变频器在热网中的应用介绍

夏 帅

（太原热力集团有限责任公司， 山西 太原 030013）

引言

当前不断扩大的城市化进程中，集中供热展现出了良好的节能与环保特性。热网运行应用了大量以三相异步电机为驱动的水泵以及锅炉风机，使用已经发展成熟的变频器对电机进行全面控制是有效改善热网调节效果、降低能耗的手段。变频器自20 世纪60年代末出现，至80 年代中后期逐渐发展成熟，其通过改变电源频率从而控制交流电机运转速度，现已在工业领域得到普及应用。

1 变频器原理

交- 直- 交型低压变频器即先将工频交流电整流为直流，再通过逆变器将直流电逆变为所需的交流电频率。结构分为主回路与控制回路两大部分，主回路分为三部分，如图1 所示。

图1 变频器主回路结构图

图1 中A 部分为整流电路。通过6 只二极管VD1～VD6 组成的桥式整流电路将输入380 V 工频交流电整流成约540 V 直流电。某些变频器会将二极管VD1、VD3、VD5 替换为可控硅，变成半控桥式整流电路。通过控制可控硅触发导通角来间接控制储能电容充电电流值的大小，省去了预充电电阻R1 与接触器K 的组合。

B 部分为直流电路。R1 为预充电电阻，在上电初期为储能电容C1、C2 进行预充电。防止在上电初期由于电容容量大导致充电电流过大对电路造成冲击。当预充电完成后，接触器K 吸合短接R1。C1、C2 为电解电容，在变频器中作为储能、平波元件使用。由于其耐压上限为450 V，所以将两个电容串联使用以提高耐压性。

C 部分为逆变电路。主要由6 块IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块组成。通过控制IGBT 模块V1～V6的触发次序、占空比实现直流电变为所需的交流频率输出。反向并联VD7～VD12 是为了保护IGBT 在电机停机时不被产生的反向感应电动势击穿，利用其单向导通性将势能引入到直流母线正极。

2 控制电路组成部分

2.1 开关电源

开关电源作用是为整个控制电路提供电能，将主回路充当电源，通过整流- 滤波- 脉冲调制技术将电压调整为所需要的值。通常情况下开关电源提供的电压等级为5 V、±15 V、24 V、15 V、-7.5 V，其中5 V 为CPU 及附属电路、操作面板供电；±15 V 为检测回路供电；24 V 为外部接线端子、散热风扇供电；15 V、-7.5 V 为IGBT 导通闭合供电。

2.2 CPU 电路

CPU 电路是变频器控制电路的核心，起到运算、存储、通信等功能，通过操作面板或通信接口与人进行人机交互，实现操作目的，如图2 所示。主要由CPU、寄存器、通信端口、中断电路、A/D 转换电路等组成。

图2 CPU 电路原理图

变频器核心的调速功能是CPU 电路利用PWM及脉冲宽度调制技术进行数学运算，运算结果以数字脉宽调制信号的方式输出至驱动电路，再由驱动电路对信号进行放大来直接驱动IGBT 的通断，来达到直流电到交流电的逆变目的。

2.3 驱动电路

驱动电路是由驱动芯片以及外围电子元器件组成，从而控制IGBT 的触发，实现将直流电逆变为既定频率的交流电电路。如图3 所示，是以美国安华高公司推出的HCPL-A316J 光耦合驱动芯片为核心的驱动电路简化图。芯片输出电流值最大为2.5 A，可驱动150 A/1200 V 的IGBT，其内部输入、输出侧采用光电隔离电路，简化了外接光电隔离电路；同时带有IGBT监测功能，可实现与CPU 之间的故障报警与复位，适用于逆变器、开关电源等多种用途。该芯片在驱动电路的应用中可以6 只IGBT 都使用，也可以只在下桥臂也就是V2、V4、V6 中使用，上桥臂3 个IGBT 使用其他规格的驱动芯片替代，以节约成本。

图3 驱动电路简化图

该芯片共有16 个管脚，其中主要管脚作用如下：

管脚1、2 为CPU 控制信号输入端口。CPU 输出0～5 V 的数字脉宽调制信号用以驱动芯片工作，当输入高电平时芯片输出正向电压IGBT 导通，输入低电平时芯片输出反向电压IGBT 截止。

