探究電力設備中變頻節能技術應用

光大環保能源（江陰）有限公司 汪明浩

電力設備屬于系統性的設備工程，在實踐階段中通過變頻技術的應用可以提高電力設備的運轉能力滿足節能減排的需求。因此對變頻技術的應用要點進行分析，總結出更為科學有效的技術方案是本文的研究重點。

1 意義分析

對于電力企業而言，在實踐的階段中電力設備運轉效率的高低，直接影響到企業的經濟效益。根據當前現狀分析，隨著我國科學技術的不斷發展變頻技術的出現，給電力設備的運轉提供了良好的支持，通過變頻節能技術的應用能夠提高基礎運行工作效率，保證工作質量達到節能要求以及目標要求。同時在實踐的階段中通過變頻節能技術的應用可以對現有的機電設備功能完善，使其改善傳統的運行方式，在結合新技術背景下，達到電力設備的高效能運轉需要，能夠在一定的范圍內，確保電力設備發電機組的安全運行以及穩定運行，對企業的未來發展有著非常重要的幫助。

2 變頻調速技術概述

變頻調速系統的組成較為復雜，主要的設備就是變頻器、交流電動機、控制系統，該系統一般會進行電動機電源頻率調節電動機轉速，性能優越，提速效果良好。

2.1 變頻器概述

2.1.1 變頻器的基本概念

變頻器是變頻驅動器的簡稱，一般也可以叫做驅動控制器，這是靜態化的電能控制系統，對于電能使用量的控制優勢明顯。該設備的功能實現是利用改變電力半導體器開關的狀態以實現工頻電源調整為其他的頻率，所以性能比較優越，可以滿足多種條件下應用需要。

變頻器內包含主回路、控制回路，這是主要的功能部件。主回路內有整流、濾波、逆變等部分，但是要注意，整流的結構部分與逆變的結構部分利用其他功率元件更換使用，也可以達到功能性的要求。根據運行的需要，在中小型的變頻器的電路系統內，逆變系統主要組成部分是IGBT 晶體管；容量相對較大的變頻器系統內，逆變結構為GTO 晶閘管。

2.1.2 變頻器的工作原理

了解變頻器運行原理，交流電源通過整流電路調節為直流電源，儲能電容元件會達到濾波的穩定性效果，控制回路結合目前的控制要實現逆變器晶閘管的開啟和中斷。逆變器輸出一側的是電壓與頻率，為交流電源形式，所以電動機有足夠的能量可以運行，應用到控制精度與速度要求相對較低的場景之下。如果系統復雜性較高，控制速度、精度的要求是很高的，采用閉環控制方式。此時，電動機反饋信號能夠實現系統電路的控制。

3 變頻調速節能控制技術

從電力設備的運行實際情況出發，其會消耗比較多的電力能源以滿足系統運行的需要。當前世界范圍內電能使用量最多的是風電、太陽能等節能能源，所以新能源電力發電系統的發展速度較快，對于我國電力領域的發展起到一定的促進作用。從電力系統設備的組成分析發現，鍋爐風機、汽機水泵等設備是核心部件，其運行的基礎設備是交流電動機。因為這種設備在運行中需要達到恒速的標準，所以功率是比較大的，運行中會產生嚴重的能源消耗?；诖?，我們需要及時做出風機與水泵的改造，達到變頻運行的效果，對于節能環保效果的提升起到一定的促進作用。

3.1 電動機工作原理

3.1.1 異步電動機的機械特性

要想可以充分了解到電力設備的運行效果，對于電動機實施節能化改造，發揮出變頻系統的節能優勢，首先就要充分了解異步電動機的運行原理。從電動機的系統組成方面展開分析，異步電動機是通過電力能源驅動負載之下運行。從電動機的機械性能方面分析，其主要是電動機的轉速與轉矩之間關系是研究的重點。本次主要從這一方面展開分析，以了解異步電動機的運行性能。

