變頻調(diào)速技術(shù)在主變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

梁洛耕 許華騁 潘紅靜

（廣西柳州供電局，廣西 柳州545005）

0 引言

目前在電力系統(tǒng)上運(yùn)行的主變壓器冷卻方式主要是采用自冷式和風(fēng)冷式兩種，而風(fēng)冷式又可以分為自然油循環(huán)風(fēng)冷和強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷兩種形式，不論是采用自然油循環(huán)風(fēng)冷或是采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷的冷卻形式，冷卻的動(dòng)力均是利用冷卻風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于風(fēng)扇控制的冷卻控制系統(tǒng)采用LPC可編程控制器控制，冷卻風(fēng)扇控制采用分組啟、停方式，即是將整臺(tái)主變壓器全部冷卻風(fēng)扇分成2組或2組以上，冷卻風(fēng)扇的投切按控制方式1組或多組同時(shí)啟動(dòng)或停止進(jìn)行。

1 冷卻風(fēng)扇分組控制存在的問題

冷卻風(fēng)扇采用分組啟停的控制方式，形成多臺(tái)風(fēng)扇同時(shí)啟動(dòng)或同時(shí)停止，這樣的運(yùn)行控制方式存在如下問題：

1）變壓器產(chǎn)生的熱量主要由空載損耗和負(fù)載損耗等引起，負(fù)載的變化直接影響發(fā)熱量的多少，采用分組控制方式，冷卻容量為階梯變化，不能實(shí)時(shí)跟蹤變壓器負(fù)載變化而實(shí)時(shí)調(diào)整冷卻容量，容易造成冷卻容量過剩和不足，造成變壓器油溫溫差大，影響變壓器絕緣壽命；

2）風(fēng)扇電機(jī)直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流是額定電流的5～7倍，對(duì)電機(jī)絕緣造成沖擊影響；

3）在工頻額定負(fù)載下投切風(fēng)扇電機(jī)，由于感性負(fù)載的拉弧，影響電機(jī)和接觸器的使用壽命，增加維護(hù)工作量；

4）變壓器的噪聲主要由風(fēng)扇噪聲、電磁噪聲和機(jī)械噪聲引起，而風(fēng)扇在工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇噪聲很大，對(duì)環(huán)境造成極大污染。

2 變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇控制研究

針對(duì)以上提出的問題，研究的主攻方向是對(duì)風(fēng)扇電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)解決繼電器控制方式下冷卻風(fēng)扇所存在的全部問題。實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇電機(jī)的控制可以有以下四種方式：

1）冷卻風(fēng)扇無級(jí)調(diào)速可實(shí)現(xiàn)變壓器各種損耗所產(chǎn)生的發(fā)熱量與散熱量的均衡控制，避免油溫的大幅波動(dòng)。對(duì)冷卻風(fēng)扇采用無級(jí)調(diào)速，實(shí)時(shí)跟蹤變壓器負(fù)荷變化及頂層油溫變化，據(jù)此控制冷卻容量與發(fā)熱量保持基本均衡，可實(shí)現(xiàn)油溫在給定量的規(guī)定范圍內(nèi)變化。對(duì)于電機(jī)的無級(jí)調(diào)速有：變頻調(diào)速，滑差調(diào)速等。

2）為了克服電機(jī)直接啟動(dòng)造成的沖擊電流，有多種控制方式：降壓?jiǎn)?dòng)，電機(jī)軟啟動(dòng)，變頻調(diào)速啟動(dòng)等，均可控制冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)電流在較小的范圍內(nèi)。

3）采用無觸點(diǎn)開關(guān)、變頻調(diào)速裝置等控制風(fēng)扇電機(jī)，可避免冷卻風(fēng)扇在投切時(shí)產(chǎn)生拉弧。

4）采用變頻調(diào)速裝置控制風(fēng)扇電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪，減少對(duì)環(huán)境造成污染。

對(duì)以上四種有效的控制電機(jī)方式展開對(duì)變壓器的冷卻風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行的分析：

1）變壓器負(fù)載、油溫與冷卻風(fēng)量的關(guān)系：負(fù)載增大，則油溫升高，風(fēng)量需增加，此時(shí)冷卻容量增大；負(fù)載減小，則油溫降低，風(fēng)量需減小，此時(shí)冷卻容量降低，即就是冷卻容量應(yīng)跟隨負(fù)載變化而變化，需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻容量，從而實(shí)現(xiàn)變壓器油溫在給定范圍內(nèi)波動(dòng)。

