300MW火电机组磨煤机变频调速系统的应用研究_硕士学位论文.pdf

国内图书分类号：t m 7 国际图书分类号：6 2 1 3 专业硕士学位论文 学校代码：1 0 0 7 9 密级：公开 30 0 m w 火电机组磨煤机变频调速系统 的应用研究 硕士研究生：王友谊 导师：彭咏龙副教授 申请学位：工程硕二l 二 专业领域：电气工程 所在学院：电气与电子工程学院 答辩日期：2 012 年6 月 授予学位单位：华：f 匕电力大学 1 ! ， ii ，父姆! “： ：；专囊炎蠢黟 ! 1 。一e 一j 1 ：1 j + ! 、 i b ： j 1 q售qh， 拳_ f t r 1 曩 誓、，： c l a s s i f i e di n d e x ：t m 7 u d c ：6 2 1 3 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni ne n e r g y s a v i n gi nt h e c o a lp u l v e r i z e r sf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mo n30 0 m w e l e c t r i cp o w e rp l a n t s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s m ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： w a n g y o u yi p r o f p e n gy o n gl o n g s c h o o lo fe l e c t r i c a la n de le c t r o n i c e n g i n e e r i n g sx 2 0 12 d e g r e e c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y j h f l 鼍篓懿；1o o ”：l ： ：。j h f 1 0 鱼鼓j0 0 ”：；：。 7 “，4 滔：熨一+ i s d z d ( 2 1 ) ： i 为a 、b 、c 任一相电流； i s d z d 为速断电流定值； 当a 、b 、c 任一相电流大于速断电流定值，保护动作。 2 、过负荷保护 过负荷保护反映定子电流的大小，装置设置了一段带定时限长延时的过 负荷保护。过负荷动作可通过整定选择跳闸出口或发信。 当a 、b 、c 任一相电流超过过负荷电流定值，装置经整定延时发告警信 号或出口跳闸。过负荷发信或跳闸可通过软压板设定。 过负荷动作条件如下： 1 ) i i g f h z d ：( 2 2 ) i 为高压侧a 、b 、c 任一相电流； 2 ) t t g f h z d ；( 2 3 ) 1 g f h z d 为过负荷电流定值； t g f h z d 为过负荷延时时问定值； 在起动时i 、白j 内继电保护的速断、过负荷保护都与起动电流有关系，保护定 值都得放大，在起动的过程中，保护定值都要按最大起动电流考虑。 3 、过热保护 过热保护作为电动机热过载的主保护及定子绕组或引出线相问短路的 后备保护。其动作模型考虑了电动机f 序、负序电流所产生的综合热效应及热 累积过程，引入的等值发热电流i e q 其表达式为： l e q 一= k i 二+ k ! i2 2( 2 - 4 ) 保护动作特性如下： t = t ( ie q le ) ! 一1 0 5 1 ( 2 - 5 ) 式中： i 】为电动机电流的f 序分量； i ! 为电动机电流的负序分量； ie 为电动机的额定电流； 华北电力大学工程硕士专业学位论文 i e q 为电动机运行电流的等效电流； t 为电动机发热时间常数； k 。为f 序电流发热系数，在起动过程中一般取0 5 ，运行过程 中固定为1 ； k ：为负序电流发热系数，一般取6 ，用于模拟增强负序电流的发 热效应。 在电动机正常起动时，为防止过热保护误动，一般将正序电流发热系数 整定为小于1 ，在电动机起动完成后装置自动将正序电流发热系数置为1 而不 再人为减小j 下序电流。 从以上继电保护原理可以看出，在起动时间内继电保护的速断、过负荷保 护、过热保护都与起动电流有关系，保护定值都得放大，在起动的过程中，保 护定值都要按最大起动电流考虑。 