电动机调速在电站辅机节能中的应用(图)

电动机调速在电站辅机节能中的应用山东电力研究院电气所中国是世界上产值能耗最高的国家之一，主要工业产品的能耗比发达国家高40%左右（如火电供电煤耗高28%），大力开展能源节约和资源的综合利用，是企业降低生产成本，提高效益，增强竞争力的必然选择。火电厂经济运行的目的，是在保证电力负荷需求和供应的前提下，保证全厂的发电成本最低，从而获得最大的经济效益。由于煤炭行业供求失衡，电煤供应紧张，环保标准趋严排污费增长较快，火电企业发电成本上升，火电厂的经济运行变的更加重要。电厂既是电能的生产部门，也是电能消耗较大的部门，降低厂用电率，为社会提供更多的电力，已成为电厂降低成本提高效益的一条重要途径。风机和泵类设备是电站锅炉和汽轮机的主要辅机，也是电站辅机的主要耗电设备电机节能技术，其中送风机、引风机、一次风机、排粉风机、给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵等设备配套用电动机耗电量的多少，直接影响着厂用电率的大小。目前，在发电厂运行的风机、泵类设备，大部分是定速运转的，水、气等流体的流量调节是通过调节挡板和阀门的开度来实现的，节流损耗较大，并且在调节负荷时风机和水泵偏离运行的高效点，导致风机和水泵的效率降低。为了节约能源、降低厂用电率，越来越多的电厂采用控制电动机的转速，来调节电力生产过程中所需的水量和风量大风机是发电厂锅炉的主要辅机设备之一，引风机、送风机、一次风机、排粉风机、烟气再循环风机、密封及冷却风机等风机的耗电量约占厂用电的20%～30%。 #

发电厂在发电过程中，本身要消耗部分厂用电量，这部分厂用电量，基本上是由风机和泵类设备消耗的，因此具有很大的节能挖掘潜力。风机在运行中能否节能，取决于风机自身的效率以及风机和管网的匹配特性。电力连续生产过程中风机的风量、风压调节，都是通过改变管网的阻力特性和风机自身的性能曲线H-Q来实现的。风门调节是人为的改变管网的阻力，用节流方法达到不同运行工况下的风机和管网风量、风压的匹配。管网中的风机产生的风量和风压必须和管网所需要的风量和风压相匹配，所用风机的风压过大，远大于管网总阻力时，要维持管网所需要的风量，就必须将风机的风门调节的很小，其结果是风机产生的富裕风压全部消耗在风门的节流上，风门关的越小，节流损失就越大，风机的使用效率就越低。风机的转速调节同样可以改变风机的特性参数，实现风机和管网之间良好的匹配。根据风机泵类设备的相似理论，可得到下列公式：Q/Qe=n/neH/He=(n/ne)额定风量或流量He额定压力Pe额定功率ne随转速的下降，风量成一次方下降，风压成平方的关系下降，恰好和管网的阻力特性曲线相吻合，同时风机的功率跟转速成立方关系下降，很明显的把节流损耗节省下来。在火电厂，一些正在运行的风机存在着运行效率不高、耗能大的问题。

（1）火电厂在设计中，由于很难准却计算管网的特性，还要考虑到长期运行中可能存在的漏风等因素，风机参数的选择留有很大的裕量（2）根据设计参数选择配套风机时，受风机型号的限制，只能选择与设计参数相近的风机型号，这样会造成所选用风机的风量和风压与管网特性不匹配，出现了大马拉小车的现象（3）如果风机长时间低负荷运行，虽然采用了高效风机，由于运行在低效区，其运行效率不高，同时节流损耗很大。参与调峰的机组，这一问题更加突出。因此实现风机参数和管网特性的匹配和通过改变风机的转速来调节风量是节能降耗最有效的途径。在火电机组的辅机中，水泵（锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵以及疏水泵等）是消耗厂用电最大的一类辅机，约50%以上的厂用电是由泵类负载消耗的，因此减少泵类负载的用电损耗，提高泵的运行效率，是降低厂用电率的最佳选择。电厂运行的水泵和风机一样，也存在着设计原因造成的大马拉小车的现象，同时由于调峰的需要，大部分水泵需要根据机组负荷的变化调节流量，跟风机的调节原理一样，改变水泵的转速来调节流量，可以节省阀门调节带来的节流损耗。许多电厂采用双速电机驱动循环水泵，根据冬季和夏季机组需要的冷却水量的不同，选择不同的电机转速，达到节能的目的。 #

