关键词：变频；电动执行机构；火电厂；应用探讨

1  前言

　　电动执行机构是把电能转化成机械能、拖动各种生产机械的最重要、也是最基本的工具，由于生产工艺的要求和节约能源的需要，可调速电动执行机构一直成为科技人员的研究对象，其应用也越来越广泛。在可调速电动执行机构的发展过程中曾出现过直流调速、调压调速、电磁调速、电液偶合调速以及滑差调速等各种调速方式，但是，以上各种调速方法在实际应用中都存在着局限性和缺点。随着电力电子技术、自动控制技术、计算机技术的迅猛发展，一种新型的、智能的、集各种高精尖技术于一体的可调速电动执行机构产生了，这就是变频电动执行机构。

随着变频技术的日趋成熟，变频电动执行机构以其独具的性能获得越来越广泛的应用，与其它的可调速电动执行机构相比有如下优点：
?（1）启动电流小、对生产机械无冲击，可以大大延长设备的使用寿命。
（2）智能化程度高、自诊断功能和保护功能齐全，设备的安全性、可靠性提高。
?（3）安装简单、使用方便、维护成本大大降低。
?（4）机械特性好、动态响应速度快、可提高控制系统的调节品质。
?（5）风机、泵类等高耗电设备采用变频调速后可降低耗能、节约成本、提高效率。

2  变频装置原理

变频电动执行机构是由变频装置(变频器)和电动机组成的可调速拖动机构，电动机的转速和转向由变频装置控制，按照生产工艺的要求工作。其理论依据是下面公式：
?n＝n₀(1-s)
?n₀=60f/p
?式中：n——电动机转速；n₀——同步转速；s——滑差；f——输入电压频率；D——电动机极对数。

从上面公式看出，改变电动机转速的方法有三种：一是改变滑差：二是改变电动机极对数；三是改变输入电压频率。通过引入变频装置把固定的电网频率转换成电动机所需要的频率来实现电动机的调速就是变频电动执行机构工作的理论基础。高压变频器装置的两种实现方式如图1所示。

图1  高压变频器装置的两种实现方式图示

变频装置一般分为交-交、交-直-交两种实现方式。交-交型变频器的调节范围小、功率因数低、谐波污染大。现在的大部分变频装置都采用交-直-交的实现方式，其主要构成分四部分：整流器、滤波器、逆变器和以CPU为核心的控制保护部分。

整流器采用可控元件接成三相全控桥，把输入的三相交流电变成电压可调的直流电。
滤波器主要是为了获得较为平直的直流电、吸收电动机回馈的能量实现紧急刹车制动功能。

?　　逆变器采用“门极可关断晶闸管”GTO、“大功率晶体管”GTR、“绝缘栅双级型晶体管”IGBT等元件，采用脉宽PWM调制或矢量控制等方式将直流电逆变为频率可调的交流电。?以CPU为核心的控制保护部分是整个变频装置的指挥中心、其通过输入CPU的软件程序来完成控制、保护等各种功能，并且实现与DCS、PLC及其它控制系统的接口。

?　变频装置按其工作电压还有高压、低压之分，高压变频器又可分为直接高压型和高一低一高型。各种类型的变频器有不同的应用场合，即使是相同类型的变频器因其技术上的差别也有着不同的品质和价格。因而在变频电动执行机构的使用中要科学的选择变频器和电动机，力求最好的性能价格比。

变频电动执行机构中的电动机就是异步电动机，但是因使用的场合和变频装置采用的技术不同，有的可以使用普通的异步电动机，有的需选用专用的电动机。因此，对原来采用异步电动机定速运行的执行机构进行变频改造时要慎重研究：是否可以保留原电动机，如果保留原电动机还需科学地选择变频装置。

虽然电动执行机构的制造工艺、控制方式等都非常先进，但由于电动执行机构频繁动作，会出现控制元器件老化等各种故障。

3  电动执行机构的常见故障及处理办法

3.1  DKJ（ZKJ）、DKZ（ZKZ）等系列国产电动执行机构的常见故障及处理办法

在300MW机组及300MW以下火力发电机组中应用以上系列国产电动执行机构非常多，其特点是结构简单，主要采用硬接线方式实现电动执行机构的基本功能，该电路全部是用硬接线把一些电子元器件直接连接起来的，它通过保险、热偶、力矩开关对电机进行保护，开关回路通过互锁实现开关单一操作。这种类型的电动执行机构存在的问题主要有以下几点：

