變頻器在熱網中的應用介紹

夏 帥

（太原熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030013）

引言

當前不斷擴大的城市化進程中，集中供熱展現出了良好的節能與環保特性。熱網運行應用了大量以三相異步電機為驅動的水泵以及鍋爐風機，使用已經發展成熟的變頻器對電機進行全面控制是有效改善熱網調節效果、降低能耗的手段。變頻器自20 世紀60年代末出現，至80 年代中后期逐漸發展成熟，其通過改變電源頻率從而控制交流電機運轉速度，現已在工業領域得到普及應用。

1 變頻器原理

交- 直- 交型低壓變頻器即先將工頻交流電整流為直流，再通過逆變器將直流電逆變為所需的交流電頻率。結構分為主回路與控制回路兩大部分，主回路分為三部分，如圖1 所示。

圖1 變頻器主回路結構圖

圖1 中A 部分為整流電路。通過6 只二極管VD1～VD6 組成的橋式整流電路將輸入380 V 工頻交流電整流成約540 V 直流電。某些變頻器會將二極管VD1、VD3、VD5 替換為可控硅，變成半控橋式整流電路。通過控制可控硅觸發導通角來間接控制儲能電容充電電流值的大小，省去了預充電電阻R1 與接觸器K 的組合。

B 部分為直流電路。R1 為預充電電阻，在上電初期為儲能電容C1、C2 進行預充電。防止在上電初期由于電容容量大導致充電電流過大對電路造成沖擊。當預充電完成后，接觸器K 吸合短接R1。C1、C2 為電解電容，在變頻器中作為儲能、平波元件使用。由于其耐壓上限為450 V，所以將兩個電容串聯使用以提高耐壓性。

C 部分為逆變電路。主要由6 塊IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊組成。通過控制IGBT 模塊V1～V6的觸發次序、占空比實現直流電變為所需的交流頻率輸出。反向并聯VD7～VD12 是為了保護IGBT 在電機停機時不被產生的反向感應電動勢擊穿，利用其單向導通性將勢能引入到直流母線正極。

2 控制電路組成部分

2.1 開關電源

開關電源作用是為整個控制電路提供電能，將主回路充當電源，通過整流- 濾波- 脈沖調制技術將電壓調整為所需要的值。通常情況下開關電源提供的電壓等級為5 V、±15 V、24 V、15 V、-7.5 V，其中5 V 為CPU 及附屬電路、操作面板供電；±15 V 為檢測回路供電；24 V 為外部接線端子、散熱風扇供電；15 V、-7.5 V 為IGBT 導通閉合供電。

2.2 CPU 電路

CPU 電路是變頻器控制電路的核心，起到運算、存儲、通信等功能，通過操作面板或通信接口與人進行人機交互，實現操作目的，如圖2 所示。主要由CPU、寄存器、通信端口、中斷電路、A/D 轉換電路等組成。

圖2 CPU 電路原理圖

變頻器核心的調速功能是CPU 電路利用PWM及脈沖寬度調制技術進行數學運算，運算結果以數字脈寬調制信號的方式輸出至驅動電路，再由驅動電路對信號進行放大來直接驅動IGBT 的通斷，來達到直流電到交流電的逆變目的。

2.3 驅動電路

驅動電路是由驅動芯片以及外圍電子元器件組成，從而控制IGBT 的觸發，實現將直流電逆變為既定頻率的交流電電路。如圖3 所示，是以美國安華高公司推出的HCPL-A316J 光耦合驅動芯片為核心的驅動電路簡化圖。芯片輸出電流值最大為2.5 A，可驅動150 A/1200 V 的IGBT，其內部輸入、輸出側采用光電隔離電路，簡化了外接光電隔離電路；同時帶有IGBT監測功能，可實現與CPU 之間的故障報警與復位，適用于逆變器、開關電源等多種用途。該芯片在驅動電路的應用中可以6 只IGBT 都使用，也可以只在下橋臂也就是V2、V4、V6 中使用，上橋臂3 個IGBT 使用其他規格的驅動芯片替代，以節約成本。

圖3 驅動電路簡化圖

該芯片共有16 個管腳，其中主要管腳作用如下：

管腳1、2 為CPU 控制信號輸入端口。CPU 輸出0～5 V 的數字脈寬調制信號用以驅動芯片工作，當輸入高電平時芯片輸出正向電壓IGBT 導通，輸入低電平時芯片輸出反向電壓IGBT 截止。

管腳3、4 為輸入側供電電源正/負，供電電壓一般為5 V。

管腳6 為故障報警。正常情況下為高電平輸出至CPU(≥2 V)，故障時變為低電平（≤0.8 V），同時管腳11 被鎖定輸出反向電壓無法觸發，直到被復位鎖定解除。

管腳5 為故障復位。正常時由CPU 輸出高電平信號，直到CPU 輸出一個低電平信號芯片被復位。C1、C2 為濾波電容，防止瞬態干擾引起誤動作。

管腳11 為IGBT 觸發/截止信號端。IGBT 觸發電壓范圍一般為15～18V，不低于12V，典型值為15V。截止電壓范圍一般為-10～-7.5 V，不高于-5 V，典型值為-7.5 V。其中Z1、Z2 為正負偏壓鉗位穩壓管。