采用调节风机和水泵的转速，不仅能减少节流损耗，提高风机和泵类负载的运行效率，而且还可以改善电动机的起动性能。一般的调速系统都具有软启动的功能，可以减小启动电流，使风机、水泵的起停更平稳，减少电机启动对厂用电和电机本身的冲击；并且由于平均转速的降低，延长了风机、泵和电机的轴承寿命，提高了机组的自动调节系统的反应速度和自动化水平。19世纪，直流拖动和交流拖动技术先后诞生，20世纪，占整个电力拖动总容量的80%的固定转速的拖动系统，都采用交流电机，而20%的可调转速的拖动系统一直被直流电机所统治，虽然交流调速方案早已得到应用，但无法和直流调速系统相提并论。直到20世纪70年代，一场席卷世界的石油危机，迫使人们投入大量的人力、物力研究高性能的交流调速系统，节约能源，经过近几十年的努力，交流调速系统应用的比重逐渐上升，高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系统，正占据越来越大的市场份额。由于直流电机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，只要改变电枢电流就能简便而线性地、无时间滞后地控制转矩，因而在大范围调速传动系统中，一直是直流传动系统占统治地位。由于交流电机是多变量、强耦合的非线性器件，定子电流同时包含有转矩电流分量和励磁电流分量，因而对其电磁转矩瞬时值进行控制比较困难。

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转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；GTR、、IGBT和IGCT等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。交流调速方法中只有矢量控制和直接转矩控制可以控制动态电磁转矩，它们的控制性能可以抗衡甚至超过了直流调速系统，因为交流调速不存在直流电机的机械电流换相过程和交轴反应。高动态性能调速的发展方向是交流调速系统逐步替代直流调速系统，采用矢量控制和直接转矩控制。交流调速的基本类型序号降压调速不改变同步转变极对数调速改变同步转交流调速技术的概况变频调速变频调速是通过调节电机电源的频率，从而改变电机的同步转速实现调速的。随着电力电子器件和控制技术的发展，变频调速技术在低电压领域已经得到了广泛的应用。近十年来，大功率电力电子器件的发展十分迅速，不断有新型的功率器件推出，从SCR、GTO、GTR发展到IGBT和IGCT，电力电子器件朝着大功率、高电压的方向发展，价格在不断下降而可靠性大大提高。 #

新型电力电子器件的发展和巨大市场需求的推动，高压变频器的研制、生产和应用的速度在加快。我国在电动机调速技术的开发和应用方面，从80年代以来有了较大的发展，但与发达国家相比还相当落后，近年来，国内高压变频器的研制有了很大突破，国产的高压变频器已经进入工业化生产阶段，并已经在电力系统中得到应用。高压大功率变频器的技术含量和可靠性要求高，如何在目前电力电子器件耐压 水平低的情况下，解决大功率变频器直 接在高压下运行的难题，并且使成本降 到最低，成为各高压变频器生产厂家的 竞争目标。当前主流的高压变频器解决 方案有两种，一种是以公司为 代表的多重化技术，另一种是使用高压 电力电子器件的多电平技术。 交流调速技术的概况改变转差率调速 是指电动机的同步转速不变，通过改变 转子的滑差率来达到调速目的的调速方法。 改变滑差率调速有串级调速、内反馈调速 等几种，内反馈按调速方式是串级调速的一种。 串级调速是采用绕线式转子，在转子回路引入 了一个反电势，通过改变电势大小来改变滑差 实现调速。由于利用逆变器把转子上的滑差功 率返回到电网或电机定子，从而使调速效率较 串级调速系统存着限制其应用的几个问题：（1）功率因数低。

