【电力期刊】变频器在电厂渣浆泵中应用.pdf

《【电力期刊】变频器在电厂渣浆泵中应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【电力期刊】变频器在电厂渣浆泵中应用.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第2 7卷第9期硒2 0 0 7 年9 月 电 力 自 动 化 议 备E l e c t ri c P o w e r A u t o ma t i o n E q u i p me n tVo 1.2 7 No.9S e p t.2 0 0 7变 频 器 在 电 厂 渣 浆 泵 中 应 用骆皓，朱卫风2，钱诗宝，张延安(1国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 3;2.望亭发电厂，江苏 苏州 2 1 5 1 5 5)摘要:望亭电厂 1 4号机组渣浆泵进行了国产A S D 3 8 0 D-1 6 0变频技术改造。该变频器在传统变频调压V V V F(V a ri a b

2、l e V o l t a g e V a r i a b l e F re q u e n c y)控制策略的基础上优化了矢量控制，在特定条件下通过特定消谐算法降低了变频输出电压谐波。分析了连续运行 1 3个月所产生的节能效益，以及改造后节水所产生的效益;因为此次 技术改造实现了时渣浆池水位的P I D闭环控制，除节电、节水外，基本结束了观侧水位的繁琐劳动方式，同时也基本停止了对补水阀门的频繁操作;因为实现了 恒水位控制，避免了空泵运行，有效延长了水泵的使用寿命且降低了 其日常 机械维护费用。关键词:变频 技术;节能;闭环控制;渣浆泵中图分类号:T M 6 2 1;T N 7 7 3文献标识

3、码:B文章编号:1 0 0 6-6 0 4 7(2 0 0 7)0 9-0 1 1 6-0 4(l)(2)苏州望亭电 厂原渣浆泵运行方式为定速方式，渣浆池水位采用探头监视，流量、流速完全依靠截流阀门和补水阀门的操作。其缺点是:电机定速运行耗能大;监视不及时易出现空泵运行或渣浆水溢出;阀门 磨损严重。变频器以其优越的调速特性和简单化的操作方式已基本取代了传统的变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速等交流电机调速方式。现就苏州望亭电厂所应用国产变频器基本控制原理、变频器输出消谐技术应用、变频器功能等几方面 进行了 理论分析，对应用 前后工 况进行了比 较，并且对节能效果进行了实际测量值的分析。

4、1 变频器基本工作原理 目前，国内外通用变频器生产厂商的变频主回路拓扑基本相通，均采用两电 平的 交一 直一 交方案，首先把工频交流电 通过整流器变换为直流电，然后利用逆变器变换为所需频率的交流电。但由于 控制策略的不同，各厂商所生产的变频器性能、保护功能、可靠性各方面大相径庭。传统变频器采用正弦脉宽调制(S P W M)控制方式，其特点是控制电路简单、成本低、机械特性硬度较好，能够满足一般传动的 平滑调速要 求;缺点是动态转矩能力和静态调速性能 较差，整流后直流母线电 压利用率低，直接导致电机转矩利用率不高 1-4 1 新一代变频器多采用电压空间矢量法(磁通轨迹法，S V P WM控制方式)

5、，此控制方式直接以电机气隙的 理想圆形旋转磁场轨迹为控制对象，在此基础上，通过对频率进行补 偿，达到对电 机的转速 进行高性能控制;对 输出电压进行补偿，消除电 机定子压降的 影响，达到对电 机的 转矩进行高性能的控制;将输出电压和电流进行反馈，大幅度提高动态精度和稳定度;基于对开关管死区和最小脉宽的研究，对S V P WM算法进行优化，并且引人特定消谐S H E(S e l e c te d H a r m o n i c E l im i n a t e d)算法，使得通用变频器的 技术含量得以大幅提升，性能走上一个新的台阶，也大幅度降低了 变频器的 输出谐波，降 低电机损耗、提高电 机效