管腳12、13 為輸出側電源正與IGBT 導通驅動電源。

管腳9、10 為輸出側電源負與IGBT 截止驅動電源。芯片輸出側供電電壓約為22 V，如果電源電壓低于12 V，為了保護IGBT 芯片將會強制截止鎖定。

管腳16 為IGBT 發射極公共端。管腳14 為壓降檢測端。14、16 經過IGBT 的C 端與E 端構成IGBT管壓降檢測電路。電流通路為管腳14→R2→D1→IGBT 集電極→發射極→管腳16，C3 為濾波電容。正常情況下IGBT 壓降不大于3 V，當檢測到IGBT 壓降達到7 V 時，說明IGBT 狀態異常。管腳5 由高電平變為低電平，變頻器停機報故障，直到故障排除通過管腳5 復位成功，芯片才可重新運行[1]。

2.4 檢測電路

檢測變頻器的輸入電壓、電流、IGBT 溫度、頻率等參數。為了能夠反饋變頻器各項參數，保證變頻器及其驅動的電機在工作過程中狀態正常，在發生故障時及時停機避免故障進一步擴大。變頻器內部各環節都設置有檢測電路數據采樣點。根據采樣控制原理，以毫秒或微秒級的采樣速度將各種運行參數在采樣后，經過A/D 轉換或直接輸出至CUP 電路。起到保護、反饋數據、調節運行狀態的目的。

3 變頻器應用介紹

變頻器在供熱系統中的應用實現了諸多以往難以實現或可以實現但性能不夠良好的功能，主要優勢體現在運行控制與節能兩方面。

3.1 運行控制

1）實現電機軟啟動：電機直接啟動時的電流為額定電流的4～7 倍，大于7.5 kW 的電機啟動需要加裝啟動設備以抑制啟動電流對線路電壓的影響。在實際工作中供熱系統受供熱面積的影響電機功率往往大于7.5 kW，且受變壓器容量限制需要加裝啟動裝置來實現啟動。傳統的Y-Δ 降壓啟動、自耦降壓啟動等啟動方式雖然可以抑制啟動電流但受到檔位限制，還是有一定量的二次沖擊電流造成線路電壓波動，在停運時自由停機會引起水錘效應增加管道損傷率。而變頻器具有軟啟動功能，可以根據負載情況，通過調節加/減速時間來改變電機運行加速度，使電機轉速緩慢平滑上升，抑制了啟動電流，實現了無級變速。軟啟動減小了線路電壓波動、增加了電機的使用壽命、平滑的水泵轉速上升與下降減小了水壓波動對管道、閥門的機械沖擊。

2）直流制動：在某些熱力站存在單流門密閉不嚴，導致水泵在停機狀態下倒轉的情況，致使變頻器在電機啟動時報過流故障無法啟動。出現這種情況可利用變頻器直流制動功能，在電機啟動前對電機繞組通入直流電建立靜止磁場，轉子產生感應電流形成反向轉矩進行制動，當反轉停止后再正常啟動。

3）方便對電機進行調速：通過變頻器自帶調速按鍵或上位機系統可方便對電機進行調速，精度保持在±0.5%以內，調速范圍可達到1∶100。熱網中所涉及的電機都是50 Hz 工頻電機，正常工況中電機工頻一般在25～45 Hz，設備調試通常要求電機工頻在5 Hz 以下，升壓測試電機工頻可能要達到45 Hz 以上，變頻器完全可以滿足任何階段的運行需求。在需要恒壓補水的場合可以使用變頻器自帶的PID 功能結合現場回水管壓力變送器對電機實施閉環控制，自動頻率調節以達到管道水壓始終保持恒定的目的。

4）方便調試與維護：在調試階段可以點動使電機低速旋轉以觀察電機旋轉方向是否正常，如果錯誤可通過在變頻器內設置正轉- 反轉的功能加以修正，免去了調換電纜接頭的工作省時省力。利用電流監測功能方便觀察設備空載時電流值大小，并進行橫向對比。如發現異常值及時排查異常原因，解除故障隱患。對于一些銘牌丟失或返修的電機，可以利用變頻器的參數自整定功能對電機參數進行辨識，確保參數的準確性。當出現故障停機時，可根據變頻器所提示的錯誤代碼快速查找故障原因，節省維修時間與工作強度。

