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变频节能技术的研究与应用

容摘要

近十几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速开展，电气传动技术面临着一场历史革命，也就是说计算机数字控制技术以及交流调速技术已经取代了模拟控制技术和直流调速技术的时代，成为了新的开展趋势。

当代社会用以推动技术进步、为提高产品质量而改善工艺流程、节约电能的重要手段就是采用电机交流变频调速技术。

变频调速技术是国外都非常认可的最有开展前途的调速方式，因为它具有适用围广，拥有节能效果以及高功率因数、高效率，启制动性能和调速效果优异等等优点。

本文在总结前人研究的根底上，指出了变频技术的国外研究现状，并对变频技术的根本理论进展相关的分析，为了对变频技术有一个细致的了解，本文以华能曲阜热电厂节能改造为例，详细的介绍了变频节能系统配置、变频控制系统的根本原理以及变频节能系统调试过程，并总结出改造的结果。

关键词：

变频技术；节能改造；变频器；凝结水泵

1绪论

1.1课题的背景及意义

变频技术，即利用相关的技术方法改变用电设备的供电频率，从而能够满足控制设备输出功率的最终目标。

变频技术凭借完全成熟的技术条件，已经让它的应用到达了新的高潮，伴随着自动控制理论、计算机、电力电子、微电子学等的开展，也使其进入了一个崭新的时代。

变频技术就是利用变频调速来改变轴输出功率，从而实现了减少输入功率以便节省电能的目的[1]。

变频技术根本的使用原理是通过很长的一段时期，使得使用交流电源的所有的电气设备的工作频率保持在一个固定的标准上，变频技术的出现使得我们可以通过控制频率的大小来实现资源的节约，现如今，变频技术中开展最为迅速以及应用最为普遍的就是变频调速技术。

变频技术涵盖的容十分的广泛，它主要是由点击传动技术、电力电子技术以及计算机技术等组合而成的综合性的新技术，包含了电力系统和机械设备方面的各种知识，它在工作的时候将工频电流的信号频率通过相应的操作转变成其他的频率，这样的转变主要是运用半导体的原件进展操作完成，然后再把交流电源转变成直流电，在对频率进展转化的时候，使得机电设备的节省率控制在最正确的围，总之，变频技术简单而言就是将电器设备的使用频率进展相应的转化，使得电器设备处于最省电的状态，使得电流的频率同发电机的转速保持同等的一致，这种技术能够使得电机平稳的进展工作，同时可以进展自动化的减速和加速处理，在提高电器设备工作效率的前提下，尽量的减少能源的损耗。

火电厂的部用电主要集中于汽水系统的泵、燃烧系统的风机以及制粉系统的磨煤机，耗电量尤为突出的是风机和泵。

一般情况下，我们采用“效率〞对风机和泵的运行经济性进展评价，火电厂中的循环水泵、凝结水泵以及锅炉给水泵的耗电量大约占据大容量机组的所有厂用电量的50%，锅炉引风机和送风机的电耗占到厂用电量的25%左右，由此可见，火电厂的部用电量绝大局部都是风机和泵损耗的，因此，提高风机和泵的作业效率，尤其是泵，对于节能而言有着至关重要的作用。

1.2国外开展现状

1.2.1国外变频技术开展现状

日本三菱变频器和富士BJT变频器利用小功率交流变频调速技术，最大单机容量已到达700kV·A以上，并且IGBT变频器已经拥有了属于自己的系列产品，控制系统到达了全数字化的水平。

德国的西门子公司用中功率变频调速技术，将单机容量100-900kV·A的SimovertPGTOPWM[2]变频调速设备以及单机容量达10-2600kV·A的Samovars电流型晶闸管变频调速设备应用于水泵传动风机、电力机车，它的控制系统也已经到达全数字化的水平。