（1）密封性不佳

该系列电动执行机构的接线口与行程开关、力矩开关、电机等安装在一起。火电厂环境比较差，由于安装时没注意或者使用时间较长，保护套管破损，导致雨水及灰尘进入接线端子盒内，然后从接线端子盒再流入控制开关及电机处，造成电机短路或控制开关损坏。若为接线电缆入口高于电缆引出管，则只需要把保护套管包扎好即可；若为接线电缆入口低于电缆引出管，除了把保护套管包扎好之外，还需在电缆保护套管的最低处扎洞，防止当水从引出管流下时，灌入执行机构内。我公司就曾出现因为电缆引出管处保护套管破裂，雨水灌入执行机构内，致使执行机构损坏的情况；采取在保护套管最低处扎洞之后，再没有出现该情况。因此，检修维护人员要经常进行检查，以便尽早发现密封不好的情况，力求把故障消除在萌芽状态。

（2）电路元器件老化

该系列电动执行机构，其电路元器件主要以机械动作为主，热继电器、行程开关、计数器容易出现故障。我公司的许多电动执行机构损坏都是因为热继电器出现故障所致。由于力矩保护开关随着运行时间的增加，其保护作用逐渐失去，加之热继电器损坏，火力发电厂环境较差，装设在一些管道上的执行机构容易卡涩，这就导致电机出力很大，致使电机损坏。当检修维护人员发现电机由于过载出现故障时，一定要及时更换热偶。我公司有几次发现，刚更换过的执行机构使用不久又损坏，检修人员发现此类情况的出现是由于调试时设置的力矩较大，而热继电器又失去保护功能所致。因此，对于元器件，发现其老化或失去功能，一定要及时更换。

（3）电动执行机构时好时坏

由于运行时间已久，电厂震动又大，加之该系列电动执行机构的控制部分都是用硬接线把元器件连在一起的，因此，部分控制回路容易出现接线松动，进而导致执行机构动作时好时坏。因此，要定时对控制回路及动力回路的接线进行拧紧，争取及早把问题消除在出现之前。

3.2  一体化智能型电动执行机构的常见故障及处理办法

一体化智能型电动执行机构的控制原理和DKZ型差不多，只不过其实现方法不同，保护功能更加强大，在线故障诊断能力更强，控制方式更多，其故障率较低；但同样存在一些问题，其中有设备自身的问题，也有选型的问题，还有就是设备模块故障、电子元件老化、易损部位损坏等问题。

（1）控制装置死机

我公司在一次技改中，为辅助风挡板控制执行机构选用了某进口品牌分体式的电动装置，安装调试都非常顺利，但机组启动后，许多电动执行机构操作不了，断电重新送电后操作正常。售后告之是原选型的问题。由于锅炉辅助风挡板控制处温度有时会大于60℃，导致执行机构控制装置死机，换型后，以前的死机问题基本得到了解决。有的智能型电动装置有看门狗程序，在电动执行机构控制装置死机后，它可自动复位重启；而有的没有，在发现死机后，需要人为断电重启。

（2）断信号后电动执行机构没有动作在正确位置

某600MW机组引风机动叶控制装置选用了智能电动执行机构，由于指令线接线松动，导致电动装置失去了控制信号，致使引风机动叶全关，使得炉膛压力变化很大。在故障分析时，工程师重新学习了设备说明书，并将设备重新组态为：当该电动装置失去信号时，执行机构不动作。出现以上问题主要是因为现场工程师对新的控制装置的功能未完全了解，对设备做了错误组态，导致设备在失去信号时没有正确动作。一体化智能电动执行机构有很多功能，只有我们合理利用，它才能为我们的工作带来方便，否则，反而会带来很多麻烦。

（3）指令与反馈偏差大

智能电动执行机构出现此现象，主要是反馈电阻元件因磨损而失去线性，或者是由于反馈传动部分松脱，或者是指令放大模块出了问题。维修工程师要根据实际问题进行分析。

总之，对于电动执行机构的故障处理，要从现象开始分析，牢牢把握住基本原理不放松，运用各种科学手段进行分析处理。除此之外，还要对电动执行机构进行预防性维护，避免设备故障的出现，对于智能化电动执行机构，要充分利用其功能，以便尽早发现问题，尽早预知问题。