5）具備遠傳通信功能：以往水泵調節需要運行人員駐站手動進行，費時費力且用工成本較高。采用變頻器后，由于其集成多種外接端口，滿足模擬量、數字量信號的輸入/ 輸出功能。能夠識別電壓、電流、RS232/485 等多種通信模式，具有方便與外部設備進行數據通信的特點。將其與站內PLC 建立通信進行數據交換，以滿足遠程調節頻率監視運行狀態達到站內運行無人化，以降低人員工作強度與用工成本的目的。由于4～20 mA電流信號具有傳輸穩定、抗干擾能力強、方便測量、具有斷線檢測等優點，所以采用兩線制4～20 mA 電流信號完成PLC 中AI 模塊對變頻器頻率反饋值的采樣以及AO 模塊對頻率的遠程調節。利用變頻器內部數字量輸出端子將變頻器運行、故障狀態反饋至PLC 的DI 模塊。

為了避免接線錯誤或漏電等事故造成強電進入變頻器弱點電路，造成電路板燒毀。在變頻器外部設置直流電源、信號隔離器、繼電器形成電氣隔離，最大程度保護變頻器安全。

6）運行可靠性增加：變頻器具有完整系統的監測保護功能，可對自身以及電機進行實時監控。變頻器的數據采樣時間短，當發生過流、過載、線路缺相等故障時反應更迅速，對電機保護效果要優于接觸器與熱繼電器的組合。

某些水泵、管道因為使用年限較長狀態欠佳，水泵轉速上限較低，需要謹慎操作。為了防止運行人員誤操作導致事故發生，利用變頻器的最大頻率給定功能可限制電機最高轉速防止誤操作。

變頻器內使用了大量半導體器件來替代傳統的接觸器、繼電器，避免了出現觸頭燒蝕、機械卡頓等問題導致的斷路與接觸不良等故障。而且半導體元件本身經過了幾十年的發展已經相當成熟，在使用維護得當的情況下設備壽命可達10 年以上。

3.2 節能效果

風機、水泵的電能耗占到采暖季總電能耗的90%以上，由于風機只在鍋爐調峰時使用而水泵需連續運行一個采暖季，水泵的能耗就尤為突出。降低風機、水泵能耗對降低費用支出有重大意義。變頻器沒有大量使用之前，風機、水泵電機以額定轉速運行，對介質流量的調節是通過改變風門和前后閥門開度進行。電機在設備選型時一般大于設計所需求功率約20%，在實際運行中介質流量往往又小于設計額定值，兩項因素造成電能被白白浪費。變頻器的引入改變了這種高耗能的狀態，達到了低能耗運行的目的。

變頻器的節電是利用驅動電機轉速下降越多節電就越多，而變頻器自身效率在93%以上能耗較小的特點，通過降低負載轉速進行節電。理論上風機、水泵類型負載電機轉速與能耗之間呈立方關系，實際在應用中對應關系如表1 所示，為一臺22 kW 水泵電機的調速數據。通過表1 可以發現電機轉速越低能耗越低。在熱網運行中庭院網溫度調節一直是采用質調節，即保持水循環速度不變，通過改變庭院網水溫來調節室內溫度的高低。所以在保證水壓的前提下盡量降低電機轉速節能效果顯著。如果電機在額定狀態下工作，變頻器起不到節能作用。表1 中還體現出頻率低于30 Hz 能耗上升緩慢，35 Hz 以上能耗成倍數陡然升高，有一定的區間性。利用這一特點，在提前了解所在管網水泵自身的調速特點，再結合換熱機組為提高運行可靠性而采取的同規格雙泵并聯設計（一用一備），某些換熱機組需要單臺水泵以較高轉速輸出的管網，采取雙泵同時以低速運行，既滿足水壓的要求又達到了一定的節能降耗效果。普遍認為風機、水泵類型負載在使用變頻調速后可以節能約25%[2]。

表1 電機調速數據表

4 應用注意事項

變頻器作為精密電氣設備，對安裝維護有一定要求，只有滿足這些條件要求才能保證它的安全穩定運行。

首先要保證變頻器的安裝選址正確。熱力站內選址要在不易積水、結露的地方建立專用電器隔間；避免與管道設備同處一室；隔間內不能有任何水管道；地面要高于站內基準面；設置通風口，使相對濕度（RH）在95%以下。熱源廠內選址除滿足以上條件的同時還要滿足環境溫度不高于40 ℃、無粉塵、附近無可燃物堆放的環境。

其次在安裝變頻器的同時要保證外殼接地良好，接地阻值不大于10 Ω。在需要開蓋檢修時務必切斷電源，并靜置10 min 以上保證變頻器內部儲能電容放電完全才可開蓋，防止出現觸電事故。

最后在停運檢修的6.5 個月時間，為了保證變頻器電子器件的使用壽命，每隔兩個月對變頻器進行上電24 h，使電子器件可以進行充電、通風保持其良好性能[3]。

5 結語

通過長期的應用表明，變頻器在管網運行中利用其強大的功能在水泵、風機的啟停、調速、節能等環節均起到了良好的效果，具有廣闊的發展前景。