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发表于：2013-04-03 16:23:48

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一、引言

风机泵类高压辅机采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术。目前，国内外厂家生产的高压变频器已在各工矿企业引风机、送风机、一次风机、排风机、给水泵、凝泵等风机泵类设备上投入运行，取得了较好的节能效果，最直接的是厂用电量明显降低。但是，运行中轴承、动叶产生裂纹，变频工频切换失败，变压器或模块过热跳闸等异常情况时有发生，给企业安全生产、经济效益带来不利影响。为此，把相关问题提出来进行探讨，希望对高压变频器节能技术的经济、安全、成熟、标准化应用起到积极的作用。

二、经济性、安全性分析

考虑高压变频器节能应用时，最先关心的就是经济性、安全性，没有节能效果或节能效果不明显，以及没有安全运行保障，基本打动不了决策层的心。

高压变频器节能应用的经济性分析，应根据企业实际情况进行科学的、量化的、综合的分析，防止出现简单的统计就得出节能效果很好，很快回收投资甚至产生很大经济效益的结论。其实，变频器本身并不是一个节能设备，相反，它是一个耗能设备（设计值5%左右）。变频器是一个方便而精准的调速设备，在风机与泵类辅机的调节上，它的节能量较大，但静调风机的静叶全开，节能效果就未必最好。有人反驳说，即使满负荷时工频运行的电机供电电流也比同工况同容量电机变频运行的供电电流大许多。这主要是因为选择的电机额定容量大于实际需求的电机功率。

高压变频器的应用，尤其是变频改造项目，在项目策划时要进行严格的安全性评估，对同类型风机或泵类辅机在其他火电厂的应用情况进行收资，了解变频器运行是否发生轴承、动叶裂纹、变频工频切换失败、变频器模块损坏等设备异常，掌握变频器设计、安装、调试及投运考虑的安全问题，需要进行哪些试验，以及日常维护应该怎么做等等。最好，请有资质和能力的科研单位进行相应项目测试及出具评审报告。

高压变频器不是节能应用唯一选择，要通过综合的经济、安全指标分析，来确认高压变频器节能应用是某个具体项目的优先选择。

三、设备选型与国产品牌的发展

了解国产、国际高压变频器品牌、产品、技术现状，满足安全、技术要求的前提下，选择性价比高的国产品牌，为支持鼓励国产品牌发展壮大、走向国际市场贡献力量。我国高压大功率变频器生产厂家，主要有合康变频、东方日立、成都佳灵、中山明阳、广州智光、上海科达、山东风光、九洲电气等。在国家节能政策的鼓励和扶持下，随着科研的进一步深入，理论上和功能上国产高压变频器逐渐可以与进口变频器相媲美，但变频器中使用的功率半导体、驱动电路、电解电容等关键器件完全依赖进口，而且在未来相当长时间内状况不容易改变。在自动化产品结构上相对比较单一，主要是“产品推广”的营销策略，产品发展与销售有一定劣势。

国外主流供应厂商主要有西门子、利德华福（施耐德）、罗宾康、罗克韦尔( AB)及ABB等。以西门子为代表的国外品牌占据大容量和为大型工程配套的高端市场。他们均形成了系列化的产品，几乎所有的产品均具有矢量控制功能，工艺水平也比较完善。品牌厂商多为综合自动化公司，拥有多种自动化产品的品牌关联效应，这种关联还体现在其他资源的共享上，这样的“品牌推广”对产品发展、销售都有很好的推动作用。

虽然，国外品牌在元器件质量、超大功率产品上优势比较大，也应该看到国产品牌通过技术自主化研究与应用，差距逐渐缩小。而且，国产品牌价格优势巨大，性价比高。另外，国产品牌在设备异常分析、故障处理、备品备件采购、技术培训等方面的方便快捷也是应该考虑的因素。决策层的思维不能停留在选择国际大品牌高端产品就不会负什么责任的行为上。

