摘要：本文介绍了高压变频器在火力发电厂循环水泵上的应用，分析改造之后的控制策略以及对变频改造效果做了描述。

关键词：循环   高压变频器   节能改造

1、前言

内蒙古某发电厂建设规模为2×12MW抽凝式供热发电机组，配3×75t/h循环流化床锅炉，总投资1.86亿元，第一台机组于2001年11月投产，第二台机组于2002年1月投入运行。可供采暖面积180万平方米。

工程于2003年9月23日开工，建设规模为2×200MW供热发电机组，总投资15.1962亿元，第一台机组计划2005年6月5日投产，第二台机组于2005年7月31日投产，建成后新增集中供热面积650万平方米。

发电厂共有3台循环水泵。以下为现场设备参数表1：

设备名称	电机功率	额定电压	额定电流
1#2#3#循环水泵	315kW	10kV	23.6A

1) 因循环水泵自身负载较重，起动转矩大，采用全压直接起动方式，启动电流达到了额定电流的4～6倍，启动时对整个电气系统的冲击比较大，对电气系统的平稳运行带来不利影响。

2) 为保证管网中的压力和流量在不同的用水条件下满足生产，需要开三台泵，但是流量是有富裕的，为了保证管网压力和流量的稳定，不得不指派专职生产操作人员巡查管网的压力，并随时调整阀门的开度及泄压溷排水，不仅造成生产操作人员的劳动强度大，而且浪费了大量宝贵的水资源，不符合我国节约用水的理念。

3) 在用水需量较小的时候，电机也必须全压、全转速运转，造成“大马拉小车”现象，产生大量的电能浪费，同时，导致功率因数降低。

4) 电机一直处于全转速运转状态，造成电机轴承极易出现发热和磨损的现象，夏天时，电机轴承温度最高可达到85℃，加速了轴承润滑脂的破坏，磨损的轴承必须及时更换，加速了电机的维护保养速度，大大地增加了系统的运营成本。

5) 电机轴承的磨损，还造成整个系统运行的噪音增大，对员工的身体健康产生不利影响。

2、实施变频改造

为解决以上问题，在随后的技术改造中，技术人员为该高压电机配备高压变频控制系统。在循环水管网上装设压力变送器，将循环水管网的压力转化为4—20mA的信号送^变频器，变频器将这个信号与设置的压力给定值比较后自动调整变频器的输出转速，从而实现恒压供水的自动闭环控制。通过变频器控制转速，避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要—个比阀门控制小得多的、得以充分利用的功率。根据泵的扬程特性曲线H—Q，随着转速的降低，泵的高效率区段将向左方移动。这说明，转速控制方式在低速小流量时，仍可使机泵高效率运行。此系统在启动时逐渐提升电机速度，减少启动时的冲击，又能在正常运转过程中根据装设于循环水管网上的压力和流量调节控制电机转速，使循环水的压力和流量始终满足生产现场的需求，既节约了人力又降低了电耗。变频装置的主要技术参数如下表：在保证供应压力的同时减少循环水浪费、节约电耗即改造的要求。现场工艺如图1所示。

图1 热电厂工艺流程图

图2循环水泵现场设备

针对上述情况，内蒙古某发电厂领导决定对循环水泵进行变频改造，在节约成本的策略前提下，考虑到国产高压变频器设备水平已接近国际水平，能满足现场工艺运行要求，进行性价比比较，通过公开招标，采用深圳市英威腾电气股份有限公司的GD5000高压变频调速器对循环水泵进行改造，改造取得了成功。

3、变速变流量的节能原理

从流体力学的原理得知，使用鼠笼型感应电机驱动的风机，轴功率P与流量Q，水压（扬程）H的乘积成正比关系：  

当电动机的转速由n1变化到n2时, Q、 H、 P与转速的关系如下:

                           

可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的51.2%。

如下图3所示，从水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

当所需流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节出口阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线从调节前管网特性曲线上移到调节后管网曲线，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2 Q2成正比；如果采用调速控制方式，泵的转速由n1下降到n2，其特性曲线变化，而阀门并不调节则管网特性保持调节前管网特性，并不发生改变，由于泵的特性曲线的下移，泵的运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（HB-HC）×Q2的面积成正比。图中H0为系统工作需要保证的最小扬程,相应水泵允许工作的最低转速即为nmim,采用变频调速时，需要设置最低工作频率以保证泵的最小转速，达到一定的扬程，避免泵的流量大于其工作最小允许流量。