2）由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。表達(dá)式如下：

Q1——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的風(fēng)量，Q2——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的風(fēng)量，P1——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的軸功率，P2——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的軸功率。

由式（1）、（2）可知，改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，即可改變冷卻容量。

又據(jù)電機(jī)學(xué)可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率、電機(jī)極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系如下式：

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，P——電機(jī)極對(duì)數(shù)，f——電源頻率，s——轉(zhuǎn)差率。

由式（3）可知，有三種調(diào)速方式：

通過改變極數(shù)調(diào)速：增多電機(jī)極對(duì)數(shù)，可以降低電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，但電機(jī)一但生產(chǎn)，電機(jī)極對(duì)數(shù)就已經(jīng)確定，不能改變，則電機(jī)轉(zhuǎn)速也已確定，因此不能改變極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)速。

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：在低速時(shí)，轉(zhuǎn)差率大，損耗也大，效率低。

改變頻率調(diào)速：均勻地改變風(fēng)扇電機(jī)定子電源頻率f，則可以平滑地改變風(fēng)扇電機(jī)的速度。頻率可從0～50Hz范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)變化，轉(zhuǎn)速變化區(qū)間最大，也就能大幅度改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，且目前改變頻率的實(shí)現(xiàn)手段比較成熟，可簡(jiǎn)單地使用變頻器實(shí)現(xiàn)。

3）電機(jī)在工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，通常是額定電流的5～7倍，為了避免過大的啟動(dòng)電流，采用變頻器直接啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)，由變頻器原理及伏-頻特性可知，變頻器啟動(dòng)時(shí)，輸出頻率和輸出電壓均從較小值起始，使電機(jī)逐步轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后產(chǎn)生反電勢(shì)，隨著頻率的增大，電壓也在升高，反電勢(shì)也在增加，這樣就使得風(fēng)扇電機(jī)在啟動(dòng)過程中電流始終被控制在較小的范圍內(nèi)，避免了風(fēng)扇電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)自身絕緣和其它控制元件造成的影響。同時(shí)變頻器輸出驅(qū)動(dòng)電路為半導(dǎo)體可控元件，為無觸點(diǎn)控制，所以控制風(fēng)扇電機(jī)的啟停無電弧產(chǎn)生，可延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

4）采用變頻調(diào)速控制冷卻風(fēng)扇，具有明顯的節(jié)能效果。對(duì)同一臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)，由式（2）、式（3）得知：

即軸功率與頻率的三次方成正比。例如當(dāng)風(fēng)量降低到額定風(fēng)量的80%時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)頻率為40Hz，與工頻比較，其節(jié)能效果為：

P1——40Hz時(shí)風(fēng)扇電機(jī)的軸輸出功率，P2——工頻50Hz時(shí)風(fēng)扇電機(jī)的軸輸出功率。

表1 不同風(fēng)量下的理論計(jì)算節(jié)能

由式（5）計(jì)算得知，風(fēng)量減少20%，而風(fēng)扇電機(jī)軸功率僅為額定功率的51.2%，由此可知，理論節(jié)能為（1-51.2%）=48.8%，考慮到變頻器的自身功耗，變頻運(yùn)行時(shí)的功率是工頻運(yùn)行時(shí)功率的52%，即節(jié)能效果可達(dá)（1-52%）=48%。

對(duì)于變壓器負(fù)荷不同，對(duì)風(fēng)量的需求也不同。根據(jù)式（4）計(jì)算得出，不同風(fēng)量時(shí)的節(jié)能效果見表1。

5）在該冷卻風(fēng)扇變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器最高頻率設(shè)定為48Hz，最低頻率設(shè)定為25Hz，同時(shí)滿足高負(fù)荷時(shí)的冷卻要求，低負(fù)荷時(shí)取得降噪、節(jié)能效果。

3 變頻調(diào)速應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

設(shè)定某臺(tái)變壓器每組冷卻器風(fēng)扇為3臺(tái)，主回路如圖1示，由1臺(tái)變頻器控制1組冷卻器中的3臺(tái)風(fēng)扇，同時(shí)，為了保證冷卻風(fēng)扇的安全可靠運(yùn)行，在主回路中以工頻驅(qū)動(dòng)作為備用。

