-s）/p （1） 式中:n—電動機的轉速; f—輸入的電源頻率; s—電動機的轉差率; p—電機的極對數。 由公式（1）可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關系，因而交流電動機的直接調速方式主要有變極調速（調整p）、轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機（調整s）和變頻調速（調整f）等。 變頻調速器從電網接收工頻50hz的交流電，經過恰當的強制變換方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。 2.2 調速節能的原理 通過流體力學的基本定律可知:風機（或水泵）類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量q、壓力（揚程）h以及軸功率p具有如下關系: q1/ q2＝n1/n2 （2） h1/ h2＝（n1/n2）2 （3） p1/ p2＝（n1/n2）3 （4） 式中:q1、h1、p1—風機（或水泵）在n1轉速時的流量、壓力（或揚程）、軸功率;q2、h2、p2—風機（或水泵）在n2轉速時的相似工況條件下的流量、壓力（或揚程）、軸功率。 由公式（2）、（3）、（4）可知，風機（或水泵）的流量與其轉速成正比，壓力（或揚程）與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。 由公式（4）可知，在其它運行條件不變的情況下，通過下調電機的運行速度，其節電效果是與轉速降落成立方的關系，節電效果非常明顯。例如若工況只需要50％的風量或水量，則可以將電機的轉速調節為額定的一半，此時電機消耗的功率僅為額定時的12.5％，即理論上節能可達87.5％。 3、高壓變頻調速系統與液力耦合器的比較 3.1 液力耦合器存在的主要缺陷 通常，火力發電廠采用液力耦合器進行風機調速的居多，由于液力耦合器本身具有如下技術缺陷，在電廠中將無法滿足安全生產的要求。 （1） 液力耦合器調速屬耗能型調速方式，在調速范圍較大時，產生機械損耗和轉差損耗，消耗能量，效率較低，節能效果一般。 （2） 液力耦合器是一種以液體為介質，靠液體動量矩的變化傳遞能量的裝置，工作時是通過一導管調整工作腔的充液量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉速來滿足工況要求。因此，對工作腔及供油系統需經常維護及檢修。 （3） 液力耦合器故障時，無法再用其它方式使其拖動的風機運行，必須停電檢修。 （4） 采用液力耦合器時，在低速向高速運行過程中，延遲性較明顯，不能快速響應，同時這時候的電流較大，如整定不好會引起跳閘，影響系統穩定性。 （5） 液力耦合器本身控制精度差，調速范圍窄，通常在40％～90％之間。 （6） 電機啟動時，沖擊電流較大，影響電網的穩定性。 （7） 在高速運行時，液力耦合器有丟轉現象，嚴重時會影響工作的正常進行。 從以上情況來看，如果繼續使用液力耦合器，將會制約電廠節能降耗、降低生產成本、提高生產效率、增加企業競爭力的目的。 3.2 高壓變頻器具有的優點 現在有很多電力企業已經采用新型的高壓大功率變頻調速裝置拖動風機，取得了良好的應用效果。同傳統的液力耦合器比較，北京利德華福技術有限公司生產的harsvert-a高壓變頻器具有以下優點: （1） 采用先進的拓撲結構與輸入變壓器副邊多級繞組移相整流技術，減少了輸出側的電流諧波，提高了功率因數，解決了對電網的諧波污染，無需增加任何濾波或功率因數的補償。 （2） 電動機實現了真正的軟啟動、軟停車，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，峰值電流和峰值時間大為減少，可消除對電網和負載的沖擊，避免產生操作過電壓而損傷電機絕緣，延長了電動機和風機、水泵的使用壽命。