6、率、降低电 磁噪声、减小 转矩脉动。2 变频器 S H E算法应用研究 当前通用变频器脉冲输出基本算法均采用空间电 压矢量算法 f5-6 1，其特点是直流电压利用率高，每次只动作一只 半导体器件，损耗低，数字化实现简单。但无论是 S P WM还是S V P WM都没有根本解决变频器输出谐波大的问题，直接导致电机发热严重，影响电机 使用寿命。变频器 S H E算法 的基本原理是计算每个开关器件的开关角度，以实现所需要的 输出电压，达到消除低次谐波的目的(高次谐波的消除容易通过硬件实 现)，一“。S H E 算法理论出现时间 较早，但是由 于 其在线计算量 非常 庞大，实际 应用阻力较大。随着 计

7、算机技术的快速发展以及存储器件读写速度的大幅提高，S H E 技术可以较为 方便地工作于 离线状态。图 1 所示为A相电压输出波形。将其进行傅里叶级数展开.可得:认=艺 as i n(n td t)+bc o s(n a l t)a。二 十:”U A s i n(n r li t)d(i rr t)收稿日期:2 0 0 6-1 1-2 7;修回日期:2 0 0 7-0 4-0 9 T-即id.I n s tr-t.T MS 3 2 0 L F/L C 2 4 0 X A D S P c o n t ro ll e rs r e f e r e n c e,s y s te m a n d p

8、e ri p h e r a ls.万方数据丝一一一一一一一一竺些遗竺恻鲤红些逐鱼鱼一一 一 鱼 一+u a0一U,一3 0 0图1 S H E控制算法变频骼 A相电压输出波形F ig.l Wa v e f o r m o f p h a s e A o u t p u t v o l t a g e o f i n v e rt e r w i t h S HE c o n tr o l a l g o r i th m孟/m，。=工 汽 U k c o s(n(e t)d(m t)(3)图2输出频率为5 0 H:时特定消除 5-1 9次谐波S H E仿真波形F i g.2 S i m u

9、l a t iv e w a v e f o r m s o f S H E w it h o u t p u t freq u e n c y o f 5 0 Hz a n d h a r m o n ic s f rom 5 th t o 1 9 th e li m i n a te d根据图1 可得:当n 为奇数时表 1输出频率为5 0 H:时5 一 1 9次 谐 波抑 制效 果。二 4n 71。【一 卜 2 Y2 7.k=1(一 ，、一 一，卜“一。(，T a b.l E ff e c t o f h a r m o n i c re s tr a i n fr o m 1 9 th

10、w it h o u tp u t fr e q u e n c y o f 5 0alg-1211 当 n 为偶数时 a=(),b,=0 (5)由于输出电压不存在偶次谐波，且由于三相对称负载线电压不存在3 次 倍数谐波，故选择消除谐波次数应当为57,1 1 次类推。由上述知输出电压基波幅值为a t,输出电压5 次谐波幅值为a 5，直至T次谐波幅值为a r(T 为奇数)。定义输出电压基波幅算法S V P W MS H E。2.50.7 2 5;.:1.51.2 51.05 t h toH za价，3注:Q为1 次谐波时电压幅值,i=5,7,1 1,1 3,1 7,1 9;逆变直 流 电 压 为

11、 5 1 4 V;S V P WM算 法开关频 率为 2 k H z值与 直流电压比为调 制比.以 m表示命=m,命=0(n=5,7,1 1，则有二，T)(6)根据式(6)可得出非线性方程组:土-1+2 c o s a,-2 c o s a 2+2 c o s a 3-2(-1)c o s 喇 二 m万-1+2 c o s(5 a,)-2 c o s(5 a 2)+2 c o s(5 a,)-一 2(-1)c o s(5 a N)二 0冗卫hl 4，。，、，、，、门、1 一1 十LC o s t l a,)一 c o s t l ap t t zc o s t/al l 一-一九 2 几2(一

