2  改造前存在的问题

通过锅炉热力试验、数据统计分析，锅炉风机系统采用风门挡板调节方式，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，在实际运用中存在以下问题：

(1) 电机和风机长期以额定转速运行，风门挡板调整节流损失大，出口压力高，挡板前后压差增加，压力损失严重，系统效率低。电机长期在低负荷状态下运行，造成能源的浪费，能耗增加。

(2) 风门挡板长期的40－70％开度，加速挡板自身磨损，导致挡板控制特性变差,风道压力过高，威胁系统设备密封性能，工作安全特性变坏，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) 电动机直接启动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差，需增加配电设备容量而增加投资等缺点。  

(4) 与原DCS系统不能直接配合，难于实现自动化控制与操作。

3  变频调速系统改造方案

3.1  调速方案的选择

由于循环流化床锅炉中的一次风机、二次风机、引风机均属于二次方转矩负载，在忽略风道变化因素后，有风量与转速成正比、风压与转速二次方成正比、机械轴功率与转速立方成正比的关系。当采用高压变频器对这些电机进行变频调速控制时，仅通过相对小范围内的频率改变，调节电机转速，即可实现风量等对象的控制，而且调节精度及响应速度有很大改善。同时，当电机转速降低时，由于轴功率与转速三次方成正比的对应关系，即P₁/P₂=(N₁/N₂)³，这样电机的轴功率显著下降，节能效果明显。

高压变频技术的具体实现有多种方式，目前国内外的高压变频器厂家主要采用如下一些解决方案：高－低－高方案、三电平－多电平方案、电流源方案、功率单元串联方案和直接高压变频器方案等。高－低－高方案需要输入、输出变压器，存在中间低压环节电流大、效率低、可靠性下降、体积大等缺点，只适合很小容量的高压电动机；三电平－多电平方案存在控制复杂、需要加滤波器等缺点，只有少数国外厂家采用；电流源方案存在输入功率因数低，维护成本高等缺点；功率单元串联方案需要复杂的多绕组变压器和多个低压单相变频器串联，存在控制电路复杂、重量重、体积大等缺点；直接高压变频器无需输入输出变压器、效率高、输出频率范围宽、可靠性高、成本低、输入功率因数高、输入输出谐波低、共模电压低、dv/dt低、应用范围广等优点。通过对国内多家公司的技术经济指标比较和考察，从技术可靠、减少投资、体积最小、安装简便、维护容易等方面考虑，选择了JCS一400kW／6kV 型IGBT直接串联高压变频器。
3.2  IGBT直接串联高压变频器应用方案

为了充分保证系统的可靠性，变频器配置方案均采用一拖一方式，风机电机变频调速改造主回路方案如图1所示，在原供电系统断路器QF与电动机M之间串联高压变频器装置。断路器QF1、隔离开关QS1、QS2安装在高压变频器装置配套的高压开关柜内，正常运行时断路器QF1、隔离开关QS1闭合，隔离开关QS2断开，风门挡板全开，采用变频运行。变频器故障时，断路器QF1、隔离开关QS1断开，隔离开关QS2闭合，实现原来的直接启动，工频运行方式，通过调节风机风门挡板开度的大小来调整受控对象。这是变频器工频、变频手动切换的典型应用，断路器QF1、隔离开关QS1、QS2不能同时闭合，这三台开关设备在机械和电气上都实现了互锁。

考虑到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制。 改造后的风机控制系统是将原系统的风门挡板开度信号经原DCS系统转接到变频器控制回路，变频器采用原DCS系统控制。根据炉膛负压，通过4-20mA模拟信号控制变频器的输出频率，改变电动机和风机转速，达到对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节，以适应工艺要求和运行工况。并且由DCS输出脉冲信号，控制变频器启动和停止。变频器可以向DCS系统反馈运行、停止、准备就绪、报警、故障、主电源电压异常、元件超温等信号，以及变频器的电流、电机转速等模拟量信号。这样改造工程量小，但整体性能和效果大幅度提高。

图1  变频调速改造主回路方案图

3.3  IGBT直接串联高压变频器主电路简介

IGBT直接串联高压变频器主电路如图2所示，图中由系统电网6KV高压直接经高压断路器进入变频器，经过输入电抗器滤波、高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变、正弦波滤波器和抗共模电压电抗器简单易行地实现高压变频输出，直接供给6KV高压电动机。

功率器件IGBT直接串联的二电平电压型高压变频器，是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。

4  IGBT 直接串联高压变频器的主要性能特点

(1) 高性能的电动机速度和转矩控制

  IGBT 直接串联高压变频器的开环动态速度控制精度与采用闭环磁通矢量控制的变频器相对应。其静态速度控制精度通常为正常转速的0.1% -0.5%，能满足大多数工业领域的要求。在速度调节精度要求更高的场合，可采用脉冲编码器。IGBT 直接串联高压变频器具有快速转矩阶跃响应，对电网侧和负载侧的变化具有极快的反应，对失电、负载突变和过电压状态易于控制。