（1）額定轉矩TN

該參數和機械特性曲線b 點存在關系。從電機理論學方面展開分析，其具體的相應關系可見下式：

電動機在正常的運行中，負載處于變化的階段，要結合具體的情況隨時做出調整和處理，可以突破負載轉矩與電磁轉矩的平衡關系。比如電動機運行中負載增加的條件下，負載轉矩和電磁占據的平衡被突破，新出現的負載轉矩會超出電磁轉矩的要求，導致轉動速度逐步的降低，轉子和磁場的相對速度也會他提升，所以內部電流參數會明顯的升高，電磁轉矩也會有所提高。在電磁轉矩升高到和負載轉矩一致的情況下，電動機就會從原先的低速運行的狀態逐步的進入到全新平衡狀態[1]。

（2）最大轉矩TMAX

該參數可根據圖1的c 點對應分析。異步電機的正常工作環節，電磁轉矩會有上限值，電磁轉矩就會處于相對恒定的狀態，不會再增大，電動機的運行速度也會降低。隨著系統繼續運行，負載轉矩也會有所的升高，電動機的運行速度會明顯的下降，甚至還會出現完全不轉的情況。這樣的情況之下，電動機轉子電流會升高，如果長期的運行極易造成熱量的升高，甚至還會出現燒毀的情況。通常來說，應用過載系數λm 表示過載能力，可見下式：

通常來說，三項異步電動機啟動時，參數λst=1～1.2。

3.1.2 電動機的控制原理

經過計算公式分析發現，電動機的運行效率和電源頻率、電動機極對數、轉差率有著一定的關聯。電動機運行的情況下，極對數通常是恒定的，這樣的情況下電機轉速和電源頻率是正比關系存在。為了對于電動機原理有充分了解，得出如下電機等效電路圖,見圖1。

圖1 電機等效電路圖

綜合分析上述的基本知識，電機在工作環節，最大電磁轉矩用下式計算：

由于r1<<（x1σ+σ1x2a），上述公式可以簡化為以下公式：

式中，Mm——電動機最大電磁轉矩；

ml——電動機繞組的相數（一般ml=3）；

ul——電動機供電電壓；

σ1——等效電路中的校正系數，σ1=1+x1/xm。

經過上述數據計算分析，可以得出如下結論：電動機工作環節，電源電壓降低的情況下，也會導致工作效率降低；通常來說，電動機的運行效果和質量，對于漏抗有直接影響；電機電源變化不定的情況下，電動機運行效果和電源頻率是反比，即電源頻率較高時，工作效率和能力較低。

3.2 變頻調速節能原理

電力設備內，高壓泵類、風機等設備的能耗量是最大的。從實際情況分析，需要提供充足的能源才能滿足運行的標準。基于此，本文重點分析水泵、風機等負載結構的特性[2]。

3.2.1 水泵類

電廠內水泵負載是比較多的，主要是從水泵、凝結水泵、循環水泵的方面展開分析。通常情況下，水泵輸出的單位流量時，電動機的運行功率對于水泵的節能性存在直接的關系。當前比較常用的分析方式時出口閥調節和變速調節，其中出口閥調節是重要的調節方式。該方式在具體的使用環節，通過水泵輸出管道上設置調節閥門的方式進行調整，可以改變閥門的開啟程度以保證流量處于合理的范圍內。操作效果比較明顯，運行也比較穩定可靠，根據實際情況需要對于電動機轉速進行調整，電動機功率較大的情況下，經濟性較低。變速調節方式時主流節能操作方式，利用調整水泵葉輪的轉動速度以實現流量的調整。根據目前的技術規范和標準，具體通過下式計算確定：

式中，KQ——流量比例常數。對于水泵負載，阻轉矩TL 與電動機轉速n 之間的計算表達式如下：

由于損耗T0通常是很小的，所以一般不會考慮，這樣的情況下，阻轉矩TL 確定為和電動機轉速的平方是正比的關系。電動機運行之下，其運行功率PL 通過下式計算：

上式得出的數據帶入下式：

式中，KP——功率比例常數。如果不計算P0的情況，電動機的運行功率和流量是正比的關系，所以要結合實際情況展開分析。具體分析各個數據分析發現，表示變頻調速方式在電廠水泵電流控制中，可以發揮出系統節能效果，總體運行效果良好。

