大功率高压变频器节能数据解析

朱家斌?孙明皓?姚博

摘  要：通过对某电厂一次风机变频器工作原理的介绍，在工频方式运行和变频方式运行时电流、有功功率、无功功率等数据的分析，表明变频器投入运行后可为负荷提供大量无功补偿、提高变频器输入侧功率因数，在降低的运行电流中无功分量较多，单纯以负载运行电流降低的数值作为变频器节能量的计算依据不准确。为变频器节能量计算提供实际数据。

关键词：变频器;节能;有功功率;无功功率;电流

中图分类号：TN773         文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0060-03

Abstract： Through the introduction of the working principle of the once primary fan frequency converter in a power plant and the analysis of the current， active power， reactive power and other data during the operation of the power frequency mode and frequency conversion mode， it is shown that the frequency converter can provide a large amount of reactive power compensation for the load after being put into operation， improve the input power factor of the frequency converter. There are many reactive components in the reduced operating current， so it is inaccurate to simply take the value of the reduced load operating current as the calculation basis of the energy saving of the frequency converter. Provide actual data for energy conservation calculation of frequency converter.

Keywords： frequency converter; energy conservation; active power; reactive power; current

0  引  言

變频器以其良好的节能效果、优异的调节特性被应用于各个生产领域，尤其是大功率高压变频器的应用更加广泛。对于变频器节能量的认定，有的用电度表（即有功功率）作为计算依据，有的用负载运行电流降低的数值作为计算依据。本文通过对某电厂一次风机节能数据的解析，为今后变频器节能量计算提供实际数据。

1  设备介绍

1.1  一次风机电机简介

某电厂锅炉使用的两台一次风机为上海电气集团上海电机厂有限公司生产的型号为STMKK560-4S电机，其额定参数如下：功率为3000kW、电压6000V、电流为332A、功率因数为0.91。为降低厂用电率、提高经济效益，电厂于2012年对一次风机进行变频改造，为每台电机增加一套大功率高压变频器。

1.2  变频器简介

改造用的变频器选用的是由东方日立（成都）电控设备有限公司生产的DHVECTOL系列变频器，其型号为DHVECTOL-DI03550/06。变频器额定参数如下：额定容量为3 550 kVA、额定输入电压为6 kV、额定输入电流341.6 A、输入频率50 Hz、输出频率0～50 Hz、输出电压0～6 kV、输出电流0～341.6 A。

1.3  变频器工作原理简介

电厂内6 kV电源开关经电缆直接将电源与DHVECTOL系列大功率高压变频器内的移相变压器连接，移相变压器将6kV电压分别变换成不同相角的低压电后分别供给各个功率单元。每相由多个功率单元构成串联多电平的拓扑结构。每个功率单元输出的交流低电压经过叠加后转变为所需的交流输出高电压。主回路的拓扑结构如图1所示。图1中显示的结构为每相5个功率单元。

由移相变压器变换成不同相角的低压三相交流电经熔断器进入功率单元，通过三相全桥整流器整流变换成直流电、再经过电容器组滤波后进入IGBT元件，IGBT元件逆变后输出单相交流电压。由于电机额定电压时确定的，因此变频器输出的额定相电压也是一定的，每个功率单元输出的单相交流电压由每一相的功率单元数量所确定，功率单元数量越多、单台功率单元输出的电压越小。电厂一次风机的额定电压为6 000 V，其相电压为3 464 V。变频器每相有8个功率单元，每个功率单元输出的单相交流电压约为433V。三相功率单元的一端经过短接形成中性点，三相的另外三个端口直接与电动机相连。这种连接方式的主回路拓扑结构又常常称为“单元串联多电平”直接高压变频器结构。

功率单元主要由电源侧A、C两相的熔断器、负责将三相交流电变换成直流电的三相全桥整流器、滤波电容器组、直流母线、IGBT逆变桥和旁通回路构成;同时每个功率单元还有一套电子控制部件，包括电源、驱动板、保护监测、通讯等组件组成。其结构如图2所示。