12、)c o s(7 a,v)=0 4h N _,介-1+2 c o s(h,-,a,)一2 c o s(h N _,a 2)+2 c o s(h N-,a 3)-一 2(-1)C O S(k V _,a A)二 0其 中，h,h 2,，二、h N-,为 N个方程中需要抑制的N-1 个谐波次数。在解以 上方程组时，h,h 2,-.h N-,必须在 5,7,1 1,-,T中选取，且必须满足0 a,a 2 aN 7 C/2 a 通过牛顿迭代法数值计算，得出a,a 2,.,a N,并存储于E 2 P R O M中，以供C P U控制中查表。在实际应用中，选取5,7,1 1,1 3,1 7,1 9 次谐波

13、为消除对象，求得a,a 2,a 3,.、a,，变频器 输出波形如图2 所示，抑制后各次谐波幅值与5 V P W M输出结果 比较见表 L水量、水压处于不受控状态，而实际得到的风量、风压、水量、水压等参数往往超过实际所需要的参数，在此工况下，用户往往通过阀门进行调节，损耗很大，直接导致电能的损耗。苏州望亭电厂渣浆泵原生产工艺采用电机全速运行方式，根据锅炉出灰量的大小，渣浆池水位和管道灰水流速完全依赖截流阀门的调节和补水阀门的调节，所以，电机始终处于满负 荷工作状态。若应用变频器、则可以对电机进行零损耗 实际损耗约为2%)的 调速。令水泵流量为认扬程为H，转矩为T，轴功率为P，转速为n。下文pi

14、水泵的平方转矩关系为例进行详细的量化分析。假 设同 一台 水泵 在n，和n 2 不同 转速 运行 时，Q,/Q:二 n,/n 2,H,/H:二(n,/n 2),T,/T 2=(n,/n 2)?,P,/P 2 二.(n,/n 2)3，流 量与 转 速 成 正比 关系，扬 程和 转矩与转速的平方成正比 关系，轴功率与转速的 立方成正比关系。由 异步电机 原理可知，电机的 转速与输人电 源频率 有 如下 关系:n=6 0 f(1-s)/p，其中，。为 转 速，f 为输入电频率，;为转差率，p为 极对数。以4 极电机为例，将同步转速代替异步转速进行理论计算:若调 整流 量为额定 输出 流量的8 0%,

15、调整输出频 率为4 0 H z,则电机转速将从 1 5 0 0 r/m i n降低至 1 2 0 0 r/m i n，则功率将降低，且P d/P N=(4 0/5 0)3=5 1:2%，其中，P a为变频器拖动时电机消耗功率，P N 为电机定速运行消耗的功率。采用阀门调节时电机消耗功率公式为只/P N=0.4+0.6 Q/Q N，仍旧 调整输出流量为额定流量的8 0%工况时，P/P N=8 8%,P代表阀门调节流 量 时电 机 消 耗功 率，则节 电 可 达 到3 6.8%o3 变频器节能原理 当异步电 机拖动风机、水泵在工频运行时，电动机工作在满负荷状态，风机和水泵的风量、风压、4 苏 州

16、望 亭电 厂 变 频 器 改 造 声案 苏 州 望 亭 电 厂 14 号 机 组 渣 浆 泵 变 频 改 造 方 案 如图 3所示。万方数据硒电 力 自 动 化 议 备第 2 7卷 圈3 1 4号机组涪装泉变顺系统原理圈 F i g.3 A s h-w a te r p u m p in v e rt e r s y s t e m o f u n i t 1 4 该改造系统由下述几部分构成:8.变频器本体;b.水位传感器单元，由水位传感器检测渣浆池水位，水位信号通过 4 一2 0 m A电流信号传递至变频器P I D控制信号输人口;系统保护电气装置，主要指变频器的输人、输出空气开关，用于非正

17、常状况下对进线电源的 保护和对电机的保护;d.各类开关器件，实现远程命令的输人和操作模式的切换。国产 A S D 3 8 0 D系列通用变频器具有功能强大、数目 众多的数字量和模拟量输人、输出接口9 。各端口功能主要包括各类开关量命令输人端口、各类开关量状态输出端口、各类模拟量命令输人端口、各类模拟量状态输出端口及可直接接人用户 D C S系统的R S-4 8 5 通信端口。以上所述所有端 口可以保证变频器在各类工况下由用户 自 行灵活配置控制方案。在实际应用中，变频器可以运行在手动开环状态、自动开环状态、手动闭环状态、自动闭环状态等适应各种操作方式的运行状态。变频器除可进行手控盘操作外，可通