图3  水泵的运行曲线图

考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，结合工艺变化的要求，通过实践的统计，泵类通过调速控制可节能15％～50%。

泵类变频调速节能计算方法简介

泵类负载电机改造前工频运行功率计算公式：

改造后变频运行预计功率计算公式：

泵类负载电机改造后的节电功率计算公式：

ΔP＝P1－P2   

泵类负载电机改造后的节电功率计算公式：

泵类负载采用变频调速除节能外的其他效益分析

（1）节能数据是在变频改造后的水压平稳均衡，可保证排水或供水压力满足要求。

（2）由于压力所减小的用户流量应基本不变，而由于压力减小而导致的跑冒滴漏的流量是主要减小流量，因此将降低用电消耗的同时还将获得降低供水损失的收益，根据一般经验管路损失比例为每降低1％流量损失可减少1％。

（3）变频改造采用压力流量自动控制后，可在变频控制系统的PLC上实现各时间段根据压力、流量要求自动调速、起停电机的自动控制功能，大大提高供水质量的稳定性，并减小人工操作失误与劳动强度。

（4）变频系统由于软启动、减速运行等功能，对于电动机启动冲击、轴承磨损等问题都会改善，对于系统安全稳定运行、检修周期延长、减少运行维护工作量与费用等均有意义。

4、循环水泵高压变频改造方案介绍

内蒙古某发电厂拟对1#2#3#循环水泵进行变频改造，以下表2是该循环水泵的参数：

4.1  4#高压循环水泵：

表2 循环水泵基本参数
电机参数
型号	Y5002—6	额定电压（V）	10000
额定电流(A)	23.6	额定功率(kW)	315
额定频率（Hz）	50	功率因数	0.85

4.2英威腾GD5000系列高压变频系统技术参数及性能特点

英威腾GD5000系列高压变频调速系统采用多重化移相多单元串联正弦脉宽调制(SPWM)叠压技术，直接“高-高”式，功率模块为交-直-交型电压源变频调速器。

高压变频调速系统是由多个单元串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。以10kV为例，高压变频调速系统的原理结构如下图所示。电网送来的三相10kV交流电，经移相变压器，由其副边每相的二次线圈电压逐个移动，供电给8个功率单元，三相共24个功率单元，每个功率单元的额定电压为710V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为5650V，线电压为10kV，可输出高压正弦波给感应电动机，在变频器运行过程中对电动机的绝缘没有影响，变频器的输出电压和输出电流均为正弦波形，变频装置对输出电缆的长度没有任何要求，能直接拖带普通高压电机，并且彻底消除谐波引起的电机发热现象。

高压变频调速系统系统示意图

3）功率单元构成

为了保证变频器和现场设备的正常运行， GD5000系列高压变频调速系统为用户提供了功率单元机械旁路功能，当单元故障时，可在线实时自动将输出封锁，并同时触发旁路单元将其旁路，不需重新启动，不影响整个系统的正常工作，整个系统由原来的串联可靠性结构变成为并联可靠性结构。典型旁路示意图如下：

功率单元原理框图

传统的功率单元电子式旁路设计采用晶体管方式，其设计与功率单元采用一体化设计，其电子旁路能否动作取决于功率单元的故障状态；而我公司功率单元机械式旁路采用机械式接触器方式，并且专门为其设计了一套功率单元旁路控制系统，一旦功率单元故障，不管故障多么严重，旁路系统均能正确安全的旁路。

2.4.3高压变频调速系统运行原理

高压变频调速系统的每个功率单元相当于一个三电平的二相输出的低压变频器，通过叠加成为高压三相交流电，以10kV变频器为例，论述：10kV输出电压的变频器，每相有8个功率单元相串联。当变频器输出频率为50HZ时，相电压为17阶梯波，如下图所示。叠加后为变频器A相输出电压UA0。图4中显示出了生成PWM控制信号时所采用A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。

相电压回路叠加波形

由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达10kV，为33阶梯波。如图,所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，UAB不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及dV/dt均较小。

线电回路叠加波形

多电平单元串联叠加型变频器的三相波形输出质量：

高压变频调速系统在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通保持在额定水准，提高电机的转换效率。