4  变频电动执行机构在火电厂的应用

变频电动执行机构是国外首先研制成功的，国内应用较早的是石油化工、矿山机械等行业，电力行业最初是从给粉机开始使用变频调速的，这是因为给粉机使用低压电动机，低压变频器成熟较早、安装简单、对电动机进行变频改造比较容易。给粉机采用变频调速后不仅取得了显著的经济效益，与采用传统的机械调速装置相比还有如下许多优点：给粉机下粉均匀，煤粉自流现象减少，锅炉燃烧稳定；燃料控制系统调节范围加宽，保护功能和事故处理能力增强。正因为此，大部分电厂相继对给粉电动机和直吹式燃烧系统的给煤机进行了变频改造，并且都获得了良好的运行效果。

随着高压变频技术的日益成熟，高压变频电动执行机构在电力行业逐渐开始使用，考虑到节能效果，国内使用高压变频装置的设备主要集中在送风机、引风机、灰浆泵、低加疏水泵、升压水泵和凝结水泵上，国外已有在给水泵上使用高压变频装置的例子。

例如，在没有变频电动执行机构之前，火电机组一直采用电动机按定速运行，通过调节送、引风机导叶或挡板的开度来控制锅炉炉膛的风量。而200MW以上机组的送、引风机都采用高压大功率电动机，耗电量大，由此造成的节流损失浪费大量的厂用电，很不经济，而且由于非线形和响应速度慢，影响自动投入和调节品质。因而，一些老电厂已经或正在考虑采用变频电动执行机构对风量的控制方式进行改造，考虑到采用整体的变频电动执行机构虽然有诸多优点，但是改造成本高，而原有送、引风机的电动机在容量等级、防护等级等指标上都能满足变频调速的要求，所以都是在保留原有设备的基础上增加变频装置，方法有两种：一种方法是，增加的变频装置与原电气控制线路并联，通过切换开关选择控制电动机运行的通路，如图2所示。采用这种方法，当变频装置故障或检修时，可使电动机恢复到原有的控制方式，不影响整个机组的运行，但是两个控制通路之间需加连锁，以免短路。第二种方法是，去掉原有的电气控制线路，直接采用变频器控制电动机的运行。

图2  变频器控制电动机的运行方案图

对老机组耗能高的高压电机设备采用上述方法改造后不仅改善了相关控制系统的调节品质，提高了控制系统的稳定性和可靠性，更重要的是节省了厂用电。所以越来越受到电厂的重视，如大庆华能新华电厂对引风机和灰浆泵进行了变频改造；安徽铜陵电厂对低加疏水泵进行了变频改造；清河电厂对引风机进行了变频改造。改造后都取得了较好的经济效益和社会效益。

显然，用变频电动执行机构代替许多传统电动执行机构是节约能源、改善工艺流程、提高控制系统品质的有效手段。但是，目前大部分变频装置依赖进口，价格昂贵、一次性投入高，普遍使用变频电动执行机构还不现实，对老机组中采用变频调速后节能效果显著的执行机构进行改造、寻求高性能价格比的解决方案应该成为目前研究的重点。

　　在对老机组改造中采用变频调速装置的同时，在新建机组设计中尽量采用变频电动执行机构，这样可以避免二次投入的浪费；同时，为变频电动执行机构设计的专用变频电动机有散热效果好、电磁损失少、比普通电动机更节能等优点，可使整个变频电动执行机构工作效率更高。

5  电机拖动中变频调速技术应用合理性探讨

5.1  无功补偿

电机拖动中的变频调速技术为了提高供电效率往往需要设置无功补偿装置，该装置也可改善供电环境。该装置工作原理主要为两种负荷间能量交换，从而对供电变压器与输送线出现的损耗实施补偿。具体的使用过程中，往往将分组投切电容器与电抗器加以应用，并利用跳线机与静止无功补偿装置，或加用调压装置满足无功平衡需求，这样才能更加符合电压质量规范。此外，变电站无功率调节能力需实施考量，根据具体情况将电压优化与功率因素广泛应用，比如电网无功管理系统软件等需要高技术的操作，使得电网质量得以全面提升。火电厂电动机构综合流程图如图3所示。