18、过 4-2 0 mA自动控制信号或 0-1 0 V的自动控制信号对变频器的 转速进行本地和远程的 手动调节，也可以设定控制对象的收敛参数，通过4 一 2 0 m A反馈信号(诸如风压、风量、水压、水量等)实现转速的P I D自 动调整。该项目改造中所用水位传感器为 U D M-2 1 系列浮球式液位变送器，其优点是适合多悬浮物、污浊、悬浮颗粒多的 水体使用，不同于投人式液位变送器在污水中易发生颗粒物堵塞取样点。其水位测量范围最大可达到4m，误差度小于 2.5%，完全满足望亭电厂渣浆泵改造需要。图4所示为国产 A S D 3 8 0 D-1 6 0变频器在实验室中拖动额定转矩启动时对应输 出电压

19、波形;图5所示为实验室中拖动额定转矩启动能力及对应输出电流波形;图6 所示为该变频器在频率调节范围内 设置平方转矩曲线时，拖动平方转矩负载实际测得转矩输出 能力曲 线，f 为输出频率，T。为输出额定转矩;图7 所示为该变频器在频率调节范围内 设定线性U/f，曲线时拖动额定负载能力曲线。实验室数据证实:该变频器对风机、水泵类平方转矩负载和恒转矩负载都具有可靠、稳定、精确的拖动能力。由于变频器所采用 S V P WM算法和 S H E相结合，在高速运行时输出电压、电流、功率、转矩较大时，采用S H E 查表算法，输出电流谐波含量被显著抑制，避免了变频器拖动普通电机导致的电机发热严重、转矩脉动大、电

20、磁啸叫严重、易导致绝缘受损、电机寿命缩短的问题。由于 A S D 3 8 0 D-1 6 0 变频器具有过电压保护、欠电压保护、过电流保护、过热保护、电机过载保护、缺相保护等多项保护功能，保障了现场应用的稳定性和可靠性。S 变频技术改造经济效益分析 苏州望亭电厂此次变频拖动工况如图8 所示，渣浆泵 B为变频拖动电机，渣浆泵 A为工频备用电机。水位恒定设为 l m处，变频投运且 P I D收敛后，变频器平均运行频率约为4 4.5 H z,经过变频改造后，该厂灰渣池水位的有人值守操作工艺得到改善，既保证了灰渣池意外溢出的故障发生，也防 止了水泵抽空的现象发生;中控室运行人员劳动强度大大降低;补水设

21、施利用率基本降低为 零，若干补水用电 机能耗基本降低为零。1 4号机组渣浆泵 B电机功率因数为 0.8 5，变频器出 线平均电压U o=3 3 0 V，出 线平均电流 o 二 1 8 5 A,实验值计算:实验功耗P=1.7 3 2 x U.x 1 x 0.8 5 二8 9.9(k W);使用变频器前，电机侧平均电压砚 二4 0 0 V，平均电流 I =2 1 0 A，原功耗值计算P=1 2 3.6 k W;每小时节电3 3.7 k W h，节能率为2 8%,若以发电厂。.3 元/(k W h)计算，每小时节省电费1 0.1 1 元，连续运行 1 3 个月节省电费9.5 万元。由 于补水阀门关闭

22、，无需操作，平均每小时将直接节约清水3.6 t o 由于变频的高度 自动化控制、高精度定位以及 1 0 0 0日之)/2卜执。_6 以 1.，.，川 40 0 f n n m u m ii。)渔 1 盲，000/r一 竹 和 洲 蒯 愉 a。回 丫 V丫!1 ZF/巨二 0 4 8 t/a 圈4拖动顺定负城启动 变频侣输出电压F i g.4 I n v e rt e r o u tp u t v o l ta g e d u ri n g m o t o r s t a rt u p w i th r a t e d l o a d 0 4 8 亡/5 圈5拖动额定负载启动 变颇骼输出电流F