多重叠加应用，高压变频调速系统输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。

高压变频调速系统工作时的功率因数达0.96以上，不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，对同一电网上运行的电气设备没有任何干扰。

GD5000系列高压变频调速系统的性能特点：

1) 钣金件热镀锌处理，超强抗腐蚀能力

2) 专业高抗EMC电路设计

在功率单元模块设计上，针对不同电流范围采用独特进出线设计，抗干扰能力更强；

在结构设计和电气设计上，全面采用抗电磁干扰措施，最有效保证变频器的可靠运行。

3)  三核控制技术

高压变频器主控系统采用DSP＋FPGA+ARM三核控制系统巧妙配合，提供中文触摸式操作界面，控制系统高度集成化，抗干扰能力强、功能更强大、控制更精准，增加了产品的可靠性。

4) 丰富的控制功能

我司高压变频器继承了其低压控制的特点，控制功能非常丰富。表现在频率控制方式非常灵活。分为A频率控制与B频率控制，A频率控制可以有多种控制源（包括PID控制、多段速控制都属于这方面内容）；B频率控制同样有多种控制源，用户可以灵活的选择采用A频率控制源，B频率控制源还是A+B，A、B中最大值。通过这种数学上的抽象，英威腾的高压变频器不仅能满足简单场合的工艺控制的要求，还可以满足特定场合的工艺控制要求。

另外，对于命令通道的选择也同样是丰富多样的。可以基本满足多种多样的应用场景。

5) 模块冗余配置

功率单元采用一定冗余配置。功率开关器件按实际运行参数的2倍以上配置电流和电压，如采用1700V高压IGBT，器件参数余量大，可靠性较高。

6) 低谐波设计

额定负载时输入侧的（对电网的影响）谐波＜2％；输出侧的（对电机的影响）谐波＜2％；

DSP控制系统对调制波形优化处理，确保输出完美无谐波波形。

7) AVR功能

可以根据母线电压的波动自动调节输出PWM信号的占空比，从而减轻电网电压波动对于输出电压波动的影响。

8) V/F控制的转矩提升功能

提供低频转矩提升功能，其主要是用来解决低频时定子电阻引起的电压损失导致磁通不足的问题。

9) 多种V/F曲线的选择

提供多种的V/F曲线形式（如：多点V/F曲线，1.3次幂、1.7次幂、2.0次幂V/F曲线），可以满足各种不同的负载要求。

10) 内置PID控制功能

11) 完善的20种保护功能

功率单元自身多达11种故障保护功能；电气部分对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流都有全面的检测，对变频器电源及电机都有过压、过流、欠压、温度等多达20多种超强保护功能；重要保护定值可以根据现场不同的工况进行参数设定，内置雷击过流保护装置，提高了设备的保护功能和系统的保护功能。

12) 宽范围抗电压波动能力

输入电压适应性强，允许网侧电压在10%～-15%之间波动。同时具有AVR功能，能够根据母线电压的波动自动调整输出电压。网侧电压在短时间小于85%～65％额定值或大于110%～120％额定值，高压变频调速系统不停机，保证电机持续运行。

13) 超长瞬时掉电不停机，有效避免电网不稳定带来的停机问题

我司高压变频器采用更好的瞬停处理方式，可以做到适应电网晃电1S以上，不管是风机，还是水泵，都可以做到该效果。如果风机类负载，最多可以电网晃电5S都没有问题。

14) 超低频转速追踪能力，有效保证掉电快速再启动

具有全频段的转速自动跟踪启动功能，不论电机掉电多久，不论电机在频段高低时，都能自动搜索跟踪电动机转速，按照设定加减速时间恢复正常运行状态，不用顾虑电机的运行状态，可以实现高压电机即时的启动和停止控制，保证机组安全启动。

15) 对称旁路功能，单元体双旁路技术，系统可靠性更高

采用的是机械式旁路（外部旁路）与电子旁路（内部旁路）可选的策略，其中机械式旁路可在200ms完成功率单元的自动旁路，而电子旁路，因为都是电子元器件控制，其动作时间就会很快，毫秒级就能完成旁路的动作。并且不论是机械式旁路还是电子旁路，都经过了严格重载，小惯量负载的验证的，完全可以可靠的旁路。