意大利ABB公司通过大功率无换向器电机的变频调速技术，将单机容量六万千瓦的设备应用于抽水蓄能电站。

法国的阿尔斯通已经能够通过大功率交-交变频，即循环变流器的调速技术将单机容量达三万千瓦的的电气传动设备应用于船舶的推经系统。

国外的交流变频调速技术的高速开展具有以下几个方面的特点：

〔1〕微电子技术和控制理论的开展。

专用集成电路技术、信号处理器和16位、32位高速微处理器的高速开展，给予了变频器多功能、高精度性能产生的硬件条件，同时，模糊控制、转矩控制、磁通控制、矢量控制等这些新的控制理论给予了高性能的变频器的产生以雄厚的理论根底。

〔2〕功率器件的开展。

最近几年以来，串联、并联技术的开展应用，大电流的IGCT、IGBT、GTO以及SCR、高电压等期间的生产，让具有大功率、上下压性能的变频器产品真正得以生产并广泛应用。

〔3〕市场的大量需求。

能源全球性短缺问题的到来以及工业自动化的程度不断的提高，变频器也得以在水泵、风机等节能场合以及食品、冶金、造纸、化工、纺织、机械等各个领域广泛应用，并且取得了显著的经济效益。

〔4〕根底工业和各种制造业的高速开展使得变频器相关配套件社会化、专业化生产。

1.2.2我国变频技术开展现状

变频调速技术是最近几年来在交流调速技术中开展最快，也是最活泼的，同时，它也是交流调速的主要容和根底。

变压器出现在上个世纪，它的出现为改变电压变得更加容易，也造就了一个相当庞大的电力行业。

变频调速技术的出现，让频率变成了可充分利用的资源，也改变了一直以来交流电的频率一直是固定不变的这个状况。

自研发至今，变频技巧在很多出产工艺中都获得了明显的节能效果。

国度?

节能减排十二五方案?

要行节能改革工程，电机系统节能是重要工程之一，要求对电机系统实行变频调速、永磁调速、无功补偿等节能改革，优化系统运行和把持，进步系统整体运行效力。

方案提出，2021年电机体系运行效率比2021年进步2个~3个百分点，十二五时代构成800亿千瓦时的节电才能。

因此，十二五以来，节能环保作为我国产业经济开展的中心，在为我国产业的可连续开展指明方向的同时，也在有效拉动我国变频器行业的可连续开展，使我国变频器行业一直拓展工业的市场占领率，并凭借强劲的开展力成为我国工业经济开展的主要基点[3]。

目前，我国正在鼎力推进节能环保理念，在2021年变频工业的细分化市场涌现6%的萎缩之后正在逐渐回复增加，4万亿元的节能环保投资进一步刺激变频器行业市场的开展。

以水泥行业为例，在水泥厂的机电设备中，离神思、水泵类设备、空气紧缩机、选粉机、回转窑、球磨机、板式喂料机、调速皮带秤、喂煤绞刀、篦冷机及破窑罗茨风机、卸料机等所有须要交换调速的设备上都能够用变频调速器，以到达节能降耗的功能[5]。

其中，风机调节采取变频调速作为节能手腕在海外各行业被普遍采用，国外水泥企业已普遍应用风机变频调速满意不同工作状况体系调节，以减少电耗本钱。

挖掘风机节能潜力成为晋升水泥企业市场竞争力的一大举动。

1.3论文主要工作

本文主要对变频节能技术及其应用进展研究。

全文共分为五章，各章容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国外开展现状，介绍论文的主要容；

第二章主要介绍了变频节能的根本理论，主要包括变频器的根本构造、变频器的分类以及变频节能的根本原理等；

第三章主要是以华能曲阜热电厂#1机和＃2机分别安装有2台6kV凝结水泵电机改造为例，详细的介绍了变频节能系统配置、变频控制系统的根本原理以及变频节能系统调试过程等；

