DHVECTOL大功率高压变频器在国产超超临界机组引风机系统中的成功应用.docx

DHVECTOL大功率高压变频器在国产超超临界机组引风机系统中的成功应用2.2.1系统构成DHVECTOL-HI04750/06高压变频器采用单元串联多电平技术，直接6kV输入，直接6kV输出。由主控制系统、功率单元、移相变压器和旁通系统组成，其系统构造如图2、图3所示。该系统由24个功率模块组成，每8个功率模块串联构成一相，三相Y连接，直接输出6kV到电机。2.2.2主控制系统DHVECTOL-HI04750/06变频器控制系统采用鲁棒型无速度传感器矢量控制，对24个大功率模块进行频率准确智能控制，使变频器提供准确稳定的电压和频率输出，控制系统还对变频器各级系统进行时时监控，实现故障的及时报警和保护。由于控制系统是采用日立专用智能变频控制芯片，变频器具有极高的可靠性和安全性，同时具有良好的抗干扰性能，高精度控制性能。2.2.3输入侧变压器移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，互相之间有一定的相位差。系统变压器副边绕组分为8级,每级电压460V，互相间移相15°，构成48脉冲整流方式。这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，能够大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功率因数到达0.95以上，有效的阻止了向输入侧电网污染。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率模块的主回路相对独立，其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定，工作在相对的低压状态，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。各模块间的相对电压，由变压器副边绕组的绝缘承当，避免了串联均压问题。2.2.4逆变模块移相变压器的每级副边绕组的输出作为每个功率模块的三相输入。逆变模块是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率模块实现的，每个功率模块都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。功率模块整流输入侧用二极管三相全桥不控整流，中间采用电解电容储能和滤波，逆变输出侧为4只IGBT组成的H桥，电路构造如下列图所示。2.2.5输出侧构造输出侧由每个单元的U、V输出端子互相串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行叠加，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就能够延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时对电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。2.3变频器的旁通柜：2.3.1每一套引风机变频器配置一套手动旁路柜，直接控制变频器的输入输出，通过旁路柜的切换操作来实现引风机的工频、变频运行方式的切换。工频、变频侧隔离开关之间采用电气互锁和机械互锁相结合方式，操作方便、安全可靠。2.3.2机组正常运行时，A、B两侧引风机同时采用变频方式运行。当引风机变频器出现重故障时可手动旁路柜切换成工频方式运行，旁路柜具有明显断点，实现变频器主回路高压完全隔离，为变频器的检修提供了安全保障。图5中QS1、QS2为隔离刀闸开关,其中QS2单刀双掷开关。当变频运行状态：合隔离刀闸QS1，QS2置于a点，按变频启动规程启动变频器。当工频运行状态：QS2置于b点，隔离刀闸QS1分断，按工频启动规程启动电机。检修变频器时，断QS1，QS2置于b点。检修电机时，断QS1，QS2置于a点。该系统由24个功率模块组成，每8个功率模块串联构成一相，三相Y连接，直接输出6kV到电机。2.2.2主控制系统DHVECTOL-HI04750/06变频器控制系统采用鲁棒型无速度传感器矢量控制，对24个大功率模块进行频率准确智能控制，使变频器提供准确稳定的电压和频率输出，控制系统还对变频器各级系统进行时时监控，实现故障的及时报警和保护。由于控制系统是采用日立专用智能变频控制芯片，变频器具有极高的可靠性和安全性，同时具有良好的抗干扰性能，高精度控制性能。2.2.3输入侧变压器移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，互相之间有一定的相位差。系统变压器副边绕组分为8级,每级电压460V，互相间移相15°，构成48脉冲整流方式。这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，能够大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功率因数到达0.95以上，有效的阻止了向输入侧电网污染。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率模块的主回路相对独立，其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定，工作在相对的低压状态，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。各模块间的相对电压，由变压器副边绕组的绝缘承当，避免了串联均压问题。2.2.4逆变模块移相变压器的每级副边绕组的输出作为每个功率模块的三相输入。逆变模块是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率模块实现的，每个功率模块都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。