4 、起动时间过长保护 电动机丌始起动，经过整定的起动时间，其电流值仍大于整定起动电流 值，则表明电动机起动时问过长，此次起动未成功，电动机有严重发热的危险， 装置将延时跳闸。若经过整定的起动时i b j 后，电流值小于起动电流值，则表明 电动机属正常起动，起动成功。 起动过长保护动作条件如下： 1 ) t te 之后 ( 2 - 6 ) t 为动作时间，te 为电动机起动额定时间； 2 ) i ke ie ( 2 7 ) t 为a 、b 、c 任一相电流； ke 为电动机起动电流相对于额定电流倍数； ie 为电动机额定电流定值； 在磨煤机起动过程中如果磨煤机或电动机有范砖，或有异物导致电流在起 动额定时间内不能减少，则保护装置动作，延时跳闸。 5 、过热跳闸闭锁控制 当过热保护动作后，为避免电动机在温度过高时再次起动，装置跳闸继电 器不返回。在延时一散热时j 刈常数后，该跳闸接点返回。当f u 动机需要紧急起 动的情况下，按下装置面板【r e s e t 】键可强制将热模型恢复到冷态，同时复州 跳闸继电器。 过热跳闸闭锁动作条件如下： 1 )过热保护动作之后； 2 )断路器分位； 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 ) t t g r b s( 2 8 ) t 为跳闸接点保持时间； t g r b s 为电动机散热时间常数定值； 6 、频繁起动保护 实际运行中，电动机若起动不起来，运行人员可能在较短时间内连续操作 数次，使电动机频繁起动，或者有些电动机具有特殊的负载，需要频繁的跳丌 又起动。由于每次起动都有较大的起动电流，而且多次起动相隔的时l 白j 又较短， 故电动机有严重过热的危险。为此，装置设置电动机频繁起动保护。 电动机在起动过程中从电流i = o 0 6 倍额定电流开始上升到第一个1 1 2 倍 额定电流，再上升到电流最大值，又下降到第二个1 12 倍额定电流值，称为一 次起动。保护装置监测电动机在整定的监测时间内的连续起动次数，若实际起 动次数超过整定起动次数，则跳闸且装置跳闸接点不返回，延时闭锁时间后， 接点返回。此闭锁时间可整定，但不要小于2 分钟。 跳闸接点可通过按下装置面板【r e s e t 】键复归跳闸继电器来返回。 电动机每经历一次起动过程，装置均会生成“电动机起动完成”的事件记 录，该事件记录带有动作参数和时标，可指示本次起动的最大电流和起动完成 时问。 频繁起动保护动作条件如下： 1 ) 在整定的监测时间内： 2 ) 电动机实际起动次数超过整定起动次数； 3 ) t t q d b s( 2 - 9 ) t 为跳闸接点保持时f a j ； t q d b s 为电动机整定的起动闭锁时间定值； 当发动机正常运行中，需要增加负荷的过程中，需要起动磨煤机，在起动 过程中，一旦磨煤机或磨煤机电动机有问题，电流过大在起动时问内，电流不 能降低，则过热保护动作，或者由由于其它原因，起动不成功，即使故障及时 排除，也必须等3 0 分钟以上，既大于电动机散热时间常数，才可以重新起动， 制约发电机带负荷。 2 3 磨煤机变频节能分析； 在发电机f 常带负荷运行过程中，无论发电机带多大负荷，血台磨煤机都满 出力运行的可能性很少，至少有一台磨煤机不能满出力。 磨煤机的有效功率为： p e = h 9 ( 2 10 ) 华北电力大学工栏坝二e 专业掌位论又 式中：仔一一磨煤机的弹簧压力 p 一一磨煤机的出力 磨煤机弹簧压力h ：它是由静压也和动压h 。组成，即t - d h 。+ h 。； 由式( 3 1 ) 可知：磨煤机的有功功率p e 与磨煤机的弹簧压力h 和磨煤机 的出力q 成f 比。磨煤机的弹簧压力h 和磨煤机的出力q 越大，则磨煤机的有 功功率p e 就越大，磨煤机消耗的电能也就多，反之，则磨煤机消耗的电能就少。 磨煤机的出力p 与磨煤机的转速九趁有关，对同一台磨煤机而言： q l q 2 = ，2 i n 2 ( 2 1 1 ) 即磨煤机的出力9 与磨煤机的磨的转速门成正比，磨煤机的转速越高，则 磨煤机的出力就越多。磨煤机的电动机是电压等级为6 k v 的交流电机，对磨煤 机的调速实际而言是对磨煤机提供驱动力的磨煤机电动机的进行调速。 ( 1 ) 磨煤机的特性曲线： h - q 曲线：当转速恒定时，弹簧压力与出力的关系特性； 对于同类型的磨煤机，根掘磨煤机参数的比例定律，在不同转速时的h - q 曲线如图2 1 。 