关键词：变频，调速，液力偶合器、： 利德华福的HARSVERT-A系列变频器 等。
引言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势，电机交流变频调速技术是当今节电、推动技术进步的一种主要手段。
高压交流变频调速技术是二十世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力偶合调速）。变频调速以其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利，使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。
变频调速的方法及节能原理
变频调速的方法
变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f(1—S)/p （1）
式中 n——电动机的输出转速；
f——输入的电源频率；
S——电动机的转差率；
p——电机的极对数。
由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整p)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S)和变频调速(调整f)等。
变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交—交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流—交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交-直-交变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。
调速节能的原理
通过流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：
Q1/ Q2＝n1/n2 （2）
H1/ H2＝（n1/n2）2 （3）
P1/ P2＝（n1/n2）3 （4）
式中 Q1、H1、P1——风机（或水泵）在 n1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；
Q2、H2、P2——风机（或水泵）在n2转速时的相似工况条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。
由公式(2)、(3)、(4)可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。
由公式(4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。例如工况只需要50％的风量或水量，则可以将电机的转速调节为额定的一半，此时电机消耗的功率仅为额定的12.5％，即理论上节能可达87.5％。
高压变频调速系统与液力偶合器的比较
液力偶合器存在的主要缺陷
火力发电厂一般采用液力偶合器进行风机调速的居多，由于液力偶合器本身具有如下技术缺陷，在电厂中将无法较好地满足安全生产的要求。
a． 液力偶合器调速属耗能型调速方式，在调速范围较大时，产生机械损耗和转差损耗，消耗能量，效率较低，节能效果一般。
b． 液力偶合器是一种以液体为介质，靠液体动量矩的变化传递能量的装置，工作时是通过一导管调整工作腔的充液量，从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求。因此，对工作腔及供油系统需经常维护及检修。
c． 液力偶合器故障时，无法再用其它方式使其拖动的风机运行，必须停电检修。
d． 采用液力偶合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速响应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，影响系统稳定性。
e．液力偶合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在40％～90％之间。
f．电机启动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性。
g．在高速运行时，液力偶合器有丢转现象，严重时会影响工作的正常进行。
从以上情况来看，如果继续使用液力偶合器，将会制约电厂节能降耗、降低生产成本、提高生产效率、增加企业竞争力的目的。
高压变频器具有的优点
现在有很多电力企业已经采用新型的高压大功率变频调速装置拖动风机，取得了良好的应用效果。同传统的液力偶合器比较，北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A高压变频器具有以下优点：
a．采用先进的拓扑结构与输入变压器副边多级绕组移相整流技术，减少了输出侧的电流谐波，提高了功率因数，解决了对电网的谐波污染，无需任何滤波或功率因数的补偿。
b．电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对电网和负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤电机绝缘，延长了电动机和风机、水泵的使用寿命。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机、水泵处于共振点运行的可能性，使风机、水泵工作平稳，轴承磨损减少，启动平滑，消除了机械的冲击力，提高了设备的使用寿命。
c．变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，瞬间过流保护(超过200%额定电流峰值)10μs,动作有效过流保护(150%额定电流)3s动作，过载保护(120%额定电流)1min动作，大大加强了对电动机的保护。
d．调速工段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成，DCS负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。
e．采用变频调节，实现了挡板、阀门全开，减少了挡板、阀门节流损失，且能均匀调速，满足调峰需要，节约了大量的电能，具有显著的节电效果。
f．整机的运行噪音改善明显：采用液力偶合器时，无论低速高速，由于电机均处于工频运行，整机的噪音明显，达到90dB左右，但是进行变频改造后，整机的运行频率下降至40Hz左右，电机的运行噪音明显下降，低于80dB,在低速运行时基本上听不到噪音，达到65dB以下，大大改善了现场的噪音污染。
g．由于电机降低速度运行以及工作在高效率区，电机的温升和轴承温升下降明显：电机温升由采用液力偶合器时的59℃下降至44℃，电机的前后轴承的温度都有相应的下降，延长了风机系统的使用寿命。
h．低负荷下转速降低，减少了机械部分的磨损和振动，延长了风机大修周期，可节省大量的检修费用。
i．日常维护保养工作量和费用下降：采用液力偶合器估计每年的维护费用在5万元左右，采用变频器后，这项费用下降为数千元左右。
j．调速范围：采用液力偶合器调速范围具有相当大的限制，采用变频器后，实现智能调速，系统调频范围0～50Hz，大大地增强了工艺调节能力。