同時，變頻器設置共振點跳轉頻率，避免了風機、水泵處于共振點運行的可能性，使風機、水泵工作平穩，軸承磨損減少，啟動平滑，消除了機械的沖擊力，提高了設備的使用壽命。 （3） 變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，瞬間過流保護（超過200%額定電流峰值）10μs,動作有效過流保護（150%額定電流）3s動作，過載保護（120%額定電流）1min動作，大大加強了對電動機的保護。 （4） 調速工段內的設備調節和優化控制由機組dcs完成，dcs負責采集模擬量、開關量等信號，變頻器輸出的模擬量、開關量信號全部進入dcs系統，形成閉環控制，同時實現相關輔機聯鎖功能等。 （5） 采用變頻調速，實現了擋板、閥門全開，減少了擋板、閥門節流損失，且能均勻調速，滿足調峰需要，節約了大量的電能，具有顯著的節電效果。 （6） 整機的運行噪音改善明顯:采用液力耦合器時，無論低速高速，由于電機均處于工頻運行，整機的噪音大，達到90db左右，但是進行變頻改造后，整機的運行頻率下降至40hz左右，電機的運行噪音明顯下降，低于80db,在低速運行時基本上聽不到噪音，達到65db以下，大大改善了現場的噪音污染。 （7） 由于電機降低速度運行以及工作在高效率區，電機的溫升和軸承溫升下降明顯:電機溫升由采用液力耦合器時的59℃下降至變頻調速運行時的44℃，電機的前后軸承的溫度都有相應的下降，延長了風機系統的使用壽命。 （8） 低負荷下轉速降低，減少了機械部分的磨損和振動，延長了風機大修周期，可節省大量的檢修費用。 （9） 日常維護保養工作量和費用下降:采用液力耦合器估計每年的維護費用在5萬元左右，采用變頻器后，這項費用下降為數千元左右。 （10） 調速范圍:采用液力耦合器時調速范圍有相當大的限制，采用變頻器后，系統調頻范圍0～50hz，大大地增強了工藝的調節能力。 3.3 高壓變頻調速同液力耦合器調速經濟比較 為了檢測高壓變頻裝置的節能情況，某電廠在風機上采用液力耦合器與北京利德華福技術有限公司的harsvert-a高壓變頻裝置調速做對比試驗，數據如下: （1） 采用變頻器拖動風機時 變頻改造后，風機運行效率明顯提高，比液力耦合器調速節電26.17%。 4、變頻器節能分析 火力發電企業消耗的廠用電量中，75％以上的負荷為水泵與風機，這些水泵與風機都是經過調整門擋板來實現的，不但調節質量差、響應慢，而且浪費電能。 4.1 風機節能分析 （1） 風機風量控制 送風機和引風機是火電廠中的耗電大戶，其耗電量約占廠用電量的30％、占機組發電量的2％～4％。因此，正確選擇送風機和引風機的調節風量的方式，對火電廠的安全和經濟運行有著重要意義。 電機以定速運轉，調節風機風量典型的方法是采用擋板控制。根據擋板在風道中的安裝位置可分為出口擋板控制和入口擋板控制，采用擋板控制時，當擋板關小則增加風阻，且不能在寬范圍調節風量。例如，要求風量在80％的情況下，電機消耗的功率約為90％，能量損失嚴重。 風機在變速狀態下運行，保持擋板全開，通過改變風機轉速來調整風量，采用變頻控制時，電動機消耗的功率＝（80％）3≈50％，與其他控制相比，轉速控制的節電效果十分明顯。電廠風機的各種調速裝置的比較，如圖1所示。 圖1中:1—輸出端風門控制時電動機輸入功率; 2—輸入端風門控制時電動機輸入功率; 3—轉差功率調節控制（電磁轉差電動機或液力耦合器）時電動機輸入功率; 4—變頻器調速控制時電動機的輸入功率; 5—調速控制時電動機軸功率。 （2） 送風機變頻改造后的節能分析 某電廠使用北京利德華福技術有限公司的harsvert-a高壓變頻器，選定在機組帶50％、75％、100％負荷3種工況下對#4爐2臺送風機進行工頻和變頻2種運行方式下的對比試驗，機組運行工況和測試計算結果見表1。 從表1可以看出，送風機變頻調節方式運行效率基本在75％～80％，而工頻調節方式運行效率為55％左右（見圖2）; 機組在100mw、150mw、200mw負荷時，2臺送風機變頻運行比工頻運行每h分別節電750kwh、602.5kwh、733.6kwh。