图2 - 1 磨煤机运行t t - o 曲线 根据磨煤机转速从1 3 变到n ，出力q 、弹簧上l i j - jt - t 及轴功率 ) 的焚化关糸： q ，- q ( ) ( 2 - 1 2 ) h = h ( 叱) ? ( 2 - 1 3 ) p7 = p ( 形) ( 2 _ 1 4 ) 上面的公式说明，出力与转速成币比；弹簧j j i 力与转速的_ ：次方成f 比； 轴功率与转速的三次方成正比。 ( 2 ) 煤阳特件曲线 。乎北 u 力人学t 程硕i j 专业学位论文 图2 - 2 煤阻特性曲线图 当煤阻r 保持不变时，出力与磨煤阻力之间的关系是确定不变的，即出力 与磨煤阻力k 按阻力定律变化，即 k = r q 2 ( 2 1 5 ) 式中：k 一磨煤阻力； r 一煤阻： q 一流量； k q 的抛物线关系称为煤阻特性曲线 ( 3 ) 磨煤机出力 图2 - 3 磨煤机流量特性曲线图 如图2 3 所示。显然，煤阻越大曲线越陡。 下面对采用调节阀门及变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。 图2 4 出力、压力、功率状态图 华北电力大学_ t 程硕二l 专业学位论文 如果设备的配置都满足设备的最佳运行状态，从图2 4 上看到： ( 1 ) 当磨煤机出力q = 1 时，磨煤机采用变频调速和采用调节给煤机阀门 时所使用的功率大小一样，这是因为它们的输入功率都是c g o i 所包围的面积； ( 2 ) 当磨煤机出力从q = 1 下降到q = 0 8 时，磨煤机采用调节给煤机阀门 进行调节时的输入功率为a e o k 所包围的面积，采用变频调速调节后，其功率下 降为b f o k 所包围的面积，从图2 - 4 看，采用调节阀门进行调节包围的面积比采 用变频调速调节所包围的面积大很多； 因此，直接从直观的图形上就可以看到，采用变频调速技术比采用调节阀 门时，能节约大量的能量，也就是说：采用变频调速是一种节能，节电的好办 法。 也可以通过不同负荷情况下的节能效果曲线图2 5 所示。 图2 5 中，横坐标代表磨煤机的出力状态。为调节给煤机阀门时磨煤机 输入功率与磨煤机出力的关系曲线；为调节磨煤机转速时磨煤机输入功率与 磨煤机出力的关系曲线；为磨煤机采用变频调速方法时，相对于调节给煤机 阀门而带来的节能效益曲线。 磨煤机输入功率 一，j ，1 ， ， 。 3 ， ，i i 。、 一少 。 、 、 ， 1 l 一一 图2 - 5 不同出力情况下的节能效果曲线图 通过上图的特性曲线比较，可以非常赢观的得出结论，磨煤机采用变速调 节比调节阀门节能效率更高。山此看f n 在- t 1 。- i i 粉系统中，使用6 k v 的高压电动机 来带动磨煤机的传动装置，进行磨煤机的变速凋宵，t 1 一l j 能效率会更高。 4 华北f i l 力人学t 程硕i j 专业学位论文 第3 章磨煤机高压变频器方案设计 交流变频调速器的调速对象是交流感应电动机，交流变频器对交流电机实 施变频调速的过程中，交流变频器的输出电压和输出频率的变化必须遵守一定 的规则。这就是我们通常所说的变频变压的基本原则。 磨煤机采用变速调节的方式来实现节能，增大出力，软起动。但对于电动 机的调速方法随着这几年变频技术的发展种类繁多，采用一种最适合磨煤机的 实际运行情况的变速调速方式是关键，本章将从变速调速的几种普遍方式介绍， 选出一种磨煤机将采用的最佳调速方式。 3 1 异步电动机的常见调速方式及方案对比 由电机学理论可知三相感应电机的转速为 甩：6 0 f ( l - s ) ( 3 一1 ) “ = 2l 一1 ) p 式中：刀三相感应电机的转速 厂一一三相感应电动机输入交流电源的频率 p 一一三相感应电机的极对数 s 一一异步电机的转差率 通过上式可知，有三种方法可以改变交流电动机的转速。即改变频率进行调速、 改变极对数进行调速和改变转差率进行调速。 ( 1 ) 改变极对数进行调速： 改变极对数进行调速是通过改变电动机定子磁场产生的磁极对数，从而改 变其转速来实现调速的方法。 电厂磨煤机需要进行平滑无极调速，但这种调速方法无法实现平滑无极调 速，所以这种调速方式不适合热电厂磨煤机调速。 ( 2 ) 改变转差率的调速方法如表3 1 ： 变转差率调速主要包括改变电源电压调速、转子串电阻调速和转子附加电 动势调速。在变频调速器问世前，它是主要的调速手段。 抽此看出，还是利用变频来调速是调速方法中应用最广泛普遍的，特别是 随着电力电子技术的发展，高性能大功率器件的产品化，不仅可以实现平涓r 的 渊速，而且调速范围宽、效率高，对电网污染小等优点很多，变频调速器在性 能、体积及成本等方面取得巨大的发展，并逐渐在各行各业得到广泛应用。