图3  火电厂电动机构综合流程图

5.2  变频器负载

相较于电动机与变压器运行，半导体类发热时间更短，而且计算发热时间一般采取min计，若温度较高，则会严重影响机器运行，为此对于电机变流负载应有严格的界限划分与规定。市场上目前主要有6级形式：（1）第一级负载输出=电流完全输出，无过载现象；（2）第二级负载电流可基本分层输出，一定时间内能达到负载一半；（3）第三级至六级过载时间更长，远超过前两级。为此，在选择变频器时，必须准确把握机器负载性与调速范围。

6  电机拖动中变频调速技术应用可靠性探讨

机器工作时会发生热量，而且不同的功率会有不同的热量产生，大量的实验显示变频器工作运行很大程度上会受到温度的影响，功率过大，需及时采取降温措施处理，才能确保机器继续正常运。从近几年相关实践来看，常采取顶部安装换气扇的方式来排放热空气，并换取合理温度的空气，改变工作环境。但对于少数特殊情况则应采取特殊措施处理，比如南部地区夏日温度普遍过高，为了控制机器内部温度低于50℃，换气扇达不到效果，为此需安装更为快速的降温设备，常用的为空调。空调的应用可促使机器内部短时间内降温，但也有一些缺陷，比如影响正常通风，空调运作噪音过大会影响变频器工作等。基于此，在机器中采取电机拖动变频调速技术处理，以科学合理的散热系统降温，效果更为明显。具体而言，可将排气通风管道安装于柜顶距离室外较近的地方，找出最为合适的通道排放热气，但要合理选择变频器及做好定期维修与防护。

7  电机拖动中变频调速技术实际应用探讨

电机拖动有很多方面，常见的有电机系统运动方程、直流电机及其动静态特点、变压器等，根据控制分类来看，卸油泵电动机变频调速系统即转速开环控制，电源变频调速系统即恒压频率比控制，但实际操作中为了完成输出直流电压控制，核心依据依旧为电压。通过速度给定可得到电力系统控制信号，若发生跳跃变化时实施速度给定，依旧可控制调节逆变器输出电压与电流来实现规律变化。针对这种情况，可设定给定积分器，如采用斜坡输出信号代替跳跃输入，经该方式可有效控制电机的正转与反转。在具体的操作中，整个电机拖动系统在运动时往往凭借正负电压来对速度给定与积分器输出数值的有效划分。电机拖动中的变频调速技术应用实例图如图4所示。

图4  电机拖动中的变频调速技术应用实例图

电机拖动中变频调速技术所用正值信号电压可对变流器输出电压与逆变器输出频率控制，为此设置变换器绝对值方面比较接近，但实际操作时变频器调速范围过广，加上有良好调速平滑性，这类特点对电机启动时性能有很好的改善效果，在电机拖动中效果也比较明显。这里以某大型油田为例简要说明，该大型油田电力拖动装置前两年进行改良，将变频调速技术应用其中。基于该油田产量较大，所需机器众多，为此需要大量电能才能运作。此外，对该油田区域地质条件进行勘察分析后显示多为低渗透油田，在很短时间内就可能开采殆尽，而需继续寻找新采油地点，如此反复除了会消耗大量的电量，还会偶尔发生电效率过低，使得成本增加。最终，决定采取变频调速技术，相较于以往节能可达到50%左右。

8  结束语

当前，人类步入科技时代，各种电器均离不开电力，尤其是冰箱、电脑、电视、手机等，成为人类不可或缺的一部分，离开它们似乎就无法生存。但这些电器的应用越来越普遍与广泛，使得全球各个地区对电力的需求与日俱增，这就为电力系统的稳定与正常运行提出了挑战，同时高效的电力供应对提高社会生活也有着积极的意义，并促进社会的可持续稳步发展。电机拖动中变频调速技术在电力中的应用，可确保电力系统安全与稳定工作，同时保障其高效运行。相信在未来电力发展中，通过不断研究与探索电机拖动中变频调速技术，其在电力系统中将会发挥更加显着的优势。