四、变频器与电动机连接方式选择

变频器与电动机连接方式主要有以下几种。

(1)-拖一固定连接，见图1：

(2)-拖一旁路连接，见图2：

(3)-拖二旁路连接，见图3：

其中，带旁路的接线方式又分手动切换和自动切换方式。如图二就是手动切换旁路的接线方式，-QS1、-QS2、-QS3均为隔离闸刀。将隔离闸刀换成高压断路器就可以实现自动切换旁路运行。

接线方式的选择取决于高压电动机在系统中的运行方式。如火电厂一台机组安装两台凝结水泵，正常一台运行，一台备用，就可以选择一拖二手动切换旁路的接线方式，一台变频运行，另一台工频备用，变频器故障时，凝结水系统切换到备用泵工频运行。而引风机就不同，机组正常运行两台引风机同时运行，一般选择一拖一自动切换旁路的接线方式，这样正常两台引风机均变频运行，任一台引风机变频器故障时，本台引风机自动切至旁路工频运行，保证引风机运行。

五、继电保护配置方案探讨

目前，国内外高压变频器厂家对变频器、变压器本身提供的保护配置基本一致，按照《DLT 994-2006火电厂风机水泵用高压变频器》系统集成和技术要求，主要有输入瞬态过电压保护、输入工频过电压保护、欠电压保护、输入过电流保护、输出瞬态过电压保护、输出过电压保护、输出过电流保护、输出短路保护、输出电压三相不平衡保护、输出电流三相不平衡保护、变压器超温保护、冷却系统故障保护，以及控制系统故障保护等。

从用户的角度出发，希望电力科研设计单位、相关院校及设备厂家能重视高压变频器+电动机系统继电保护配置问题，在以下两个方案中给出明确的结论：一是开关柜综合保护只作为高压电缆的主保护及变频器和电动机的后备保护，变压器和电动机由变频器自带保护实现主保护功能，但必须满足灵敏度要求。二是研发“频率跟踪智能式变频运行自适应”保护装置，保护装置能自动跟踪变频器两侧电源幅值、频率、相角变化并自动平衡补偿，经模拟运算把不同电源还原为理论相同电源，从而采用差动保护；保护范围涵盖从开关柜到电动机、包括变频器、隔离变压器及变频器两侧电缆等电动机的全回路；工频变频运行无需切换完全自适应。

六、共振、扭振损坏设备如何避免

变频调速应用后，电动机和负载的运行频率不再固定为工频50HZ，可以是从0~50HZ的任意一点，电动机输入电流是变频器输出的包含高次谐波分量的综合电流。电动机及负载轴系、叶片共振，轴系扭振损坏设备的现象时有发生，如图4、图5。

如何避免呢？分析原因，明确措施。

(1)轴系或支撑系统径向共振

由电机和负载工频离心力激励，且运行在轴系或支撑系统共振频率时所致。此类振动机理简单（与汽轮发电机组运行于其临界转速相当）、现象明显、处理容易。

措施：变频器投运前做共振频率测试试验，设置频率跳跃区域避开共振频率。

(2)轴系扭转共振

由PWM制式变频器输出电流引起的基波动扭矩激励。此类振动机理较复杂、现场因无监测而现象不明显，原先对定速运行影响不明显的因素开始对变速工况下的振动状态表现得非常敏感。

措施：运行人员应特别注意电机及负载的振动问题，如有异常应及时汇报并进行参数分析，同时检修人员也必须更加注意大小修对设备的检查处理。

(3)动叶共振

由PWM制式变频器输出电流引起的6X谐波动扭矩激励。此类振动机理较复杂、现场无任何现象（风机调频运行中凡运行可监视参数都正常，等到故障造成叶片断裂引发电机和负载振动大时才会被发现）。其激励源为变频器输出的电流高次谐波（6n次），其最主要成分频率为风机变频运行转速对应频率（转频）与电机磁极对数的乘积再乘以6，其频率范围为100。300Hz。其作用机理为：谐波电流引起风机轴系发生1∞~300Hz的小幅扭振，这种扭振因幅值较小对轴系没有明显影响，但会与动叶的固有频率合拍而引起其共振，并在较短时间内（变频运行1~3个月）使叶片产生裂纹最终破坏。