3.2.2 風機類

在電廠內，風機負載也是比較大的，比如送風機、引風機等，所以這類設備的節能空間也是巨大的。當前的風機的風量調節方式包含風機轉速以及風口閥門進行調整，其運行工況特點曲線可見圖3。曲線1可以發現其額定轉速是風壓—風量特點，曲線2為閥門全部開啟之后的管網的風阻特點。上述兩條曲線的交叉點A 式風機自然運行工況特點，這樣的情況相應的風壓與風量為H1和Q1。在風量比Q2小的情況下，如果應用風門調整的方式保證風量處于合理范圍內，就可以降低風阻，其形成曲線3，與曲線1相交在B 點，這樣出現的風壓與風量是H2和Q2。

圖2 電動機耗用功率-流量圖

圖3 風機節能效果示意圖

選擇應用調速的方式進行風量的調整，根據相應風機比例參數做出調整，得到風機特性曲線4，和曲線2的交點為C，這樣就可以得到風壓與風量為H3和Q3。從理論數據分析發現，了解圖3中A、B、C 三個工況正常工作的情況下，電網的電動機運行功率PA、PB、PC 分別與A、B、C 三點風壓與風量乘積為正比，即與圖3中矩形AH1OQ1、BH2OQ2、CH3OQ2的面積成正比。從圖中可以明顯看出，PB 略小于PA，而PC 遠小于PA。與風門調整控制風量的方法對比分析，調節風機轉速可以實現風量的全面控制，提高總體的節能效果和質量。

3.3 高壓變頻調速節能技術應用

高壓電動機的運行電壓是比較大的，因為其功率較大，具備極高的抗沖擊效果，所以被大量的應用到發電企業內，可以滿足系統運行標準。和高壓電動機配套使用的高壓電動機變頻器為高壓變頻器。我國電子技術的高速發展背景之下，高壓邊坡調速技術在不斷的成熟，對于電力領域的節能效果有著重要的影響。變頻器的加入，增加運行功率是發展的主要方向。

但是因為單個變頻器的電壓是很小的，在變頻器功率增加到一定參數后，電流較高，甚至超出系統的承載能力。因此，高壓變頻器在安裝時應該使用多個低壓變頻單元串聯形成整體結構，電壓輸出達到正?；?，符合最大功率的變化要求。高壓變頻器在以往的設計中，主要是通過和IGBT 串聯應用，其直流部分利用大電容進行濾波和儲能的使用。這種形式的高壓變頻器正常運行中，所有串聯橋臂的IGBT 功率元件都可以互為備用，以保證系統運行的穩定性與安全性。因為這種方式的運行和變頻器拓撲結構是一致的，這樣就可以通過矢量控制方式保證正常運行，且和低壓變頻器的功能性相同，在四個象限都可以運行。

這種設備的缺陷就是運行環節存在均壓的情況，為了消除這一問題，在線路內增加緩沖電路和驅動電路即可。同時，在IGBT 驅動電路工作的過程中，延時要求很高，如果沒有做好開通、關斷的控制，會導致元件損壞嚴重。我國近年來研發和應用的高頻變壓器拓撲結構形式，其系統內部的主要組成結構是隔離變壓器、串聯功率單元、控制單元等。這種形式的變頻器設計為模塊的形式，將傳統的IGBT 串聯調整為功率單元相互串聯的方式，利用驅動電動機正常工作，沒有濾波器、變壓器等設施。以6kV 變頻器為例，通常來說其系統內包含15個或18個功率單元，即每相包括5個或者6個功率單元，在系統內采用星型方式連接，交流電動機可以正常的運行。

各個功率電源內部的組成結構是一致的，相互可以作為備用使用，其可以滿足政策的運行需要。變頻器采用多重PWM 控制，脈沖為30或36，功率相對比較低，諧波也不高，輸出波形和正弦波是基本相似的。這種變頻器的主要應用技術是光纖通信，產品運行效果良好，抗干擾能力較高。變頻器的功率單元內設置有旁路通電運行功能，在故障運行的條件下可以確保變頻器的連續運行，確保系統的各項功能不會受到任何的影響，總體來說運行效率較高，節能性良好，不會出現嚴重的質量問題。

4 結語

綜合以上敘述，在電力設備中通過變頻節能技術的應用，不僅能夠提高電力設備的運轉效率。同時還能夠達到節能減排的要求，所以在變頻節能技術應用時需要綜合電力設備的實際需求，做好技術應用方案的選擇，保證變頻節能技術的作用價值能夠發揮出來，如此才能夠提高電力系統的運轉效率。