功率模块整流输入侧用二极管三相全桥不控整流，中间采用电解电容储能和滤波，逆变输出侧为4只IGBT组成的H桥，电路构造如下列图所示。2.2.5输出侧构造输出侧由每个单元的U、V输出端子互相串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行叠加，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就能够延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时对电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。2.3变频器的旁通柜：2.3.1每一套引风机变频器配置一套手动旁路柜，直接控制变频器的输入输出，通过旁路柜的切换操作来实现引风机的工频、变频运行方式的切换。工频、变频侧隔离开关之间采用电气互锁和机械互锁相结合方式，操作方便、安全可靠。2.3.2机组正常运行时，A、B两侧引风机同时采用变频方式运行。当引风机变频器出现重故障时可手动旁路柜切换成工频方式运行，旁路柜具有明显断点，实现变频器主回路高压完全隔离，为变频器的检修提供了安全保障。图5中QS1、QS2为隔离刀闸开关,其中QS2单刀双掷开关。当变频运行状态：合隔离刀闸QS1，QS2置于a点，按变频启动规程启动变频器。当工频运行状态：QS2置于b点，隔离刀闸QS1分断，按工频启动规程启动电机。检修变频器时，断QS1，QS2置于b点。检修电机时，断QS1，QS2置于a点。3变频节能改造效果分析：3.1变频调速节能理论：过去，我们对风机、水泵采用挡板、阀门进行流量控制、造成了大量的能源浪费。如今国际上普遍采用转速调节方式进行节能，固然有多种方式，但是其中应用得最为大量的为变频调速方式。采用变频器对风机水泵等机械装置进行调速控制来控制风量、流量的方法是如今应用得非常广泛的且非常有效的节能方法，对于经济发展具有重要的意义。风机和水泵固然是两类不同的机械装置，但是就其基本构造和工作原理而言却是基本一致的，分析的方法也基本一样。下面就以风机为例进行讲明。3.1.1风机的参数和特征3.1.1.1风机的基本参数风量Q：单位时间流过风机的空气量m3/s；风压H：空气流过时产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总能量称为风机的全压HtPa，它是由静压Hg和动压Hd组成，即HtHg+Hd；功率P：风机工作有效总功率PtQHtW。如风机用有效静压Hg，则PgQHg；效率：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因而能够用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，根据风机的工作方式及参数的不同，效率分别有：全压效率tQHt/P静压效率gQHg/P3.1.1.2风机的特性曲线表示风机性能的特性曲线有：H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图6-1根据风机类似方程：当风机转速从n变到n，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：Q=Qn/n(1)H=Hn/n2(2)P=Pn/n3(3)上面的公式讲明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的二次方成正比。3.1.2管网风阻特性曲线当管网的风阻R保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与通风阻力K按阻力定律变化，即K=RQ2式中：K通风阻力，Pa；R风阻，kg/m2Q风量，m3/sKQ的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图6-1所示。显然，风阻越大曲线越陡。风阻的KQ曲线与管网阻力曲线相交的工作点成为工况点M。统同一风机两种不同转速n、n时的KQ曲线与R风阻特性曲线相交的工况点分别为M及M，与R1风阻曲线相交的工况点为M1及M1。3.1.3电动机容量计算风机电动机所需的输出轴功率为：P=QP/(TF)式中：T风机的效率F传动装置的效率。3.1.4风机的节电方法及节能原理从以上的介绍可知，风机、水泵负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，因而我们能够通过调节风机或水泵的转速来节电。3.1.4.1采用挡板控制风量和变频调速控制风量的比照图下面我们对采用挡板阀门及变频调速方式调节流量的能量消耗进行分析，以便对变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。假如设备的配置都知足设备的最佳运行状态，从图上看到：当流量Q1时，采用风机挡板和采用变频器时使用的功率将会一致，这是由于它们的输入功率都为AH0K所包围的面积。当流量从Q=1下降到Q=0.7时，采用风机挡板进行调节时的输入功率为BI0L所包围的面积，而采用变频调速后，其功率下降为DG0L包围的面积，从图上看，这个面积比BI0L包围的面积小很多。当流量进一步下降到Q=0.5时，采用风机挡板调节时的输入功率为CJ0P包围的面积，而采用变频调速时的输入功率为EF0P包围的面积，从图上看到，这个面积与CJ0P相比，其值更小。所以我们能够从直观的图形上看到采用变频调速技术时比采用风门挡板时会节约大量的能量，也就是讲：采用变频调速是一种节能的好办法。3.1.4.2那么，其计算方法怎么得到？根据风机理论，风机运行时在需要流量变化时，能够采用阀门或者挡板进行调节，其输入功率的计算公式为：Pnn=P×Hnn×Qnn其中：HnnU-(U-1)Q2nnU为系统流量为零时压力极值所以，采用风门挡板时的风机输入功率为：Pnn=P×Hnn×QnnP×U-(U-1)Q2nn×Qnn式中：Pnn为某个状态下的输入功率标么值；Hnn为某个状态下的压力标么值；Qnn为某个状态下的流量标么值；P为额定状态下的输入功率。