23、i g.5 I n v e rt e r o u t p u t c u r ren t d u r i n g m o t o r s ta rt u p w i t h r a t e d l o a du 2 0 4 0 6 0 f l 1 4.圈6设定平方转矩曲线时 拖 动 转 矩 能 力 F i g.6 T o r q u e d r i v i n g c a p a b i li ty w it h s q u a r e to r q u e c u r v e 2 0 4 0 6 0 f l H.圈7设定恒压颇比时 拖动转矩能力F i g.T o r q u e d ri v

24、 in g c a p a b il it y w i th c o n s ta n t U/f c u r v e万方数据第 9期骆皓.等:变频器在电厂渣浆泵中应用硒补水阀 门 A争 卜 水 A补水 B 补 水阁 门 B 圈8系统运行示t圈 F i g.8 S c h e m a ti c d ia g r a m o f s y s t e m o p e r a t i o n与D C S 和P L C的 高度兼容性，发电厂的运行人员劳动强度也得到大幅度缓解，风机、水泵等各类传动设备实现 无人值守;变频的软起特性降低前端变压器的冲击电流、降低各类风门和液体阀门的所受冲击诸多因素使得各类

25、设备的运行寿命大幅度延长。以灰浆泵改造为例，灰池水位的闭 环控制将补水操作减小为零，补水管道、补水水泵、补水阀门的设备投资、运行成本得以节省，灰浆系统的故障率得以大幅度降低。6 结语 目 前，进口变频器在国内 市场占 有份额较大，且价格和售后服务成本高。苏州望亭电 厂所应用国产变频器除具备调速范围内 优异的动、静态性能外，操作界面为大屏幕全中 文操作，集成化的参数设置，人机界面友好程度优于进口 变频器，值得推广。国 产A S D 3 8 0 D-1 6 0变频器 自苏州望亭电厂改造正式投运至今，运行稳定，未出现任何故障，变频器本体未发生保护动作。技术改造后，电 能的消 耗、清水的消耗量都显著降

26、低，自动化程度的提高也使得人员劳动强度得到缓解。L I L e i,H U Y u一 w e n.D S P一 b a s e d n e w s p e e d s e n s o r le ss d i re c t t o r q u e c o n t ro l s y s te m o f in d u c ti o n m a c h i n e J .E le c tr i c M a c h in e s a n d C o n tm 1,2 0 0 1,5(1):2 7-3 1.仁 2 李夙.异步电动机直接转矩控制 M北京:机械工业出版社，1 9 9 4.3 J IL 超英.

27、交直流传动系统的自 适应控制【M.北京:机械工业出 版社，1 9 9 9.4 1 陈伯时.电力拖动自动控制系统 运动控制系统【M.北京:机械工 业出版社，2 以 A 5 刘和平，王维俊，江渝.4.T M S 3 2 O L F 2 4 O X D S P C语言开发应用 M.北 京 北 京航 空航天大 学出版社 2 0 0 3.6 金雍，羊彦，毕强.利用单片机实现空间矢f A制算&J .电机 与控制学报，2 0 0 1,5(1):4 7-5 1.J I N Y o n g,Y A N G Y a n,B I Q i a n g.A s p a c e v e c to r m o d u l

28、a ti o n a lg o r ith m u s i n g si n g le c h i p c o m p u t e r J .E l e c t r ic M a c h in e s a n d C o n t r o l,2 0 0 1,5(1):4 7-5 1 7 1 刘文华，宋强，陈远华，等 N P C逆变器S H E-P WM开关角度的计 算方法研究J 中国电机工程学报，2 0 0 2,2 2(川3 1-3 4 L I U We n 一 h u a,S O N G Q i a n g,C H E N Y u a n-h u a,e t a l.A m e th o d

