变频电动机构在火电厂的应用

一、概述

电动执行机构是把电能转化成机械能、拖动各种生产机械的最重要、也是最基本的工具，由于生产工艺的要求和节约能源的需要，可调速电动执行机构一直成为科技人员的研究对象，其应用也越来越广泛。在可调速电动执行机构的发展过程中曾出现过直流调速、调压调速、电磁调速、电液耦合调速以及滑差调速等各种调速方式，但是，以上各种调速方法在实际应用中都存在着局限性和缺点。随着电力电子技术、自动控制技术、计算机技术的迅猛发展，一种新型的、智能的、集各种高精尖技术于一体的可调速电动执行机构产生了，这就是变频电动执行机构。

随着变频技术的日趋成熟，变频电动执行机构以其独具的性能获得越来越广泛的应用，与其它的可调速电动执行机构相比有如下优点：

a.启动电流小、对生产机械无冲击，可以大大延长设备的使用寿命。

b.智能化程度高、自诊断功能和保护功能齐全，设备的安全性、可靠性提高。

c.安装简单、使用方便、维护成本大大降低。

d.机械特性好、动态响应速度快、可提高控制系统的调节品质。

e.风机、泵类等高耗电设备采用变频调速后可降低耗能、节约成本、提高效率。

二、变频装置原理

变频电动执行机构是由变频装置(变频器)和电动机组成的可调速拖动机构，电动机的转速和转向由变频装置控制，按照生产工艺的要求工作。其理论依据是下面公式：

n=no(1-s)

no=60f/p

其中：

n——电动机转速

no——同步转速

s——滑差

f——输入电压频率

D——电动机极对数

从上面公式看出，改变电动机转速的方法有三种：一是改变滑差：二是改变电动机极对数;三是改变输入电压频率。通过引入变频装置把固定的电网频率转换成电动机所需要的频率来实现电动机的调速就是变频电动执行机构工作的理论基础。

变频装置一般分为交一交、交一直一交两种实现方式。交一交型变频器的调节范围小、功率因数低、谐波污染大。现在的大部分变频装置都采用交一直一交的实现方式，其主要构成分四部分：整流器、滤波器、逆变器和以CPU为核心的控制保护部分。

整流器采用可控元件接成三相全控桥，把输入的三相交流电变成电压可调的直流电。

滤波器主要是为了获得较为平直的直流电、吸收电动机回馈的能量实现紧急刹车制动功能。

逆变器采用"门极可关断晶闸管"GTO、"大功率晶体管"GTR、"绝缘栅双级型晶体管"IGBT等元件，采用脉宽PWM调制或矢量控制等方式将直流电逆变为频率可调的交流电。

以CPU为核心的控制保护部分是整个变频装置的指挥中心、其通过输入CPU的软件程序来完成控制、保护等各种功能，并且实现与DCS、PLC及其它控制系统的接口。

变频装置按其工作电压还有高压、低压之分，高压变频器又可分为直接高压型和高一低一高型。各种类型的变频器有不同的应用场合，即使是相同类型的变频器因其技术上的差别也有着不同的品质和价格。因而在变频电动执行机构的使用中要科学的选择变频器和电动机，力求最好的性能价格比。

变频电动执行机构中的电动机就是异步电动机，但是因使用的场合和变频装置采用的技术不同，有的可以使用普通的异步电动机，有的需选用专用的电动机。因此，对原来采用异步电动机定速运行的执行机构进行变频改造时要慎重 研究：是否可以保留原电动机，如果保留原电动机还需科学的选择变频装置。

三、变频电动执行机构在火电厂的应用

变频电动执行机构是国外首先研制成功的，国内应用较早的是石油化工、矿山机械等行业，电力行业最初是从给粉机开始使用变频调速的，这是因为给粉机使用低压电动机，低压变频器成熟较早、安装简单、对电动机进行变频改造比较容易。给粉机采用变频调速后不仅取得了显著的经济效益，与采用传统的机械调速装置相比还有如下许多优点：给粉机下粉均匀，煤粉自流现象减少，锅炉燃烧稳定;燃料控制系统调节范围加宽，保护功能和事故处理能力增强。正因为此，大部分电厂相继对给粉电动机和直吹式燃烧系统的给煤机进行了变频改造，并且都获得了良好的运行效果。

随着高压变频技术的日益成熟，高压变频电动执行机构在电力行业逐渐开始使用，考虑到节能效果，国内使用高压变频装置的设备主要集中在送风机、引风机、灰浆泵、低加疏水泵、升压水泵和凝结水泵上，国外已有在给水泵上使用高压变频装置的例子。

例如，在没有变频电动执行机构之前，火电机组一直采用电动机按定速运行，通过调节送、引风机导叶或挡板的开度来控制锅炉炉膛的风量。而200MW以上机组的送、引风机都采用高压大功率电动机，耗电量大，由此造成的节流损失浪费大量的厂用电，很不经济，而且由于非线形和响应速度慢影响自动的投入和调节品质。因而，一些老电厂已经或正在考虑采用变频电动执行机构对风量的控制方式进行改造，考虑到采用整体的变频电动执行机构虽然有诸多优点，但是改造成本高，而原有送、引风机的电动机在容量等级、防护等级等指标上都能满足变频调速的要求，所以都是在保留原有设备的基础上增加变频装置，方法有两种：一种方法是，增加的变频装置与原电气控制线路并联，通过切换开关选择控制电动机运行的通路，如图。采用这种方法，当变频装置故障或检修时，可使电动机恢复到原有的控制方式，不影响整个机组的运行，但是两个控制通路之间需加连锁，以免短路。第二种方法是，去掉原有的电气控制线路，直接采用变频器控制电动机的运行。

对老机组耗能高的高压电机设备采用上述方法改造后不仅改善了相关控制系统的调节品质，提高了控制系统的稳定性和可靠性，更重要的是节省了厂用电。所以越来越受到电厂的重视，如大庆华能新华电厂对引风机和灰浆泵进行了变频改造：安徽铜陵电厂对低加疏水泵进行了变频改造;清河电厂对引风机进行了变频改造。改造后都取得了较好的经济效益和社会效益。

四、结论

显然，用变频电动执行机构代替许多传统电动执行机构是节约能源、改善工艺流程、提高控制系统品质的有效手段。但是，目前大部分变频装置依赖进口，价格昂贵、一次性投入高，普遍使用变频电动执行机构还不现实，对老机组中采用变频调速后节能效果显著的执行机构进行改造、寻求高性能价格比的解决方案应该成为目前研究的重点。

在对老机组改造中采用变频调速装置的同时，在新建机组设计中尽量采用变频电动执行机构，这样可以避免二次投入的浪费;同时，为变频电动执行机构设计的专用变频电动机有散热效果好、电磁损失少、比普通电动机更节能等优点，可使整个变频电动执行机构工作效率更高。