16) 双上电限流电路设计，有效保护系统安全、延长设备寿命

采用了硬件限流以及软件限流技术，当有效保护了因为负载突变而导致的系统过流故障的问题，提高了产品的可靠性

17) 抗输出短路保护技术

系统在输出线缆短路的时候，能够迅速保护，不会造成别的不良后果。

4.3 改造控制方式

改造前控制方式：通过高压真空接触器直接启动。

改造后控制运行方式：

改造后要求实现手动启动和自动变频运行两种方式。控制方式为一拖一，一次回路由进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机自动投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。

变频器运行方式为开环运行，对运行中的循环水压力实现跟踪控制。 

4.4 变频控制自动旁路柜

改造后提供的旁路方案如下：

根据与用户方初步沟通，按照用户的使用要求推荐采用一拖一手动旁路，其主接线方式如下图所示：

变频调速系统由用户开关、手动切换旁路柜、GD5000系列高压变频调速系统、高压电机组成。

一拖一手动切换旁路柜是由三个高压隔离开关QS1～QS3组成。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计，变频器输出QS2和旁路高压隔离开关QS3机械闭锁，不能同时闭合，完全能够保证变频调速系统安全运行。

图4一拖一手动旁路柜

a) 电机在变频运行状况下时，QS1、QS2闭合，QS3断开。如需切换至工频运行时(故障)，系统先停止变频器输出，断开用户开关, 再由机械操作依次断开QS1、QS2，然后机械操作闭合QS3,使电机切换至工频侧，再合上用户开关，使电机工频运行；

b) 故障排除后需要切换至电机变频运行时，系统先断开用户开关，由机械操作断开QS3，然后由机械操作依次闭合QS1、QS2，使电机切换至变频侧，再合上用户开关, 可设置变频器自动检测电机运行相位和频率，在没有电流冲击的情况下，电机投入变频运行。

优点：采用上述一拖一手动型式，即可满足使用要求，也可以节省一次投资成本，同时保证正常可以变频运行，大大提高设备使用效率。其次，根据需求调节电机转速，减小阀门阻力，延长了设备的使用寿命和维护费用。

高压变频器设备现场运行照片如图5所示。

图5设备现场运行照片

人机界面运行界面如图6所示。

图6人机界面运行界面

5、现场设备改造测试节能效果

循环水泵变频节电改造后，2015年5月26日，正式投入生产，至今运行正常。经过厂能源利用监测中心测试，系统达到了预期的效果：实施变频改造后，循环水泵用电量有明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。

通过现场设备运维人员统计数据的计算分析可，采用变频调速运行后，月节电大约18000度，节能效果十分明显。

附加收益

另外循环水泵变频节电改造后，具有软启动、软停止；提高了机组水泵的运行效率；现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，运行人员反映良好；便于实现电厂循环水泵机组控制系统自动化管理。

经过改造这个变频系统就相当于一个自动调节阀，用多少，供多少，实现供需平衡，节约能源。

6、结束语

经过国内变频器厂家的不断努力，国内变频器产品水平已达到国际同类产品先进技术水平，国内变频器产品以其性能良好，良好的本地化服务，性价比高，广泛应用于各行各业，并且节能效果显著，能短期内为用户收回投资。随着国家目前对节能减排工作力度空前加大，变频调速技术发展前景十分广阔，已迎来历史黄金发展时期。

作者简介：深圳市英威腾电气股份有限公司   技术支持工程师   王建祥

参考文献：

【1】深圳市英威腾电气股份有限公司 《GD5000系列高压变频器产品说明书》

【2】黄威、 黄禹 《变频器的节能与改造》化学工业出版社 2011-03出版

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关于英威腾：

英威腾，成立于2002年，致力于成为全球领先、受人尊敬的工业自动化和能源电力领域的产品与服务提供者，2010年在深交所A股上市，股票代码：002334。英威腾是国家火炬计划重点高新技术企业，目前拥有15家控股子公司，分驻于全国的12大研发中心，申请各类专利700多件，依托于电力电子、电气传动、自动控制、信息技术等关键技术，主要产品涵括高中低压变频器、电梯智能控制系统、伺服系统、PLC、HMI、SVG、UPS、电机和电主轴、光伏逆变器、节能减排在线管理系统、轨道交通牵引系统、新能源汽车电控系统等。英威腾现有员工2000多人，大型生产基地3个，营销网络遍布国内及海外60多个国家和地区。