(2) 模块化的构造与设计保证了系统的高利用率

每个功率单元都是相同的，并装在一个可抽出的机架上，模块化的结构使得调换功率单元只需15分钟, 换一个功率单元只须断开5个接口和一个光纤插口。模块化设计不仅使系统结构十分紧凑，而且也增强了系统维修的便利性，因而提高了系统的可利用率。
    (3) 高效率及完善的磁通优化

IGBT 直接串联高压变频器系统效率在98%以上。这一效率大大超过其它变频系统的效率，其它变频系统的效率计算，需包括变压器，功率因数补偿装置，谐波滤波器等的损失。在优化模式状态，电动机的磁通能自动地与负载对应，保证了高效率，并降低了电动机噪音。由于磁通的优化，根据不同的负载点，电动机和传动系统的总体效率提高1%到10%。

(4) 高质量输出波形使普通电机无须降容

IGBT 直接串联高压变频器输出波形，在整个速度和负载范围内具有正弦波特性。适用于普通的标准感应电机和同步电机，电机无须降容，也不必使用专用变频电机。在低工作频率段时，IGBT 直接串联的高压PWM 开关模式削弱了所有流向电动机的谐波。在高工作频率段，PWM 与内置于变频器中的微型电容器配合将谐波含量作进一步消除。与恒速运行相比，没有额外的电机温升及瞬变电压对电动机绝缘破坏现象。

(5) 先进完善的控制保护功能

全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试，内置PLC和PID，易于改变和扩展控制逻辑关系, 具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能，控制电路通讯方式采用全数字化通讯，高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强，装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择。

(6) 具有标准的计算机通讯接口

标准的计算机通讯接口RS232或 RS422、RS485，可方便 的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行。

(7) 平稳的电机运行降低了噪声

高质量的电压电流输出波形使系统低噪声运行。由于开关状态是分别确的，没有固定的开关频率，因此没有使用普通PWM 技术的交流传动装置中常见的共振所引起的刺耳的噪音。

5  高压变频调速系统的应用效果
     (1) 节能效果明显

在保证锅炉正常运行和满足全厂生产正常使用蒸汽用量的前提下，3#锅炉一次风机电机变频调速改造前的平均运行电流为43A，功率因素为0.8，消耗的电功率为P₁= UI₁cosφ₁=1.732×6×43×0.8=358KW，变频调速改造后变频器输入平均电流为26A, 功率因素为0.95, 消耗的电功率为P₂= UI₂cosφ₂=1.732×6×26×0.95=257KW，按每年运行7200h,当前电价0.35元/KWh计算, 这样每年可节省电费（358-357）×7200×0.35=25万元，变频器改造投资62万元，62÷25=2.5年即可收回投资，节能效率显著。

(2) 改善了操作工艺，按需调节风量。由于变频器通过变频调节风机的转速来控制风机的送风量而不再需要由风门来调节，其调节范围可以从0%—100%，因而可以根据生产工艺要求随意调节风量，风机运行参数得到了改善，提高了效率，减少了不必要的浪费。    

(3) 采用变频使用后，风机和电机的大部分工作时间都在较低的速度下运行，因而大大降低了风机和电机工作的机械强度和电气冲击，减少了风机叶轮的磨损和风机振动，减少了对烟道、风道和风门挡板的冲击腐蚀，同时润滑条件改善，传动装置的故障下降，系统压力降低，对管道的压力和密封等条件缓解，延长风机和电机及其相应配件的检修周期，节省检修费用和时间。
    (4) 电机实现了软启动，启动电流小，启动更平滑，避免了原来在较大惯性负荷情况下，数倍的额定起动电流对电网和机械设备的冲击，延长电机和风机的使用寿命。
    (5) 用电功率因数由原来的0.8左右提高到0.95以上，不仅省去了部分功率因数补偿装置，而且减少了线路和设备损耗。提高了设备利用率。
    (6) 与DCS系统的可靠衔接，其完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率，减少了检修和维护的工作量。

6  结语

我厂3^#锅炉中一次风机、引风机这2台风机采用IGBT直接串联高压变频器改造后，系统运行稳定，设备可靠，取得了明显的节电效果，获得很好的经济效益，同时改善了操作工艺，减少了设备维护维修工作量和故障率，减少了对环境的污染。对企业降低损耗、节约能源、减少成本、提高自动化控制水平，具有十分重要的意义，值得推广应用，接下来我厂将对另外2台锅炉中的风机逐步进行变频改造。

参考文献

【1】 赵相宾，仲明振.高压变频器应用手册【M】.北京：机械工业出版社，2009.