第四章是在第三章的根底上，对第三章的节能改造工程结果进展分析，得出节能的根本情况等；

本文最后对全文进展总结，并指出了研究课题的未来开展方向。

2变频节能技术简介

2.1变频器的根本构造

变频器就是把工频电流电源〔电网供电〕转换成交流电的交流装置，这种频率可以变、电压也可变的交流电才是交流电机变频调速所需要的。

变频调速系统中的变频器可以分为两种：

“交-直-交〞形式的变频器和“交-交〞形式的变频器，如下列图2.1所示：

图2.1变频器示意图

“交-直-交〞电压型变频器是迄今为止应用最广泛的中小容量变频器，其根本构造如下列图2.2所示：

图2.2“交-直-交〞电压型变频器构造图

其包括以下几个主要环节：

〔1〕中间直流环节，为了保证控制电路以及逆变电路获得高质量的直流电源，就需要通过该环节对整流电路的输出进展滤波[6]。

电压型变频器就是在滤波时采用的是大电容，电流型变频器那么是在进展滤波时采用大电感进展。

本文统一采用的是电压型变频器进展的论述。

〔2〕逆变器，功率逆变器就是将直流转换成电压可调、频率可变的交流电的装置。

使用的功率元件主要有功率场效应管、大功率晶体管、控制极可关断的晶闸管以及普通的晶闸管等。

〔3〕整流器，可分为可控整流器和不可控整流器，前者由晶闸管元件构成，后者由硅整流元件构成。

其作用就是将交流电整合成直流电。

此方面的技术早就已经成功解决，并且大家已耳熟能详。

〔4〕控制电路是根据变频调速的不同控制方式产生相应的控制指令，控制功率逆变器中各种功率元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。

一般采用SPWM数字波形的方法进展控制驱动逆变器。

2.2变频器的分类

变频器的分类方法有多种，通用变频器按其主电路构造形式可分为交-交变频器和交-直-交变频器，如果主电路中没有直流中间环节的称为交-交变频器，有直流中间环节的称为交-直-交变频器；按其工作方式可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照逆变器开关方式分类，可以分为PAM〔PulseAmplitudeModulation，脉冲振幅调制〕控制变频器、PWM〔PulseWidthModulation，脉宽调制〕控制变频器和高频载波SPWM〔SinusoidalPWM，正弦脉宽调制〕控制变频器；按其逆变器控制方式可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

2.3变频节能原理

所谓变频调速是指通过转变电机的转动速度，从而到达节能的目的，其最终的目的就是使得电机的输出功率与相应的负荷变化相结合，使得他们的步调一致，这样就可以到达节能的目的。

在变频节能系统中应用最广的就是变频器，变频器涵盖的容十分的广泛，它主要是由点击传动技术、电力电子技术以及计算机技术等组合而成的综合性的新技术，包含了电力系统和机械设备方面的各种知识，它在工作的时候将工频电流的信号频率通过相应的操作转变成其他的频率，这样的转变主要是运用半导体的原件进展操作完成，然后再把交流电源转变成直流电，在对频率进展转化的时候，使得机电设备的节省率控制在最正确的围。

变频节能主要包括功率因数补偿节能、变频节能以及软启动节能，这种技术在水泵和风力机电中应用的比拟广泛。

现如今，随着各种技术的不断进步和开展，各种电机为了保持良好的可靠性，纷纷的在设计驱动的时候挪出一局部充裕，这样可以保证电机在满负荷工作的情况下，能够满足动力驱动等方面的要求，但是多余的功率就是流失，使得电力浪费。

泵类等机电设备在原来是通过对出口和入口的挡板进展调节来控制相应的给水和给风的用量，他的输入功率在各种符合的作用下都不会发生改变，这就使得大量的能源遭到浪费，但是如果采用变频调速的技术的时候，如果流量等方面的要求降低，那么可以通过跳着风机的转动速度来降低流量的大小，实现真正的节能。