變頻改造后，送風機運行效率明顯提高，節電效果顯著。 #4爐2臺送風機變頻改造后以年運行7000h計算，全年可節約電量4928770kwh。按該公司上網電價0.30元/（kwh）計算，直接經濟效益約為148萬元。 4.2 水泵節能分析 （1） 水泵流量控制 水泵是由恒速電機驅動出口閥及調節閥控制水的流量和壓力，通過人為增加阻力和回流的辦法達到調節流量的目的，因而在運行中產生了大量的能量損失。 水泵的轉速在某一范圍內變化時，流量、總揚程、軸功率依次有線性、平方、立方關系。但對于實際的水泵負載，通常存在一個與高低差有關的實際揚程，揚程越小，軸功率越接近于同轉速成立方的定常特性，而且轉速控制產生的節電效果也越大。根據實際調查表明一般老電廠大型水泵平均流量的余量大于20％，即有多于20％的流量損耗在節流閥和回流調節上，若所需要的流量減少20％，則相應的電動機轉速也應降低20％，即實際轉速為80％，則根據流量與轉速的關系式可得出:（80%）3≈51％，即按此工況水泵節電近50％。由此可見，節能潛力之大，效益之高。電廠水泵的各種調速裝置的比較，如圖3所示。 圖3中:1—排出管路閥門控制時電動機輸入功率; 2—轉差功率調節控制（轉差電動機或液力耦合器）時電動機輸入功率; 3—變頻器調速控制時電動機的輸入功率; 4—調速控制時電動機軸功率。 當采用變頻調速時，50hz滿載時功率因數為接近l，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電廠節約容量20%左右。 4.2.2 凝結水泵變頻改造后的節能分析 某電廠使用北京利德華福技術有限公司的harsvert-a高壓變頻器，選定在機組帶350mw、315mw、280mw、240mw、210mw、175mw負荷6種工況下對某電廠#1機1臺凝結水泵進行工頻和變頻2種運行方式下的對比試驗，機組運行工況和測試計算結果見表2。 凝結水泵改造為變頻無級調節運行后，一方面減少了運行中的節流損失，凝結水泵電流下降，起到節能作用，另一方面由于凝結水泵出口水壓的下降，大大改善了低壓加熱器的工作條件，減少了低壓加熱器泄漏，降低了檢修工作量，取得了較為明顯的安全和經濟效益。 工頻運行時，累計年耗電量為: wyd=7000×（652.55×10%＋633.38×5%＋617.61×20%＋609.0×5%＋564.38×10%＋539.24×50%）=4038675.227kwh即采用工頻運行時，每年凝結泵耗電量約為403.9萬kwh。變頻運行時，累計年耗電量為:wyb=7000×（573.58×10%＋454.18×5%＋384.14×20%＋349.95×5%＋44.09×10%＋193.92×50%）=2070343.933kwh即采用變頻運行時，每年凝結泵耗電量約為207.0萬kwh。年節電量:δwy=wyd－wyb=403.9-207.0=196.9萬kwh；節電率:（δwy/wyd）×100%（196.9/403.9）×100%=48.75% 按該公司上網電價0.334元/（kwh）計算，則每年直接經濟效益196.9×0.334=65.765萬元。 5、結束語 隨著廠網分開，競價上網改革的深入，節能已成為各發電企業的重要工作，只有降低廠用電率、降低發電成本、才能提高上網電價的競爭力，因此，采用變頻技術，對電廠輔機進行節能改造，是各電廠的當務之急。 經過現場的運行，證明北京利德華福技術有限公司的harsvert-a高壓大功率變頻器性能好，可靠性高，其節能效果明顯優于其他任何一種調速方式，特別是在低負荷時更為顯著。電廠輔機采用變頻調速后，提高了機組自動裝置的穩定性，大大改善了電機的啟動性能，延長了電機的壽命，在老電廠的大功率風機、水泵系統上實現變頻調速，是理想的節能項目，一般1～3年即可收回設備改造投資成本。