管脚3、4 为输入侧供电电源正/负，供电电压一般为5 V。

管脚6 为故障报警。正常情况下为高电平输出至CPU(≥2 V)，故障时变为低电平（≤0.8 V），同时管脚11 被锁定输出反向电压无法触发，直到被复位锁定解除。

管脚5 为故障复位。正常时由CPU 输出高电平信号，直到CPU 输出一个低电平信号芯片被复位。C1、C2 为滤波电容，防止瞬态干扰引起误动作。

管脚11 为IGBT 触发/截止信号端。IGBT 触发电压范围一般为15～18V，不低于12V，典型值为15V。截止电压范围一般为-10～-7.5 V，不高于-5 V，典型值为-7.5 V。其中Z1、Z2 为正负偏压钳位稳压管。

管脚12、13 为输出侧电源正与IGBT 导通驱动电源。

管脚9、10 为输出侧电源负与IGBT 截止驱动电源。芯片输出侧供电电压约为22 V，如果电源电压低于12 V，为了保护IGBT 芯片将会强制截止锁定。

管脚16 为IGBT 发射极公共端。管脚14 为压降检测端。14、16 经过IGBT 的C 端与E 端构成IGBT管压降检测电路。电流通路为管脚14→R2→D1→IGBT 集电极→发射极→管脚16，C3 为滤波电容。正常情况下IGBT 压降不大于3 V，当检测到IGBT 压降达到7 V 时，说明IGBT 状态异常。管脚5 由高电平变为低电平，变频器停机报故障，直到故障排除通过管脚5 复位成功，芯片才可重新运行[1]。

2.4 检测电路

检测变频器的输入电压、电流、IGBT 温度、频率等参数。为了能够反馈变频器各项参数，保证变频器及其驱动的电机在工作过程中状态正常，在发生故障时及时停机避免故障进一步扩大。变频器内部各环节都设置有检测电路数据采样点。根据采样控制原理，以毫秒或微秒级的采样速度将各种运行参数在采样后，经过A/D 转换或直接输出至CUP 电路。起到保护、反馈数据、调节运行状态的目的。

3 变频器应用介绍

变频器在供热系统中的应用实现了诸多以往难以实现或可以实现但性能不够良好的功能，主要优势体现在运行控制与节能两方面。

3.1 运行控制

1）实现电机软启动：电机直接启动时的电流为额定电流的4～7 倍，大于7.5 kW 的电机启动需要加装启动设备以抑制启动电流对线路电压的影响。在实际工作中供热系统受供热面积的影响电机功率往往大于7.5 kW，且受变压器容量限制需要加装启动装置来实现启动。传统的Y-Δ 降压启动、自耦降压启动等启动方式虽然可以抑制启动电流但受到档位限制，还是有一定量的二次冲击电流造成线路电压波动，在停运时自由停机会引起水锤效应增加管道损伤率。而变频器具有软启动功能，可以根据负载情况，通过调节加/减速时间来改变电机运行加速度，使电机转速缓慢平滑上升，抑制了启动电流，实现了无级变速。软启动减小了线路电压波动、增加了电机的使用寿命、平滑的水泵转速上升与下降减小了水压波动对管道、阀门的机械冲击。

2）直流制动：在某些热力站存在单流门密闭不严，导致水泵在停机状态下倒转的情况，致使变频器在电机启动时报过流故障无法启动。出现这种情况可利用变频器直流制动功能，在电机启动前对电机绕组通入直流电建立静止磁场，转子产生感应电流形成反向转矩进行制动，当反转停止后再正常启动。

3）方便对电机进行调速：通过变频器自带调速按键或上位机系统可方便对电机进行调速，精度保持在±0.5%以内，调速范围可达到1∶100。热网中所涉及的电机都是50 Hz 工频电机，正常工况中电机工频一般在25～45 Hz，设备调试通常要求电机工频在5 Hz 以下，升压测试电机工频可能要达到45 Hz 以上，变频器完全可以满足任何阶段的运行需求。在需要恒压补水的场合可以使用变频器自带的PID 功能结合现场回水管压力变送器对电机实施闭环控制，自动频率调节以达到管道水压始终保持恒定的目的。

4）方便调试与维护：在调试阶段可以点动使电机低速旋转以观察电机旋转方向是否正常，如果错误可通过在变频器内设置正转- 反转的功能加以修正，免去了调换电缆接头的工作省时省力。利用电流监测功能方便观察设备空载时电流值大小，并进行横向对比。如发现异常值及时排查异常原因，解除故障隐患。对于一些铭牌丢失或返修的电机，可以利用变频器的参数自整定功能对电机参数进行辨识，确保参数的准确性。当出现故障停机时，可根据变频器所提示的错误代码快速查找故障原因，节省维修时间与工作强度。