3.1.5采用变频调速时的功率计算：3.1.5.1异步电机的转数为：转数n=60f(1-s)/p3.1.5.2风机泵类流量、压力、功率与转速n关系为：流量Qn；压力Hn2功率Pn3假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；所需流量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出下式：P0：n03=Pg.in：n13所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为3变频节能改造效果分析：3.1变频调速节能理论：过去，我们对风机、水泵采用挡板、阀门进行流量控制、造成了大量的能源浪费。如今国际上普遍采用转速调节方式进行节能，固然有多种方式，但是其中应用得最为大量的为变频调速方式。采用变频器对风机水泵等机械装置进行调速控制来控制风量、流量的方法是如今应用得非常广泛的且非常有效的节能方法，对于经济发展具有重要的意义。风机和水泵固然是两类不同的机械装置，但是就其基本构造和工作原理而言却是基本一致的，分析的方法也基本一样。下面就以风机为例进行讲明。3.1.1风机的参数和特征3.1.1.1风机的基本参数风量Q：单位时间流过风机的空气量m3/s；风压H：空气流过时产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总能量称为风机的全压HtPa，它是由静压Hg和动压Hd组成，即HtHg+Hd；功率P：风机工作有效总功率PtQHtW。如风机用有效静压Hg，则PgQHg；效率：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因而能够用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，根据风机的工作方式及参数的不同，效率分别有：全压效率tQHt/P静压效率gQHg/P3.1.1.2风机的特性曲线表示风机性能的特性曲线有：H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图6-1根据风机类似方程：当风机转速从n变到n，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：Q=Qn/n(1)H=Hn/n2(2)P=Pn/n3(3)上面的公式讲明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的二次方成正比。3.1.2管网风阻特性曲线当管网的风阻R保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与通风阻力K按阻力定律变化，即K=RQ2式中：K通风阻力，Pa；R风阻，kg/m2Q风量，m3/sKQ的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图6-1所示。显然，风阻越大曲线越陡。风阻的KQ曲线与管网阻力曲线相交的工作点成为工况点M。统同一风机两种不同转速n、n时的KQ曲线与R风阻特性曲线相交的工况点分别为M及M，与R1风阻曲线相交的工况点为M1及M1。3.1.3电动机容量计算风机电动机所需的输出轴功率为：P=QP/(TF)式中：T风机的效率F传动装置的效率。3.1.4风机的节电方法及节能原理从以上的介绍可知，风机、水泵负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，因而我们能够通过调节风机或水泵的转速来节电。3.1.4.1采用挡板控制风量和变频调速控制风量的比照图下面我们对采用挡板阀门及变频调速方式调节流量的能量消耗进行分析，以便对变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。假如设备的配置都知足设备的最佳运行状态，从图上看到：当流量Q1时，采用风机挡板和采用变频器时使用的功率将会一致，这是由于它们的输入功率都为AH0K所包围的面积。当流量从Q=1下降到Q=0.7时，采用风机挡板进行调节时的输入功率为BI0L所包围的面积，而采用变频调速后，其功率下降为DG0L包围的面积，从图上看，这个面积比BI0L包围的面积小很多。当流量进一步下降到Q=0.5时，采用风机挡板调节时的输入功率为CJ0P包围的面积，而采用变频调速时的输入功率为EF0P包围的面积，从图上看到，这个面积与CJ0P相比，其值更小。所以我们能够从直观的图形上看到采用变频调速技术时比采用风门挡板时会节约大量的能量，也就是讲：采用变频调速是一种节能的好办法。3.1.4.2那么，其计算方法怎么得到？根据风机理论，风机运行时在需要流量变化时，能够采用阀门或者挡板进行调节，其输入功率的计算公式为：Pnn=P×Hnn×Qnn其中：HnnU-(U-1)Q2nnU为系统流量为零时压力极值所以，采用风门挡板时的风机输入功率为：Pnn=P×Hnn×QnnP×U-(U-1)Q2nn×Qnn式中：Pnn为某个状态下的输入功率标么值；Hnn为某个状态下的压力标么值；Qnn为某个状态下的流量标么值；P为额定状态下的输入功率。3.1.5采用变频调速时的功率计算：3.1.5.1异步电机的转数为：转数n=60f(1-s)/p3.1.5.2风机泵类流量、压力、功率与转速n关系为：流量Qn；压力Hn2功率Pn3假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；所需流量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出下式：P0：n03=Pg.in：n13所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为考虑变频器和电机效率后，输入功率为：式中：P0被拖动的电机的轴功率1被拖动的电机效率2变频器效率3.2结合现场参数分析：3.2.1在不同负荷工况下，引风机系统现场实际运行参数见表2