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高压变频调速器在化工厂主风机上的应用
1、引言
随着现代工业的飞速发展及市场竞争的日益加剧，加上能源供应紧张和能源价格不断攀升，企业采用新技术实现节能降耗、降低生产成本、提高市场竞争力，已是大势所趋。因此，化工厂对给主风机进行了改造，改用变频器对风机进行调速。
某化工厂有一台6300kW/10kV主风机，电机启动方式采用水电阻启动。工艺要求的风量根据进料量进行调节，没有全负荷生产，若生产量大，进风口挡板开大。根据产量高低，风门开度仅控制在30~35%左右。由于采用进风门挡板调节，大部分的能量都被消耗在挡板上了，且挡板的开度越小则耗能就更多。
2、主风机变频改造方案
2.1 变频器选型
一般情况下，变频器容量应不小于电动机容量，这样能满足电机在额定出力内进行不同转速的调节。但在现实生产工作中，根据实际运行工况来选择合适的变频器容量，既能满足生产需要，又能节省变频器投资及减少配套设施。主风机电机为10kV/6300kW电机，设计时存在一定裕量。为了满足50Hz时满负荷运行要求，我们为其配备了容量为8000kVA的变频器以满足各种工况下不同转速调节的要求。
2.2 系统方案
对热电厂给水泵变频的改造遵循了“最小改动，最大可靠性，最优经济性”原则，考虑到变频器退出运行后，为了不影响生产，确保系统正常工作，配置工频旁路，当变频器出现故障时，将电机投切到工频下运行。
变频器一次回路由2个高压真空断路器QF1～QF2和原有设备组成。10kV电源经高压断路器QF1到高压变频装置，变频装置输出经真空断路器QF2送至电动机，电动机变频运行；10kV电源还可经原有水电阻启动装置直接起动电动机，电动机工频运行。QF2与原有水电阻启动装置电气闭锁，旁路柜系统满足“五防”联锁要求。高压开关QF11、原有水电阻启动装置与电动机为原有设备。3、 高压变频器的组成和原理
高压变频器是具有自主知识产权，无电网污染的调速系统，采用的结构为多单元串联，输出为多电平移相式PWM方式。特别适合于风机、泵类工业应用现场，已经被广大工业用户接受和充分认可。本项目为10kV系列，变频器主电路结构见图2。
图2 高压变频器主电路原理图
3.1 功率单元电路
图3 功率单元电路原理图
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构如图3所示，为基本的交-直-交电路，图中通过三相全桥方式整流，整流后给滤波电容充电，确定母线电压，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现逆变。
3.2输入侧移相变压器
输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机电流、1/10的相电压、1/30的输出功率。30个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。
本机中移相变压器的副边绕组分为三组，构成60脉冲整流方式；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1，输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于3%,低于国家标准。
3.3输出侧结构
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，可得到如图5所示的阶梯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。
4、节能分析
电动机相关数据：PN=6300kW，UN=10kV，IN=416.4A，cosφ=0.85，η=0.95
且电机运行情况为每天在150A运行10小时，200A运行10小时，300A运行4小时。
电机运行在150A时节约电能为：
未改造前，系统输入功率为：
P1=UNI cosφ=×10×150×0.85=2208.3(kW)
当实际运行电流I=150A时，由于负载率β= P/PN=UNI cosφη/PN
则我们可以通过运算得到风机的负载率β=1.732×10×150×0.85×0.95/6300=0.333=33.3%。
根据经验，风机在额定转速下利用风门开度调节风量时，33.3%的负载时风机的风量约为33%左右。
进行变频调速改造后，风机的实际转速为n=33%n0
风机消耗功率P2=PN×（n/ n0）3=6300×0.333=226.4（kW）。考虑到变压器及变频器功率器件等做功引起的电能损耗约20%，即：
P2 = P2×1.2=271.68（kW）
风机进行变频改造后，功率节约为：
P1－P2=2208.3-271.68=1936.62（kW），即每小时可节电1936.62度；
同样可得电机在200A及300A运行时每小时节约电能为2304.4度及2243.13度。故每天节约电能为：1936.62*10＋2304.4*10＋2243.13*4＝51382.72度
若按全年统计，节能效果非常显著。同时，主风机的无功耗能亦大幅降低，这里不再一一计算。并且变频运行后挡板全开，电机基本保持在高效点，运行效率也大大提高。
5、结论
对某化工厂主风机实施了变频改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，电机实现了软启动，延长设备的使用寿命，减少维修量，取得了预期的效果。
中、高压变频调速系统是实施有效节能的重要装备，是国家当前社会经济发展的急需，在加快建设节约型社会的历史进程中，我们必将迎来一个高压变频调速技术发展和推广应用的时代。
4、节能分析
电动机相关数据：PN=6300kW，UN=10kV，IN=416.4A，cosφ=0.85，η=0.95
且电机运行情况为每天在150A运行10小时，200A运行10小时，300A运行4小时。
电机运行在150A时节约电能为：
未改造前，系统输入功率为：
P1=UNI cosφ=×10×150×0.85=2208.3(kW)
当实际运行电流I=150A时，由于负载率β= P/PN=UNI cosφη/PN
则我们可以通过运算得到风机的负载率β=1.732×10×150×0.85×0.95/6300=0.333=33.3%。
根据经验，风机在额定转速下利用风门开度调节风量时，33.3%的负载时风机的风量约为33%左右。
进行变频调速改造后，风机的实际转速为n=33%n0
风机消耗功率P2=PN×（n/ n0）3=6300×0.333=226.4（kW）。考虑到变压器及变频器功率器件等做功引起的电能损耗约20%，即：
P2 = P2×1.2=271.68（kW）
风机进行变频改造后，功率节约为：
P1－P2=2208.3-271.68=1936.62（kW），即每小时可节电1936.62度；
同样可得电机在200A及300A运行时每小时节约电能为2304.4度及2243.13度。故每天节约电能为：1936.62*10＋2304.4*10＋2243.13*4＝51382.72度
若按全年统计，节能效果非常显著。同时，主风机的无功耗能亦大幅降低，这里不再一一计算。并且变频运行后挡板全开，电机基本保持在高效点，运行效率也大大提高。
5、结论
对某化工厂主风机实施了变频改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，电机实现了软启动，延长设备的使用寿命，减少维修量，取得了预期的效果。
中、高压变频调速系统是实施有效节能的重要装备，是国家当前社会经济发展的急需，在加快建设节约型社会的历史进程中，我们必将迎来一个高压变频调速技术发展和推广应用的时代。
