摘 要：本文主要介绍高压变频器在循环流化床引风机、一次风机调速方面的应用，与传统档板调节进行比较及简述高压变频器的基本原理、应用的技术方案。
关键词：高压变频器、节能降耗
一、引言
新疆农一师电力公司—塔里木热电厂距离阿克苏市区13公里，于96年该热电厂建成的I期供热工程，总机组发电容量为 2ⅹ12MW ，2台锅炉容量为2ⅹ75T/H ，总供热面积为125万㎡ ，由于城市的扩容和发展，人口的不断增长，已经完全不能满足整个阿克苏市区人民基本的取暖问题，所以每年每到冬日供热期间，整个阿克苏市区由于分散供热所带来的污浊的空气，给人们的身心带来了极大的伤害。为此农一师电力公司以“集中供热为阿克苏人民送一片温暖，集中供热还阿克苏人民一片蓝天”为宗旨，自筹资金在阿克苏市郊区建成了2 台锅炉容量为2ⅹ75MW ，总供热面积为130万㎡ 的II期供热工程—塔里木(阿克苏)供热中心热源厂。
二、供热系统技术总方案：
整套技术方案本着“节能降耗”环保型、高效率的产品为主、并且要求技术领先成熟、产品运行可靠为前提，其2套供热机组方案如下：
1、供热锅炉采用唐山信德锅炉集团生产的QXX75-1.6/130/80-AII型循环流化床锅炉
其循环流化床锅炉具有高效、低污染、低成本等特点。
循环硫化床作为一种清洁高效燃烧技术在国际上被广泛认可，循环流化床的燃烧是介于层燃和室燃之间的一 种燃烧技术，是采用流态化的燃烧，其具有燃烧适应性广、燃烧效率高、燃烧强度大，温度分布均匀、由于采用低温分级燃烧，高效脱硫、氮氧化合物排量低、负荷调节范围大、污染物排放低、灰渣综合利用性能好等特点，属于环保型锅炉，是国家大力推广的新型锅炉。其燃烧工艺如下：燃料由炉前给煤系统送入炉膛。送风系统由一次风(鼓风)和二次风组成，一次风由炉床下部送入炉膛，主要保证料层流化：二次风沿燃烧室分级多点送入，主要增加炉膛的含氧量起到助燃作用。燃烧后的物料变成一些较小的颗粒随烟气一起进入分离器，经过固气分离其中大部分颗粒由分离器下部的返料器重新送入炉膛，使炉膛内有足够高的灰度，保证流化;烟气经过电除尘器由引风机抽出。
2、引风电机(10KV、800KW)、一次鼓风电机(10KV、710KW)为长沙电机厂生产，其控制系统各2套均采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的Power SmartTM--高压变频调速控制装置来对风机风量和风压的控制。
风机系统中流量的调节如果采用改变档板开度的方式，那麽就在档板上产生附加的压力损失，因而消耗了大量能源。所以采用变频调速技术来控制风机系统，不仅可以节约能源，就其高精度控制而使系统运行更加合理可靠。(以下将详细说明也是本文的重点)
3、二次风机(380V、250KW)、罗茨风机(380V、75KW)、循环给水泵(380V、500KW)、给煤机(380V、55KW)的控制系统均采用美国伊顿公司生产的—低压变频调速控制装置。
三、针对引风机、一次鼓风机就其控制系统，分别上高压变频器的前期调研与分析
1、引风机、一次鼓风机如果采用低压(380V、800KW)的电机和低压(380V、710KW)的电机，那么电机的额定电流将达到一千多安培，电机的控制系统-低压变频器其输出的电流也要达到上千安培，对于要求设备长期可靠、稳定的运行，表示担心;
2、因在设计引风机和一次鼓风机的初期就将其容量付有裕量，不可能达到风机挡板全开、电机容量达到额定值的情况;
3、如果采用原来的是传统做法，即风机以定速方式运行，通过风机挡板来调节风量和风压，其主要弊端主要表现为：
3.1、调节挡板前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加;
3.2、风机定速运行，挡板调整节流损失大，出口压力高，系统效率低，造成能源的浪费;
3.3、风道压力过高，威胁系统设备密封性能;
3.4、长期的40-70%开度，加速挡板自身磨损，导致挡板控制特性变差;
3.5、设备使用寿命短，日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的浪费;
3.6、设备起动冲击电流大，需增加配电设备容量而增加投资;
3.7、与DCS不能直接配合，难于实现自动化控制与操作。
四、Power SmartTM高压变频调速控制装置系统技术方案：
1、系统组成：
Power SmartTM系列高压变频调速系统主要由切分移相干式变压器柜、功率单元柜、控制单元柜、远控操作箱、旁路开关柜等部分组成。变频器整机如下图所示：
1.1切分移相干式变压器
切分移相干式变压器为变频器的输入设备，一般由铁心、输入绕组、屏蔽层、输出绕组及冷却风机、过热保护等部分构成。
为了兼顾安全、防尘、维护以及美观等要求，一般将其安装在柜内。