5）具备远传通信功能：以往水泵调节需要运行人员驻站手动进行，费时费力且用工成本较高。采用变频器后，由于其集成多种外接端口，满足模拟量、数字量信号的输入/ 输出功能。能够识别电压、电流、RS232/485 等多种通信模式，具有方便与外部设备进行数据通信的特点。将其与站内PLC 建立通信进行数据交换，以满足远程调节频率监视运行状态达到站内运行无人化，以降低人员工作强度与用工成本的目的。由于4～20 mA电流信号具有传输稳定、抗干扰能力强、方便测量、具有断线检测等优点，所以采用两线制4～20 mA 电流信号完成PLC 中AI 模块对变频器频率反馈值的采样以及AO 模块对频率的远程调节。利用变频器内部数字量输出端子将变频器运行、故障状态反馈至PLC 的DI 模块。

为了避免接线错误或漏电等事故造成强电进入变频器弱点电路，造成电路板烧毁。在变频器外部设置直流电源、信号隔离器、继电器形成电气隔离，最大程度保护变频器安全。

6）运行可靠性增加：变频器具有完整系统的监测保护功能，可对自身以及电机进行实时监控。变频器的数据采样时间短，当发生过流、过载、线路缺相等故障时反应更迅速，对电机保护效果要优于接触器与热继电器的组合。

某些水泵、管道因为使用年限较长状态欠佳，水泵转速上限较低，需要谨慎操作。为了防止运行人员误操作导致事故发生，利用变频器的最大频率给定功能可限制电机最高转速防止误操作。

变频器内使用了大量半导体器件来替代传统的接触器、继电器，避免了出现触头烧蚀、机械卡顿等问题导致的断路与接触不良等故障。而且半导体元件本身经过了几十年的发展已经相当成熟，在使用维护得当的情况下设备寿命可达10 年以上。

3.2 节能效果

风机、水泵的电能耗占到采暖季总电能耗的90%以上，由于风机只在锅炉调峰时使用而水泵需连续运行一个采暖季，水泵的能耗就尤为突出。降低风机、水泵能耗对降低费用支出有重大意义。变频器没有大量使用之前，风机、水泵电机以额定转速运行，对介质流量的调节是通过改变风门和前后阀门开度进行。电机在设备选型时一般大于设计所需求功率约20%，在实际运行中介质流量往往又小于设计额定值，两项因素造成电能被白白浪费。变频器的引入改变了这种高耗能的状态，达到了低能耗运行的目的。

变频器的节电是利用驱动电机转速下降越多节电就越多，而变频器自身效率在93%以上能耗较小的特点，通过降低负载转速进行节电。理论上风机、水泵类型负载电机转速与能耗之间呈立方关系，实际在应用中对应关系如表1 所示，为一台22 kW 水泵电机的调速数据。通过表1 可以发现电机转速越低能耗越低。在热网运行中庭院网温度调节一直是采用质调节，即保持水循环速度不变，通过改变庭院网水温来调节室内温度的高低。所以在保证水压的前提下尽量降低电机转速节能效果显著。如果电机在额定状态下工作，变频器起不到节能作用。表1 中还体现出频率低于30 Hz 能耗上升缓慢，35 Hz 以上能耗成倍数陡然升高，有一定的区间性。利用这一特点，在提前了解所在管网水泵自身的调速特点，再结合换热机组为提高运行可靠性而采取的同规格双泵并联设计（一用一备），某些换热机组需要单台水泵以较高转速输出的管网，采取双泵同时以低速运行，既满足水压的要求又达到了一定的节能降耗效果。普遍认为风机、水泵类型负载在使用变频调速后可以节能约25%[2]。

表1 电机调速数据表

4 应用注意事项

变频器作为精密电气设备，对安装维护有一定要求，只有满足这些条件要求才能保证它的安全稳定运行。

首先要保证变频器的安装选址正确。热力站内选址要在不易积水、结露的地方建立专用电器隔间；避免与管道设备同处一室；隔间内不能有任何水管道；地面要高于站内基准面；设置通风口，使相对湿度（RH）在95%以下。热源厂内选址除满足以上条件的同时还要满足环境温度不高于40 ℃、无粉尘、附近无可燃物堆放的环境。

其次在安装变频器的同时要保证外壳接地良好，接地阻值不大于10 Ω。在需要开盖检修时务必切断电源，并静置10 min 以上保证变频器内部储能电容放电完全才可开盖，防止出现触电事故。

最后在停运检修的6.5 个月时间，为了保证变频器电子器件的使用寿命，每隔两个月对变频器进行上电24 h，使电子器件可以进行充电、通风保持其良好性能[3]。

5 结语

通过长期的应用表明，变频器在管网运行中利用其强大的功能在水泵、风机的启停、调速、节能等环节均起到了良好的效果，具有广阔的发展前景。