措施：在变频运行一个月时进行停机动叶片裂纹检查，如发现裂纹则必须进行相应改造。定期进行谐波、振动、扭振等参数测试，最好配备在线监测系统进行实时监测。

七、控制系统及冷却系统电源设计

变频器控制电源必须采用双电源设计，其中一路为厂用电380V PC段供电，另外一路直接来自高压，经变压器降压输入。两路电源同时经整流后输入控制系统。双电源切换无时间间隔，供电系统在线热备份，对整个高压变频器的控制电源稳定性有足够的保障。两路电源同时整流后进入控制系统，两路电源中哪路电源电压高，自动采用此路电源，当任何一路电源出现故障时，由于电源电压降为零，比正常工作的电源电压低很多，系统供电自动采用另外正常工作电源。如果两路控制电源不能实现不间断切换，需配置UPS电源，保证控制系统电源的安全供电。

变频器功率元件和变压器本体运行中有较大的热量散发，必须采用冷却系统把这些热量带走，保证功率元件和变压器本体体温升高在安全范围内，防止因元器件过热变频器跳闸、故障。采用强迫风冷系统时，变频器和变压器顶部风机正常运行对变频器的可靠运行至关重要，其电源的可靠性是设计冷却系统必须考虑的。一般设计为双路电源供电，一路为厂用电380V PC段供电，另外一路直接来自高压，经变压器降压输入，需要配置切换装置。建议，将该电源设计成机组保安电源PC段供电，可靠性更高。

八、变频器及负载控制逻辑参数优化

变频器加风机泵类负载总是应用在风、烟、汽或水系统中，系统的稳定性很重要，不能出现节能装置使用后系统运行工况恶化的情况。那么，变频器及负载控制逻辑参数的优化是需要认真对待的。举某电厂凝结水泵高压变频器改造为例，希望起到举一反三，吸取经验的效果。

某电厂两台凝结水泵，采用一拖二方案，正常一台凝泵变频运行，另一台凝泵工频备用。为保证凝结水系统运行良好，在变频器改造时进行了以下控制逻辑参数优化：

(1)凝结水泵变频运行时，上水调整门打开，利用改变凝结水泵的转速调节除氧器水位造成凝结水压力较低，最大不超过2.8MPa。运行中凝结水压力随负荷降低而下降，为了保证其它设备所需凝结水的压力，所以凝结水母管压力低联锁值重新整定，但不能太低。设定变频调速系统的最低转速为30Hz（变频器最低转速设为750r/min）。

(2)凝结水泵变频运行时，凝结水至除氧器副调节阀全开，主调节阀全关，凝结水母管压力最低低至0.85MPa。为了保证工频凝结水泵低水压不动作（工频运行时定值为1.8 MPa），将定值修改为低于0.6MPa，联动备用泵，母管压力07MPa时热控光字牌报警。变频器跳闸，系统发出12秒脉冲信号，将除氧器水位总手操指令由50%减至20%，对应副调节阀开度约在43%左右。

(3)变频器跳闸工频备用泵联锁启动后，凝结水压力突然升高对凝结水供其它辅助设备影响很大，特别是给水泵机械密封冷却水系统，由于给水泵机械密封冷却水差压一般维持在O.lMPa。针对此问题在给水泵机械密封冷却水调整门上预置一个与汽轮机调速级压力具有函数关系的指令，当备用工频凝结水泵联锁启动后将该指令输出至给水泵机械密封冷却水调整门，延时一段时间后系统切换至给水泵机械密封水差压自动调整回路。