按照电机学的根本原理，电机的转速满足如下的关系式：

〔2.1〕

式中：

——电动机的转速；

——电动机的电源频率；

——电动机的同步转速；

——转差率；

——极对数。

由式〔2.1〕可知，假设要实现转速的调速，只需调节

、

和

三个变量。

根据改变电机的不同参数，相对应的三种应对措施调速：

（1）改变电机的转差率

该调节方式有着简单的系统构造，在某些场合得到应用。

例如电机的转子串电阻调速和串极调速都属于通过改变电机的转差率来进展调速。

（2）改变电机的磁极对数

其应用的广泛程度受到限制，主要原因是调速方式的影响，其采用的是有级调速的方法。

（3）改变电机的电源频率

该调节方式应用最为广泛，效率也最高，能够构成高性能的动态交流调速系统，相比拟而言是开展前途最大的调节方法。

电动机制造完成，转差率

和磁极对数

就确定了，而转速

与频率

之间有着线性关系，因此在理论上该调节方式的调速围可到达100%。

由于这些优点变频调速方法在改造工程中得到广泛采用。

3变频节能系统

3.1变频节能系统配置

3.1.1变频改造方案

将除氧器水位反应信号以及变频器的调节功能接入到DCS系统，对DCS系统的变频器频率手动和自动调节进展控制，从而能够实现对凝结水泵水量和转速自动和手动的控制，同时将变频器的连锁、监视、保护信号接入到DCS系统；在机组6KV配电室，安装空调对变频器进展冷却，加装旁路刀闸柜2台，高压变频器1台，一拖二使用，用来提高设备的使用效率。

在高压变频器功率单元使用的是IGBT低压模块作为逆变器件，每组功率模块互换性强，且其电气性能和构造是一模一样的。

高压变频器控制器的构成局部主要由PLC电路、人机操作界面以及高速单片机，它的主要优点有以下几个方面：

PLC电路提高了设备的平安等级和保护，也使得系统的开关信号有了多级保护措施和逻辑处理；人机操作界面促进了操作人员与高压变频调速装置的信息交流；高速单片机的应用实现了PWM控制。

与此同时，光纤技术的使用也更加有效地解决了电磁干扰与上下压隔离的问题，使得功率单元与控制器之间的信号交换更加平安可靠。

其硬件组件主要包括：

控制柜、模块柜、变压器柜以及旁路柜[7]。

该工程的操作已经通过充分的调研，制定了可行性技术规，形成了技术方案。

为了使工程的投资本钱降低，由由检修部电气专业安装设备，设备到货后，检修部热工、电气专业加班加点抢安装，确保了施工进度。

图3.1凝结水泵变频改造操作原理

改造操作的实施原理图如图3.1所示，主要由QS1-QS6六个高压隔离开关组成。

其中，QS6和QS5，QS3和QS2安装了机械的互锁装置，QS1和QS4，QS5和QS2，安装了电气的互锁装置。

假设两路电源同时供电，M2工作在工频状态，M1工作在变频状态时，那么QS3和QS5、QS4分闸，QS1、QS2和QS6处于合闸状态；M1工作在工频状态，M2工作在变频状态时，那么QS2和QS6、QS1分闸，QS5、QS4和QS3处于合闸状态；假设检修变频器，QS6和QS3可以处于任一状态，那么其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；假设只进展一路电源的检修时，可以通过分合隔离开关的方式，使任一电机变频运行。

将除氧器水位反应信号以及变频器的调节功能接入到DCS系统，对DCS系统的变频器频率手动和自动调节进展控制，从而能够实现对凝结水泵水量和转速自动和手动的控制，同时将变频器的连锁、监视、保护信号接入到DCS系统，其中，包括开关量的输出输入以及模拟量的输出输入。

正常情况下，允许有一负载工作处于工频状态，另一负载工作处于变频状态，也可以两台同时处于工频状态。

设备简单、价格廉价，同时也减少了故障出现的概率。

3.1.2变频改造设置

变频器与控制系统的系统接口图如图3.2所示：

图3.2系统接口图

操作人员需要在凝结水泵转速控制器手动输入除氧器水位设定值，如可设定为2500mm，水位测量变送器安装在除氧器上，DCS逻辑PID模块对设定值与水位实测值的偏差进展运算，并且输出4-20mA转速指令信号给凝结水泵变频器，成为了高压变频器的频率模拟给定值，变频器部模板运行，然后输出所需频率到凝结水泵电机[8]。

假设设定值与水位实测值的偏差很大时，那么就需要提高电机的频率，随转速的增加偏差减小，频率降低，直至两者之间的偏差值几乎趋向于0，但是不会到达0。

随着凝汽器里的压力的不同，水位的实测值就不同，因而产生不同的输出频率和给定频率以及不同的偏差值，从而实现电机转速的自动调节，调节控制图如图3.3所示：

图3.3调节控制图

变频调节装置安装在在凝结水泵电机上以后，在确保凝结水母管压力的条件下，并且根据机组的实际情况，对除氧器的进水控制逻辑进展修改，运行中机组需要维持除氧器进水门全开的状态，使用变频装置来调节除氧器的水位。