每个功率单元控制系统在接收到主控系统发送的 PWM 信号后，经过计算、通过控制IGBT的触发角度调整其工作状态，将整流后的直流电逆变输出 PWM 电压波形。将每相N个功率单元输出的PWM电压波形进行叠加，产生出2N+1个电压阶梯的多重化相电压波形。F3521F5E-FEDC-48F0-9D92-299061994CD7

监控电路实时监控功率单元状态，并反馈回主控系统。当某一个功率单元运行期间出现异常、发生重故障时，该级功率单元进入旁通状态、停止工作。单台功率单元旁通不影响变频器整体运行，当引起旁通的故障原因消失之后，功率单元退出旁通运行方式，自动恢复到原工作状态。

2  节能数据解析

2.1  一次风机运行电流数据分析

分别选取锅炉蒸发量基本一致情况下一次风机在工频、变频两种不同运行方式时电机运行电流进行对比，具体数据如表1所示。

表1的数据中，主蒸汽流量均值为选取的时间段内锅炉产出蒸汽的平均值，电机电流均值为选取时间段内两台一次风机电流和的平均值。通过表1的数据可以看出，当锅炉产出的蒸汽相近情况下，一次风机变频方式下的运行电流比工频方式的运行电流下降很多，如果用锅炉每产生一吨蒸汽所消耗的电机电流进行节电率计算的话，如下列公式所示：

则一次风机变频器节电率为：

2.2  一次风机电度表数据分析

电厂在每台一次风机6 kV电源断路器侧安装一台多功能电度表，通过调取ECS系统数据可以得到有功功率、无功功率电度表的表码，进而可以计算出一次风机具体的有功功率、无功功率、功率因数等数据，具体数据如表2所示。

表2、数据中，有功功率、无功功率均为单台一次风机数据，计算是按小时计算的，即利用每小时电度表表码的差值乘以电度表的倍率得出;视在功率和功率因数是利用下列计算得出。

式中，S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率，cosφ为功率因数。

2.2.1  有功功率数据分析

通过表2中有功功率可以看出，一次风机在变频方式运行时的有功功率与工频方式运行时的有功功率相比有明显下降。在日常生产生活中，一般按照有功功率的多少作为设备耗电量计算的依据，根据公式1的计算原理将一次风机有功功率带入公式得出的节电率为：

2.2.2  其他数据分析

通过表2的数据可以看出，一次风机在变频方式运行时，无功功率出现大幅下降、电源侧的功率因数有了显著的提高。通过图2可以看出，变频器功率单元内有大量电容元件。这些电容元件不仅起到滤波、储能的作用，也可以为负载提供无功补偿，因此在变频器投入运行后可以大幅降低电源侧的无功功率，进而提高了电源侧的功率因数。无功功率在电气回路中起到建立电磁场、能量传输的作用，不能起到能量转换的作用（即转变为机械能、热能等），因此在日常生产生活中无功功率不作为能量损耗的计算依据。

综上所述，通过两种不同方式计算结果的对比，以运行电流降低的数值作为计算依据得出的变频器节电率偏高。原因在于电动机的运行电流是通过电流变送器转换过来的，只显示电动机电流的有效值，其中包含了有功分量和无功分量;而通过电度表进行节电率计算时，只计算有功功率降低的数值，无功功率的减少没有计算。

在日常的生产生活中，无论是耗电量的分析、还是电费的结算，均是以有功功率作为计算的依据。因此在进行变频器经济性分析时，以有功功率作为节能量计算的依据比较准确。

3  结  论

无论是用设备运行電流变化数值作为计算的依据，还是用有功功率的变化值作为计算的依据，均能反映出变频器的节能效果。设备运行电流数据容易提取，利用电流变化来进行分析变频器的性能比较直观和方便;而设备的有功功率需要从数据库中调取电度表的表码，在经过计算才能得出数据，不利于日常的运行分析。但是如果需要对变频器的节能效果进行经济性评价、分析的时候，采用有功功率作为计算的依据是较为准确的方式。

参考文献：

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作者简介：朱家斌（1984.04—），男，汉族，辽宁铁岭人，高级工程师，发电部电气运行高级主管，毕业于辽宁工程技术大学电力系统及其自动化专业，本科，方向：电气运行管理工作。F3521F5E-FEDC-48F0-9D92-299061994CD7