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一般串级调速系统在高速运 行时的功率因数为0.6～0.65，低速时0.4 0.5。（2）增加了一台向电网反馈能量的变压器，谐 波污染大。 （3）采用绕线式转子，增加了滑环的维护量。 以上限制因素，阻碍了串级调速技术的应用 和发展，为了解决这些问题，人们提出了各种 各样的措施和方法，其中以内反馈电机调速方 案最为先进和有效。 内反馈调速电机与普通绕线式电机最大的区别在于电机节能技术，调速电机在定子侧具有两套绕组，一套 是主绕组，与电网相联接，从电网吸收能量； 另一套绕组称之为辅助绕组（或调节绕组）， 为转子提供附加电势源，同时回馈转子的转差 功率，因此内反馈电机的调速属于附加电势的 串极调速范畴。内反馈电机调速方案由于取消 了普通串极调速中的逆变变压器，不紧减少了 调速装置的占地面积，调速系统更紧凑简单， 同时也带来了其他方面的好处。 由于调节绕组在电机定子槽中是分布嵌线的，绕组短距和分布的结果会大大减少谐波电流对定子电流 的影响，因此虽然转子和调节绕组中存在谐波电流， 但谐波磁势却很小。而普通串极调速中的变压器绕组 是集中绕组，其绕组系数为1，则起不到抑制谐波的作 用。斩波技术应用于内反馈电机调速中，使内反馈电 机调速技术得到了进一步提高和完善，降低了调节绕 组的容量，大大提高了调速系统的功率因数。

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内反馈 调速的控制在转子侧，转子电压较低，易于实现高压 电机的调速；内反馈调速按需要的调速比确定控制装 置容量，小于电动机额定容量，因此内反馈调速装置 的价格大大低于同容量的高压变频调速装置。 风机水泵的调速方式选择电动机调速装置只是调节装置的一种，电动 机调速装置的节电量应是原有的风机挡板、阀 门的节流损耗与调速装置本身损耗的差。近几 年，各电厂对节能降耗非常重视，纷纷加大了 投资力度。对于辅机系统，电动机调速是最有 效的节能办法，给水泵、循环水泵、吸送风机 电机是调速的主要应用对象。如何针对不同的 应用对象，结合自己厂的实际情况来选用合适 的调速方式是我们共同关心的问题。 电动机调速的目的有二。一是以控制为目的生产流程的精确控制，如轧钢、数 控机床等；二是以节能为目的速度控制， 这类调速系统对转速、转矩控制的精度 要求不高。 风机水泵节能的实质是在满足现场所需的风量（风压）、水量（水压）的前提 下降低风量（水量）调节装置的损耗。 给水泵电机对于给水泵电机，用液力偶合器是比较经济的选择。 液力偶合调速是电动机转速基本不变，通过调节液力偶合 器内的油压大小改变液力偶合器输出转速的一种调速方法。

液力偶合器的优点是无级调速，设备简单。缺点是效率较 低，在开环调节时转速相对稳定性差，有一定维护量 需要指出的是，在大功率调速电机类型上，同步电机是一个很好的选择。同步电机不仅具有超前的功率因数， 而且变频器可以采用负载反电势自然换流，因此可以采用 可控硅，大大降低了变频器的价格。 送、引风机目前，引送风机的调节普遍采用入口 挡板调节的方式，对于吸送风机，变频 调速、串级调速（内反馈）是合适的选 循环水泵电机循环水温度受季节温差变化的影响大，在调速方案 选择上，考虑到投资成本，高压变频不是最佳选择， 内反馈调速和双速电机可以较快地收回投资，是理想 的方案。变极调速是通过改变电机的极对数达到调速 的目的，投资少，适合季节性切换。变极调速没有损 耗，可靠性高，缺点是有级调节，考虑昼夜温差和负 荷变化，综合考虑冷端节能效果，保证发电煤耗、厂 用电的综合指标最优，内反馈调速是理想的选择。 厂用高压电动机的调速节能改造是一项投资较大的工程项目，在项目实施之 前，应该作好充分的技术、经济分析论 证，即要满足安全生产的基本运行条件， 又要经济实用，在合理的回收期内收回 投资。在进行调速改造和选型时，要注 意以下几点： （1）选用合适的调速装置的类型首先应根据电动机负载的类型、调速范围、 起动转矩和静态速度要求等，选用合适的调速 装置类型。 #