除此之外，还需要及时的调整凝结水压力低开启备用泵定值、给水泵密封水差压低保护定值以及低旁减温水压力低保护定值。

3.2变频控制系统的根本原理

华能曲阜热电厂#1机和＃2机分别安有2台6kV凝结水泵电机，每台额定的容量为450千瓦，在工作时一台留有备用，另一台正常运行，机组的平均负荷率大约只有75%，在大局部时间里机组偏离额定的工况，通过调节回水阀门开度调节凝结水量，致使局部凝结水的重复循环，浪费能源。

#1和#2机组凝结水泵使用的是一模一样的变频改造方式，因此两机组一起进展研究和分析。

异步电动机的转速公式如公式〔3.1〕所示。

〔3.1〕

式中n—电动机转速

—电动机定子供电频率

—电动机极对数

—电动机转差率

由公式〔3-1〕可知，电动机的转差率、极对数不变时，电动机的供电频率与转速呈线性的关系。

除此之外，电动机需要保证的两个关键性的指标就是：

输出力矩以及磁通密度，决定于供电频率和电压的比值V/f，所以，在电动机调速过程中，降低频率的同时，还需降低供电电压，也就是让变频装置实现电压与频率的协调控制。

当凝结水泵的流量和水压需要调节时，传统的做法就是启停电机或调节阀门，但是此做法损耗大，同时也降低了水泵的总效率。

然而，在利用变频调速后，就可以按照实际的需要，升降电机转速，从而改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。

变速前后转速、功率、水压与流量之间的关系见公式〔3.2〕、〔3.3〕和〔3.4〕。

〔3.2〕

〔3.3〕

〔3.4〕

其中，Q、H、P分别为水泵流量、水压、轴功率；

如果转速由额定的50HZ降至35HZ，即：

，那么

，由此可见，降低转速也就能够大大的降低轴功率。

因为变频器的效率较高，变频器自身的功耗就很低，而在50%转速以上时，电动机因为转速的下降引起电机效率的下降并不十清楚显，此外，在满足操作要求的前提下，因为电机输出力矩是不变的，水泵转速的降低并不会导致水泵效率的降低，凝结水泵变频调速的总节能效果也就会比拟明显。

3.3系统调试及参数

3.3.1凝结水泵变频器操作

高压变频器的操作小异，类似于风机变频器的操作，此处仅对凝结水泵采用的变频器的操作做简单研究。

将柜门的选择开关拨到本控位置，进入参数界面，选为本机给定；确定系统已处于待机状态；确定电机在静止状态；设定频率；按下操作面板的启动按钮；观察电机运行的电流、电压及频率是否正常。

用DCS系统启动：

将柜门的选择开关拨到远控位置，进入参数界面，选为模拟给定；确定系统已处于待机状态；确定电机在静止状态；在DCS处设定变频给定为50%；点击操作台上的启动按钮，通过加、减速按钮，改变电机的运行转速，确认风机、电机运行是否正常；通过DCS给定电机需要运行的频率，直到到达要求为止；观察电机频率及电流是否正常。

3.3.2变频器运行操作

远程控制运行时，将柜门选择开关拨到“远程控制〞位置；将模拟给定信号接至变频器ST2端子的46，47；进入主界面的功能设定窗口，选定开环、模拟给定、正常启动运行模式；根据系统的实际情况，选定是0-10V模拟电压源给定或4-20mA电流源给定；工控机主界面除“高压不就绪〞外，如果有其他红色警示，需逐个排除并查明原因；合变频器进线高压开关，变频器给出系统待机指示；用远程“启动〞按钮启动变频器；用远程模拟信号设定变频器的运行频率，主界面提供模拟给定频率值显示；变频器的实际频率按照加、减速时间到达设定的频率值；使用远程“停车〞或者“急停〞按钮停车。