29、 o f s o lu ti o n to s e l e c t i v e h a r m o n ic e l im in a t e d P WM a n g l e s f o r N P C i n v e rt e rs J .P ro c e e d i n g s o f th e C S E E,2 0 0 2,2 2(I l):3 1 一 3 4.8 1 郭涛，孙玉坤，任明炜，等.链式多电平变换器特定谐波消除脉宽 调制方法研究【J 电力自 动化设备,2 0 0 6,2 6(1 2):5 2-5 4.G U O T a o,S U N Y u一k u n,R E N M i

30、 n g 一w e i,e t a l.R e s e a r c h o n S H E P WM t e c h n iq u e b a s e d o n c a s c a d e m u lt il e v e l c o n v e rt e r i .E le c tr i c P o w e r A u t o m a t io n E q u ip m e n t,2 0 0 6,2 6(1 2):5 2-9.9 宋万杰，罗丰，吴顺君.C P L D技术及其应用 M.西安:西安电子 科技大学出版社，1 9 9 9 资任编辑:康普像)参考文献:I 李磊.胡育文.基于D S P

31、的新型无速度传感器直接转矩控制系统的研究 i 7.电机与控制学报，2 0 0 1,5(1):2 7-3 1作者简介:骆皓(1 9 7 8-),男，回族，山东禹城人，硕士研究生，研究方向为电力电子及电气传动(E-ma i l:l u o h a o s a c-c h i n e.c o m);朱卫风(1 9 5 8-),3 i,江苏无锡人，工程师，研究方向为电气 自动 化:钱诗宝(1 9 7 6-)，男，江苏姜堪人，硕士研究生，研究方向为开关电源及逆变器;张延安(1 9 5 2-),男，江苏南京人，高级经济师，研究方向为企业管理。A p p l i c a t i o n o f i n v

32、e r t e r i n a s h-w a t e r p u m p o f p o w e r p l a n t L U O H a o ,Z H U W e i-f e n g 2,Q I A N S h i-b a o ,Z H A N G Y a n 一 a n (1.G u o d i a n N a n j i n g A u t o m a t i o n C o.,L t d.,N a n j i n g 2 1 0 0 0 3,C h i n a;2.Wa n g li n g P o w e r P 1 a n t,S u z h o u 2 1 5 1 5 5,C

33、 h i n a)Ab s t r a c t:一 T h e a s h 一 w a t e r p u m p o f Wa n g l i n g P o w e r P l a n t u n i t 1 4 i s r e c o n s t r u c t e d u s i n g h o m e m a d eA S D 3 8 0 D-1 6 0 i n v e rt e r,w h i c h i s o p t i m i z e d w i t h v e c t o r c o n t ro l o n t h e b a s i s o f c o n v e n

34、t i o n a l V V V F(V a r i a b l e V o l t a g e V a r i a b l e F r e q u e n c y)c o n t ro l s t r a t e g y t o re d u c e t h e o u tp u t h a r m o n i c s场 S H E(S e l e c t e d、H a r m o n i c E l i m i n a t e d)s p e c i f i c a l g o r it h m u n d e r c e rt a i n c o n d i t io n s.T h

35、 e e n e r g y 一 s a v i n g a n dw a t e r 一 s a v i n g o f 1 3 m o n t h s c o n t i n u o u s o p e r a t i o n a re a n a ly z e d.F u r t h e mo r e,t h e i m p l e m e n t a t i o n o fP I D c l o s e d 一 l o o p c o n t r o l f o r t h e w a t e r l e v e l o f a s h 一 w a t e r p o o l n e

36、a r l y a v o i d s t h e m a n u a l o b s e r v a t io na n d t h e f r e q u e n t o p e r a t i o n o f w a t e r s u p p l y v a l v e,a n d t h e im p l e m e n t a t i o n o f c o n s t a n t w a t e r l e v e lc o n tr o l a v o i d s t h e p u m p o p e r a ti o n w i t h o u t l o a d,w h i c h e x t e n d s p u m p s e r v i c e l i f e a n d r e d u c e s i t sma i n t e n a n c e c o s t.K e y w o r d s;V F t e c h n i q u e;e n e r g y s a v e;c lo s e d-l o o p c o n t r o l;a s h-w a t e r p u m p万方数据