上述逻辑参数修改后，进行了详细的动态调试，保证了凝结水泵变频运行及变频切至工频运行时凝结水系统运行工况的稳定。

九、变频器参数设置清单审核

参数设置也是高压变频器投运前必须重视的一个项目，只有最合理的参数设置才能使高压变频器运行在最好的工作状态，才能使变频器在系统中起到最大的作用。投运前对变频器参数设置清单审核应注意以下事项：

1、详细了解每一个参数名称的功能含义，设置选项之间的关系，设置范围大小的影响。

2、掌握哪些参数运行中可以修改，哪些参数运行中禁止修改。

3、出厂参数设置为工厂默认值，厂家技术人员不一定完全了解现场系统的要求，一定要通过系统的静态、动态调试后确认参数定值清单。

4、结合高压变频器运行中因参数设置不合理跳闸的案例，对这类参数进行重点分析、确认设置。

十、运行维护注意事项

变频器投运后要保证安全可靠运行，维护工作应该做到位。通常我们要做好以下工作：

1、变频器日常巡视检查

(1)检查变频器小室温度、通风良好，确保室内温度低于450C。

(2)保持变频器小室内清洁卫生，检查滤网是否被灰尘堵上。

(3)检查变频器、变压器是否有异常声音、气味，温度指示器显示是否与实际一致。

(4)检查每个冷却风扇工作是否正常。

(5)建立变频器异常运行情况登记表，记录变频器异常、故障时的相关参数，以便异常和故障分析。

2、变频器定期维护

(1)一般每月清扫过滤网，如灰尘较多应缩短清扫周期。

(2)建议变频器首次运行一个月后，停电把变压器进出线电缆、功率单元进出线电缆、所有控制电缆紧固一遍。以后每半年一次。

(3)每半年用吸尘器对变压器、功率单元柜内进行灰尘清扫。

3、长时间停运，恢复运行时注意事项

(1)测量变频器各部分绝缘值是否符合要求。如是空气湿度大的原因，可开启柜顶风机运行一段时间来驱除湿气。

(2)检查变频器控制元器件无结露、受潮情况。一般变压器柜、功率单元柜、控制柜设计安装温湿度控制加热器变频器停运时保持柜内温湿度符合要求。

(3)停电时间较长（超过一年），投运前应进行充电试验，使主回路电容器的特性得以恢复。

4、备用功率单元的维护

(1)确保TX. RY两个光纤座塞子插好，防止灰尘污染。

(2)定期（一般为半年）将备用功率单元上电检查是否正常。

十一、对检验规程行业标准的期待

为了保证高压变频器长周期安全可靠运行，安排定期检修并做相关试验来检查变频器的功率单元、变压器、开关或闸刀等主要元器件是否完好，保护及控制回路是否可靠，以及整体性能是否可靠是很有必要的。

《DLT 994-2006Lk电厂风机水泵用高压变频器》是根据《国家发展改革委办公厅关于下达2004年-业T准项目计划的通知》（发改办工业[2004]872号文）的安排制定的。它针对电力行业用高压变频器的生产、技术要求和试验内容等进行了相应的规定，在试验方面主要是对高压变频器生产厂家的出厂检验和型式试验作出明确要求。

可是，现场投运的高压变频器检修周期应该多长，检验项目有哪些，检验需要记录哪些数据，需要配置哪些试验仪器等等，这些对应高压变频器检修工作没有明确标准、规程可执行。

目前，各火电企业投运的高压变频器检修维护工作基本上按照设备厂家提供的《用户手册》中“日常维护和故障处理”等相关章节内容进行，对IGBT.整流桥、电解电容、整流变压器、控制主板等主要设备健康状况心里没底。

希望中国电力企业联合会及相关行业标准化委员会牵头组织编写《高压变频器检验规程》，为高压变频器使用企业明确检修周期、项目、检验与验收标准以及必备的试验仪器等。