3.3.3机组电机和水泵参数

机组凝结水泵电机和水泵的参数如表3.1所示。

表3.1机组电机和水泵参数

电机型号

功率（kW）

额定电压（kV）

额定电流〔A〕

额定转速〔r/min〕

水泵型号

流量〔m3/h〕

扬程〔m〕

YLKK400-4

450

1480

16NL-180

572

192

电机型号YLKK400-4表示的意思是Y系列三相异步铝线笼式高速电动机，中心高度400mm，4个磁极。

水泵型号16NL-180表示的意思是泵入口直径为16mm的立式凝结水泵，泵设计点的单级扬程180m。

机组凝结水泵电机的构造如图3.4所示。

图3.4机组凝结水泵电机构造图

机组凝结水泵电机和水泵主要由叶轮、放气阀、冲压轴承以及轴承压盖等局部组成：

〔1〕叶轮：

叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成局部。

又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。

还指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。

〔2〕放气阀：

也叫排气阀，水暖安装中常用的一种用于放气的阀门，一般安装在系统的最高点，经常见于暖气片和分水器上，有手动放气阀和自动放气阀两种，前者需要手动操作，放气后手动关闭，比拟麻烦，手动放气阀已逐步淡出市场，后者能随时自动放气，目前新建建筑上大局部使用的是OR自动放气阀，暖气在补水的过程中会有气体进入暖气管道中，当气体拥堵时，会造成暖气不热.所以要设置OR放气阀，用于放走气体，使暖气系统循环通畅。

〔3〕冲压轴承：

最具代表性的冲压轴承，用途广泛，可承受径向负荷与双向轴向负荷；适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场合；带钢板防尘盖或橡胶密封圈的密封型轴承预先充填了适量的润滑脂；外圈带止动环或凸缘的轴承，即容易轴向定位，又便于外壳的安装；最大负荷型轴承的尺寸与标准轴承一样，但、外圈有一处装填槽，增加了装球数，提高了额定负荷。

〔4〕轴承压盖：

马葫芦井使用高分子材料与高强度玻璃钢纤维复合制成的圆筒型整体井壁，与传统砖混和浇筑相比，具有严密性好不渗漏、质量轻易于运输、抗压强度高、耐酸碱使用寿命长、安装快捷等优点。

4变频节能改造效果分析

4.1#2机组凝结水泵改造结果分析

#2机组凝结水泵改造后，2007年于11月12日投入运行。

设备运行稳定、节电效果明显。

如表4.1所示，以2007年11月14日运行数据为例做计算分析。

表4.1#2机凝结水泵变频改造前后电流比拟

机组负荷（MW）

143

154

165

176

187

198

209

220

机组负荷率（%）

100

改变频前电流（A）

改变频后电流（A）

27.2

42.5

节电率（%）

45.8

11.5

改造后统计不同负荷利用小时数（h）

统计总节电率（%）

38.6

从表4.1中可以看出，机组负荷越低，电流降得越多，节电效果越明显。

以11月14日为例，＃2机组将厂用电降低了大约0.1%，与预期测算结果的相吻合。

#2机以年利用5000小时计算，凝结水泵改加变频设备之前统计的年耗电量约为212万kWh，改变频后全年节约电量为212×38.6%=81.83万kWh。

根据改造后厂上网电价0.3549元/kWh计算可知，年经济效益约29万元。

该工程投资约72万元，回收期约为2.4年[9]。

4.2#1机组凝结水泵改造结果分析

#1机改造前后结果比照与#2机相似，再次就不再进展详细地比拟分析。

#1机凝结水泵改造完成以后，于2008年3月29日投入运行。

节电效果十清楚显，设备运行状况也比拟稳定。

变频改造后＃1机组厂用电实现了降低约0.1%的目标，与预期测算的结果相吻合。

年经济效益约35.77万元，该工程预计投资约65万元，回收期约为1.8年。

综合比拟凝结水泵变频节能改造前后的各个方面可知，凝结水泵电机在节能方面应用变频调速技术，经济利益较高，效果较好，并且改造投入较小，可操作性较强，在此方面有很大的开

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