在选用高压变频调速装置时，应该 慎重考虑变频调速装置所采用的技术路线和控 制方式。采用不同技术路线（多重化变频器和 中性点嵌位的三电平变频器等）的两种变频器 各有优缺点，在选型时都可以考虑选用，重点 考虑相同容量等级的变频器的价格差异。 但在选用高压变频调速装置时，应注意选择那种控制方式的变频器最合适。电厂内运行的电 动机，大部分是风机、水泵等泵类负载，这类 负载对静态转速精度和动态响应等指标要求不 高，调速的目的主要以节能降耗为目的，对变 频器的转速控制指标要求低，但对变频器的运 行可靠性要求高，因此可以考虑降低对变频器 控制性能的要求，降低成本，没必要一定选用 采用矢量控制或直接转矩控制技术的高性能变 频调速器。 （2）调速设备的安装空间要求调速设备的安装尺寸大小和安装位置的环 境条件，是在调速改造前要充分考虑的问题。 由于在电厂设计的时候，没有预留电机调速装 置的空间，需要重新选择安装位置。调速设备 内部的电力电子器件和控制电路对环境温度、 湿度、粉尘、腐蚀性气体以及酸碱度等外部因 素有具体的要求，因此在选型时要根据安装位 置的环境条件，选用合适的IP防护等级的箱体 结构，这与调速设备的长期安全、可靠、经济 运行和寿命有直接的关系。

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（3）调速装置容量选择电动机调速系统的效率是电动机效率和调速装置效 率的乘积，在调速装置功率选用时要考虑与电动机容 量的匹配。尽量选用与电动机功率相当的调速装置， 让调速装置在高效率点运行；当调速装置的功率和电 动机的功率分级不同或运行在启动频繁、重载的场合 时，可以选用大一级的调速装置；如果电动机的实际 运行功率有峪度，存在大马拉小车的情况，可以选择 功率比电动机额定功率小的调速装置，同时应考虑电 动机的峰值冲击电流能否造成调速装置的保护动作。 （4）考虑电动机转速变化带来的影响电动机在调速运行时，转速在一定范围 内变化，应考虑到这一运行方式的改变对电动 机本身带来的影响。在电动机调速改造之前， 要先通过实验方法确认在调速范围内，电机和 负载不会发生谐振现象（如风机的喘振）。虽 然大部分的高压变频器都具备谐振频率的躲避 功能，但当电动机轴系的谐振频带较宽时，仍 然无法在调速范围内运行，或者可调节的转速 范围有限，达不到节能的效果和目的。 （5）采用变频调速对电机本身的影响随着电力电子技术的进步和电力电子器件 的迅速发展，交流调速技术应用越来越多，但 是，由于仍然采用原先按工频设计的电动机， 许多变频运行的电动机出现了绝缘损坏和寿命 缩短的现象，甚至有些电动机刚投入运行就发 生匝间绝缘击穿故障，这些都是电力电子器件 的应用给电气绝缘带来的新问题。

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由于变频器输出的PWM脉冲波的上升沿很陡，IGBT或IGCT在开关工作状态下，产生的 dV/dt可达几千V/s ，而工频电机只有几十个 ，电压在定子绕组上按电容规律分布，呈现极不均匀的特性，在绕组的首端承受的 电压值超过常规值数十倍。因此PWM变频电 源驱动的电动机绝缘的电压分布与传统的工 频电压下运行的电动机相比，有很大的不同， 工频电压下运行的电动机的设计参数需要优 化和改进，来满足变频调速电机的运行需要。 连接变频器和电动机的电缆的波阻抗明显小于电机绕组的波阻抗，在电机端部 引线上将受到两倍的脉冲电压，容易产 生高频震荡，并且这些现象特征与电缆 的长度有关。 PWM变频电源装置输出的电压波形、上升和下降速率、幅值和频率等引起的 绝缘介质发热和空间电荷等因素，与高 频脉冲作用下的局部放电综合作用，加 速电机的绝缘老化。由于电机绕组主绝 缘一般采用云母材料，其耐受局部放电 的能力强，因此电机绝缘主要是局部特 别是匝间绝缘损坏。 谐波电流会造成电机的损耗和温升增加，产生转矩脉动和振动噪声；与工频供电时相比，电 动机转子轴的对地电压会有所增加，应注意轴 电流的影响。 在电动机低速运行时，还应注意到轴承的油膜情况，因为在低速时，油环甩油困难，很 难保持正常油膜，特别是对频繁起动的电机来 说，最好采用带压力的油润滑方式。 谢谢大家！

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