圖1 冷卻風(fēng)扇控制主回路

Q1為變頻器保護(hù)及冷卻回路檢修隔離斷路器，KM11為風(fēng)扇電機(jī)變頻運(yùn)行控制接觸器，KM12為風(fēng)扇電機(jī)工頻運(yùn)行控制接觸器，KH11，KH12，KH13為熱過載繼電器，MF11，MF12，MF13為風(fēng)扇電機(jī)。

在冷卻風(fēng)扇變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行接觸器KM11、KM12的控制電路設(shè)計(jì)和控制程序中均為互鎖，以保證變頻器安全運(yùn)行。

3.2 變頻器選型

負(fù)載類型，在該應(yīng)用中，風(fēng)扇電機(jī)為風(fēng)機(jī)類負(fù)載，選用風(fēng)機(jī)泵類專用變頻器。

變頻器容量選定，根據(jù)風(fēng)扇電機(jī)容量和風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行條件選取。該例應(yīng)用中，每臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)3臺(tái)風(fēng)扇，每臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)功率為1.2kW，額定電流為3.8A。選擇變頻器時(shí)，主要考慮電流因素。

對(duì)于風(fēng)扇電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)或停止，變頻器的輸出電流需滿足

Io——變頻器輸出電流，1.15——過載能力，Ie——風(fēng)扇電機(jī)額定電流。

該應(yīng)用中，3臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)為同時(shí)啟動(dòng)或停止，據(jù)式（6）得知

為了確保變頻器的安全可靠工作，選擇ABB變頻器，輸出電流為17A。

由此可知，控制1組冷卻器的3臺(tái)風(fēng)扇，選用風(fēng)機(jī)泵類專用變頻器，其輸出電流為17A即可。

3.3 速度調(diào)節(jié)

冷卻風(fēng)扇速度的變化，是根據(jù)變壓器頂層油溫和變壓器負(fù)荷變化確定變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和輸出頻率，由Pt100鉑電阻采集變壓器頂層油溫的實(shí)時(shí)變化，通過建立多變量輸入單變量輸出的數(shù)學(xué)模型即頻率與油溫、負(fù)荷等變化的關(guān)系式，控制變壓器頂層油溫在給定值范圍內(nèi)變化，其控制由可編程序控制器PLC完成，有關(guān)數(shù)學(xué)模型及控制程序已經(jīng)非常成熟。

4 總結(jié)

變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的工作狀態(tài)由不均衡的工頻模式改為根據(jù)變壓器油溫和負(fù)載變化，均衡調(diào)整轉(zhuǎn)速的變頻模式。通過實(shí)時(shí)采集變壓器頂層油溫模擬量信號(hào)及負(fù)載率變化等運(yùn)行參量，確定冷卻風(fēng)扇的優(yōu)化控制方案，合理安排風(fēng)扇電機(jī)的啟動(dòng)條件、運(yùn)行轉(zhuǎn)速及冷卻器的運(yùn)行組數(shù)等，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇冷卻功率隨變壓器負(fù)荷大小、發(fā)熱量大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變化，滿足負(fù)載增大，油溫升高時(shí)，則增加風(fēng)量，冷卻容量增大；負(fù)載減小，油溫降低時(shí)，則減小風(fēng)量，低負(fù)荷節(jié)能優(yōu)先，減少熱冗余浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，綜合節(jié)能可達(dá)到30%-50%；高負(fù)荷控溫優(yōu)先，迅速提高冷卻能力，一定條件下可提高變壓器負(fù)載能力，從而實(shí)現(xiàn)變壓器油溫在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不存在冷卻容量過大或不足的現(xiàn)象。同時(shí)變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)用，啟動(dòng)電機(jī)時(shí)以低頻啟動(dòng)，克服電機(jī)直接啟動(dòng)造成的沖擊電流，避免冷卻風(fēng)扇在投切時(shí)產(chǎn)生拉弧，延長(zhǎng)電機(jī)和接觸器的使用壽命，減少維護(hù)工作量；優(yōu)化控制，最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇在低頻下使用，相對(duì)于運(yùn)行在工頻狀態(tài)下可以降低運(yùn)行噪音10%-30%。因此，變頻調(diào)速技術(shù)在主變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)上的應(yīng)用研究可延長(zhǎng)變壓器絕緣壽命，提高變壓器負(fù)載能力，節(jié)能降噪，運(yùn)行安全可靠。

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［5］JB／T 8315—2007變壓器用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器標(biāo)準(zhǔn)[S].