Power SmartTM系列高压变频器选用的变压器，其绝缘等级为H极，绝缘材料部分选用进口的美国杜邦公司优质产品，温升可达155℃;真空浸漆，免维护。
变压器的原边为星形连接，在最内侧。副边在外侧，为沿边三角形连接，根据不同的电压等级，一般有9、18或27个三相的副边绕组。在原副边绕组之间另设有一层接地屏蔽层。副边的三相绕组可分为三大组，分别供给功率单元柜中的三个相，每一大组中各个三相小绕组其输出电压幅值相同，之间的相位移有20O、10O或6.6O。
变压器柜另配有温度监测装置，在绕组温度超过警戒温度时能提供过热警告信号和过热故障信号。变压器柜顶部装有引风机以排出变压器在工作时产生的热量。柜门安装有防尘网。
切分移相干式变压器外形如下图所示：
1.2控制单元柜
主控制器的外观如下图所示：
控制单元柜主要由主控制器、温控器、风机保护器、人机界面(数码管和彩色触摸屏可选)、PLC、嵌入式微机、开关电源、EMI模块、隔离变压器、空气开关、接触器、继电器、模拟量模块、开关量模块等组成。
主控制器，由总线板、电源单元、CPU单元、接口单元、3个相控单元及开关量、模拟量的输入、输出子模块等组成。它是变频器的控制核心，由两片DSP及多片FPGA、CLPD等构成，通过优质光纤将PWM信号传送到功率单元中，从而实现了高可靠的控制。
温控器，可以接3个感温探头，来测试切分变压器的温度，并提供告警或保护节点。
风机保护器，有3台，用来监控风机的缺相、过流等。其中，接功率单元柜的为2台，切分变压器柜1台。
PLC，内置PID调节模块和程序，可以实现闭环控制。它还含有模拟量、开关量模块，其路数可根据用户要求进行定制。
人机界面，设在控制单元柜前门上，用来提供设置、监视和切换等操作。它分别有数码管方式和彩色触摸屏方式两种，根据用户需求可进行选配，分别如下
1.3功率单元柜
功率单元柜，一般由1～2台柜构成，主要由功率单元、电流互感器、输出电压检测单元、风道风压检测装置及高压电缆等组成。
10KV系统功率单元共计27台，平均分属3个相(自上而下分别为U,V,W)，每相9个首尾相串，相间采用星形连接。电流互感器作为电流采集、处理、监视及电流闭环用，共2只，分别串入功率单元星点连接处的U相和W相上。输出电压检测单元，输入端分别接至星形连接的3个相端。用来检测输出电压等信息。风道风压检测装置用来实时检测冷却风道是否畅通，风压可以实时动态显示，它与风机电脑保护器、温控器一起共同组成变频系统冷却监视系统，进一步使变频器热量能够及时传导出去，确保变频器可靠运行。
2、工作原理：
功率单元模块由整流、软启动、滤波、逆变、旁通、 PWM形成、驱动、保护、模拟量采集等电路组成。
功率单元模块由整流二极管、绝缘栅双极性晶闸管(IGBT)构成的三相低压输入，单相输出低压的PWM电压型逆变器。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器;
Power SmartTM系列高压变频器是采用单元串联多重化技术属于电压源型高-高式高压变频器，是利用低压单相变频器相互串联，来弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器来独立供电。
以10KV高压变频器为例，论述如下：10KV系列有27个功率单元，每 9个功率单元相串联为一相。每个单元的输入电压为三相650V，输出则为单相650V，单元相互串联叠加后可输出相电压5850V。当变频器输出频率为50HZ时，相电压为19阶梯波，如下图所示。图中UA1 … UA9分别为A相9个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图中显示出了生成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。
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10000V以上，为37阶梯波。如下图所示，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。
变频器输出的三相电压加到电动机上，产生电流使电机旋转，额定运行时电机的电压和电流(实测波形)如图所示，可看出由于输出电压的谐波很小，电机电流接近于正弦波。
采用多重化叠加的方式，使变频器输出电压的谐波含量很小，不会引起电动机的附加谐波发热。其输出电压的dV/dt也很小，不会给电机增加明显的应力，因此可以向普通标准型交流电动机供电，而且无需降容使用。由于输出电压的谐波和dV/dt都很小，不需要附加输出滤波器，输出电缆也长度无要求。由于谐波很小，附加的转矩脉动也很小，避免了由此引起的机械共振，传动系统及轴承的磨损也大为降低。