高压变频调速同液力偶合器调速经济比较
为了检测高压变频装置的节能情况，某电厂在风机上采用液力偶合器与北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT-A高压变频装置调速作对比试验，数据如下：
a． 采用变频器拖动风机时
高速状态：
P1 = UIcosф= 1.732×6.3×40.2×0.96＝419.00544kW
低速状态：
P2 = UIcosф= 1.732×6.3×18×0.95＝186.58836kW
平均功率 P=P1×0.8+P2×0.2=372.52kW(高速状态约80％，低速状态为20％)
b． 采用液力偶合器时
高速状态：
P1’ = UIcosф= 1.732×6.3×52×0.93＝527.68kW
低速状态：
P2’ = UIcosф= 1.732×6.3×44×0.9＝432.1kW
平均功率 P’=P1’×0.8+P2’ ×0.2=508.564W (高速状态约80％，低速状态为20％)
c. 采用变频调速和采用液力偶合器调速运行的节能率对比
F=(P’-P)/P=(508.564-375.52)/508.564=26.17%
结论：
变频改造后，风机运行效率明显提高，比液力偶合器调速节电26.17%。
变频器节能分析
火力发电企业消耗的厂用电量中，75％以上的负荷为水泵与风机，这些水泵与风机都是经过调整门挡板来实现的，不但调节质量差、响应慢，而且存在着浪费电能的问题。
风机节能分析
风机风量控制
送风机和引风机是火电厂中的耗电大户，其耗电量约占厂用电量的30％、占机组发电量的2％—4％。因此，正确选择送风机和引风机的调节风量的方式，对火电厂的安全和经济运行有着重要意义。
电机以定速运转，调节风机风量典型的方法是采用挡板控制。根据挡板在风道中的安装位置可分为出口挡板控制和入口挡板控制，采用挡板控制时，当挡板关小则增加风阻，且不能在宽范围调节风量。例如，要求风量在80％的情况下，电机消耗的功率约为90％，能量损失严重。
风机在变速状态下运行，保持挡板全开，通过改变风机转速来调整风量，采用变频控制时，电动机消耗的功率＝（80％）3≈50％，与其他控制相比，转速控制的节电效果十分明显。电厂风机的各种调速装置的比较，见图1示。
1——输出端风门控制时电动机输入功率
2——输入端风门控制时电动机输入功率
3——转差功率调节控制（转差电动机或液力
偶合器）时电动机输入功率
4——变频器调速控制时电动机的输入功率
5——调速控制时电动机轴功率
送风机变频改造后的节能分析
某电厂使用北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERTHARSVERT-A高压变频器，选定在机组带50％、75％、100％负荷3种工况下对#4炉2台送风机进行工频和变频2种运行方式下的对比试验，机组运行工况和测试计算结果见表1。
从表1可以看出，送风机变频调节方式运行效率基本在75％～80％，而工频调节方式运行效率为55％左右(图2)；机组在100MW、150MW、200MW负荷时，2台送风机变频运行比工频运行每小时分别节电750kW·h、602.5kW·h、733.6kW·h。变频改造后，送风机运行效率明显提高，节电效果显著。
#4炉2台送风机变频改造后以年运行7000h计算，全年可节约电量4928770kW·h。按该公司上网电价0.30元/(kW·h)计算，直接经济效益约为148万元。
水泵节能分析
水泵流量控制
水泵是由恒速电机驱动出口阀及调节阀控制水的流量和压力，通过人为增加阻力和回流的办法达到调节流量的目的，因而在运行中产生了大量的能量损失。
水泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率依次有线性、平方、立方关系。但对于实际的水泵负载，通常存在一个与高低差有关的实际扬程，扬程越小，轴功率越接近于同转速成立方的定常特性，而且转速控制产生的节电效果也越大。根据实际调查表明一般老电厂大型水泵平均流量的余量大于20％，即有多于20％的流量损耗在节流阀和回流调节上，若所需要的流量减少20％，则相应的电动机转速也应降低20％，即实际转速为80％，则根据流量与转速的关系式我们可得出：(80%)3≈51％，即按此工况水泵节电近50％。由此可见，节能潜力之大，效益之高。电厂水泵的各种调速装置的比较，见图2示。
1——排出管路阀门控制时电动机输入功率
2——转差功率调节控制（转差电动机或液力
偶合器）时电动机输入功率
3——变频器调速控制时电动机的输入功率
4——调速控制时电动机轴功率
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电厂节约容量20%左右。
凝结水泵变频改造后的节能分析
某电厂使用北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT-A高压变频器，选定在机组带350MW、315MW、280MW、240MW、210MW、175MW负荷6种工况下对某电厂#1机1台凝结水泵进行工频和变频两种运行方式下的对比试验，机组运行工况和测试计算结果见表2。
凝结水泵改造为变频无级调节运行后，一方面减少了运行中的节流损失，凝结水泵电流下降，起到节能作用，另一方面由于凝结水泵出口水压的下降，大大改善了低压加热器的工作条件，减少了低压加热器泄漏，降低了检修工作量，取得了较为明显的安全和经济效益。
工频运行时，累计年耗电量为：
Cd=7000×（652.55×10%＋633.38×5%＋617.61×20%＋609.0×5%＋564.38×10%＋539.24×50%）= 4038675.227 kW?h
因此，采用工频运行时，每年凝结泵耗电量约为403.9万kW?h。
变频运行时，累计年耗电量为：
Cb=7000×（573.58×10%＋454.18×5%＋384.14×20%＋349.95×5%＋44.09×10%＋193.92×50%）= 2070343.933 kW?h
因此，采用变频运行时，每年凝结泵耗电量约为207.0万kW?h。
节能计算：
年节电量：ΔC= Cd－Cb = 403.9- 207.0 = 196.9 万kW?h
节电率：（ΔC/Cd）×100% =（196.9/ 403.9）×100% = 48.75%
按该公司上网电价0.334元/(kW·h)计算，则每年直接经济效益196.9×0.334=65.765万元。
结论
随着厂网分开，竟价上网改革的深入，节能已成为各发电企业的重要工作，只有降低厂用电率、降低发电成本才能提高上网电价的竞争力，因此，采用变频技术对电厂辅机进行节能改造，是各电厂的当务之急。
经过现场的运行，证明北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT-A高压大功率变频器性能好，可靠性高，其节能效果明显优于其他任何一种调速方式，特别是在低负荷时更为显著。电厂辅机采用变频调速后，提高了机组自动装置的稳定性，大大改善了电机的启动性能，延长了电机的寿命，在老电厂的大功率风机、水泵系统上实现变频调速，是理想的节能项目，一般1～3年即可收回设备改造投资成本。
作者简介：刘英肖（1968.11-），男，工程师，从事发电厂电气设备检修及技术管理工作。
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