在变频器输入侧，由于变频器多个副边绕组的均匀位移，如10KV输出时共有9种位移不同绕组，变频器原边电流中对应的电流成分也相互均匀位移，构成等效54脉动整流线路，结果变频器输入电流中谐波含量大为减少，远低于标准规定的限值。变频器工作时的功率因数达0.96以上，完全满足了供电系统的要求。因此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，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰，因而被人们誉为“完美无谐波的高压变频器”。
3、技术特点：
3.1 采用双DSP控制，无须工控机，可靠性高，速度高达纳秒级，比工业控机的响应速度快1000倍，杜绝了变频器死机问题;
3.2 采用54脉冲整流(以10KV变频器为例)及空间矢量多重化PWM技术，每相由9个功率单元串联而成，并直接驱动电动机，无需输出升压变压器。输出电平数高，dv/dt很小，输出波形接近正弦波，无需正弦波滤波器，电机运行平稳;
3.3采用专利技术的实时光纤传送技术，对功率单元进行控制，避免了同类厂家的数据打包通讯方式带来的波形延迟现象;
3.4 变频器输出转矩脉冲窄，控制精度高，避免了机械共振，减少传动机构的磨损，电动机的电应力强度与采用工频电源时相近，无明显附加影响，电动机噪声与采用工频供电时相近;
3.5 输入采用多重化的切分变压器，绝缘等级H级，原副边之间采取接地屏蔽措施，并提供变压器过热告警、保护功能，130℃告警，150℃故障跳闸，告警与故障点可根据设定，变压器过载能力强120% 60min，200% 10s,输入阻抗高达8%，抗短路电流冲击能力可达到额定电流的12.5倍;
3.6 采用先进的反擎住技术，使得IGBT更加可靠运行。
3.7 完善的自我诊断和故障预警机制，上电自检，运行中实时监测，检测速度高。通过双DSP系统，实现纳秒级运算并进行综合判断，分析准确，减少变频器误报警。故障的自诊断及保护功能相当完备，多达400多项的诊断信息，对电网和负荷有很强的适应性;
3.8 具有PWM控制波形与逆变输出波形实时验证功能，提高了输出波形的准确性，增强了系统无故障的运行能力，而同类厂家的数据以打包通讯方式则无法实现此验证功能;
3.9 具有反转启动和飞车启动功能，无论电机处于正转还是反转状态，变频器均可实现大力矩直接启动;
3.10 变频器具有软启动功能，可以实现一拖多软启动;
3.11 为避免电网短时失电对生产造成影响，变频器具备来电自启动功能。当电网电压消失后，变频器将判断处理或者紧急停机，如果在20秒内电网电源又恢复，变频器会进行自动启动，恢复停机前的运行状态;(通过软件参数设置来自选此功能)
3.11 具有GPRS远程监控功能，可以将高压变频器的运行数据及故障信息，通过GPRS通信系统传输到公司总部的本地服务器上显示、处理、存储，以便进行远程故障诊断，快速解决问题;
3.12 变频器发生短路、接地、过流、过载、过压、欠压、过热等情况时，系统均能故障定位并且及时告警或保护;
3.13 对电网波动的适应能力增强。针对生产负荷波动大的工况，变频器进行了特殊设计(可通过软、硬件来设置)，大幅度提高了其抗电网波动能力，做到电压波动在±15%以内时，变频器可以维持满额输出;电网电压降落在-15%～35%以内时，变频器将短时降额运行，不进行欠压保护，待电网电压恢复正常后，变频器自动恢复到原来的工作状态，大大减少了电压跌落造成的停机现象。
3.14 优秀的模块化设计，使得MTTF小于30分钟，其优点：
3.14.1.模块化设计，使得系统的可维护性大大提高。如果功率单元损坏，只要拆几个端子，换一个就可以了，非常方便。这使得平均可维护时间(MTTF)由过去的数个小时，一下子降到了目前的30分钟。
3.14.2.支持中心点偏移式的旁路技术。当某一个功率单元失效时，能够立即对该单元实施旁路处理，而整个变频器的输出仍能维持94%以上的电压，这保证了系统的不间断运行。
3.14.3.采用功率单元式结构，很好的解决了高压大功率调速领域的技术矛盾。这为高压大功率低谐波变频器的研制提供了崭新的思路。
4、系统的配置
4.1 内置PID调节器，可以实现闭环控制;
4.2可以实现触摸屏、数字键盘、模拟电位器、远程DCS等多种频率设定方式，适应各种用户需求;
4.3具有与用户隔离的开关量、模拟量输入输出接口，确保了与用户现有设备的可靠连接。可提供开关量输入输出接口各32路，模拟量输入输出接口4和8路，也可根据用户要求自由配置;
4.4采用两路控制电源(AC220V)供电，一路由输入变压器二次绕组提供，一路由用户现场提供。变频器同时内置UPS电源，保证无扰动平滑切换，控制电源失电变频器不停机;
4.5完整的参数化功能，对于用户的各种应用可全面支持。
5、经过严格调研Power SmartTM系列高压变频器与同类产品的比较：
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