下 面就介绍变频调速。 华北电力大学工程顶十专业学位论文 表3 1 改变转差率的调速方法及特点 分类特点， 通常情况这种方法用于小 1 改变电源电压调速，转子 容量电机。磨煤机电动机为 改变转 附加电动势调速 高压大容量电机，不适合这 差率的 种调速方法 调速方 种方法只适用于绕线转子 法 异步电机。磨煤机电动机为 2 转子串电阻调速 鼠笼型电动机，因此不适合 这种调速方法 3 转子附加电动势调速 此方法可以实现平滑调速 交流电机是通过内部的旋转磁场来进行能量的传递，为了有效保证交流电机 能量传递在最大效率，就必须保证气隙磁通量为恒定值。假如气隙磁通量过小，则 不能充分发挥电机的效率，导致效率太低。反之，假如气隙磁通量过大，铁心将过 度饱和，将导致励磁电流极大增加，造成电机绕组过热而损坏。因此，保持气隙磁 通量的值恒定不变，是变频变压的基本原则。 3 2 改变电源的频率一变频调速的原理 在改变交流电动机电源频率f 时， n = 6 0 f i p 3 一j 【1 1 式( 3 2 ) 得出，如电动机频率f 改变时，异步电动机的转速胛就会跟着 电动机频率改变，所以平滑改变电动机电源频率就可以平滑地调节异步i 巳动机 的转速。 包头第二热电厂3 # 机有五台磨煤机，将其中两台磨煤机改为变频调速，这 样无论是在冬季有磨煤机检修期问1 3 ，需要磨煤机增加出力，还是在五台磨煤机 都f 常运行，有磨煤机可以节能运行，1 了约能耗，可以非常方便的做到自由调 控。 3 3 高压变频技术的应用 按照我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压低于1k v 的电气设备称 为低压设备，对供电电压高于1k v 的r u 气设备称为高压设备，我厂+ 磨煤机电动 华北l i _ l 力人学t 程硕i j 专业学位论文 机为6 k v 的电动机。我们习惯称为 “高压电机”，因此把驱动6 k v 交流电动 机的变频器称为高压变频器。 下面介绍变频调速的方式，从各种各样的变频调速方式中，选出适合磨煤 机的变频方式。 高压变频器的分类如图3 一l ： 呵 压 变 频 器 无直流环节 有直流环节 交一交高压变频器 如图3 - 2 交一直一交 高压变频器 采用大电感 平抻电流脉动 抑制电压波形 瓣一一； 图3 一l 高压变频器的分类 回 蛋 图3 - 2 交一交高压变频器 图3 - 3 电流源型高压变频器 7 式“ 器器 觚器 撕泓濒 酬一 撇一一 负瞳 用凹高 广| l 型嘴弓源翳b麓艘如 。芦北 u 力火学工程硕i ：专业学位论文 图3 4 电压源型高压变频器 2 交一交高压变频器( c y c l o ) 交一交高压变频器是采用品闸管实现的无直流环节的直接由交流到交流 的高压变频器，也叫做周波换流器。 ( a )星形接法( b ) 三角形接法 图3 - 5 交一交变频器主电路结构 交一交高压变频器的优缺点及应用如表3 2 3 负载换向式( 晶闸管) 高压变频器( l c i ) 负载换向式( 晶闸管) 高压变频器主电路结构图，电压电流波形图分别为 图3 6 、图3 7 、所示。 负载换向式( 品闸管) 高压变频器的优缺点及应用如表3 3 4g t o ( s g c t ) 电流源型高压变频器 0 1 “ 0 ( s ( ；c 1 、) 电流源型高压变频器适刚j i 异步电动机的调速。g 7 f o ( s g c t ) 电流源型高压变频器功率范围可以达到1 5 1 0 m w ，电压范围可以达到1 5 华北i u 力人学t 程颀十专业学位论文 6 k v ，输出频率可以达到2 2 0 h z 。当电压超过3 k v 时，g t o ( s g c t ) 电流源型高 压变频器功率器件需要串联。 表3 2 交一交高压变频器的优缺点及应川 优点 缺点 1 可用于驱动同步电动机和 异步电动机 2 堵转转矩和保持转矩都可l 电动机功率因数与电 以很大 动机速度有关，高速 3 动态过载能力很强时功率因数高 交一交变频器4 可在四象限中运行2 输出频率为电源频率 5 电机功率因数最大可为的1 n ( n = 2 ，3 ，) c o s 中= l 3 最大转速 5 0 0 r m 6 极佳的低速性能4 网侧谐波大 7 弱磁工作范围广 8 转矩质量高，效率高 适用 g l u m 机，船舶主传动和矿石粉碎机等低速转动设备。 输入 输入 图3 6 负载换向式( 品闸管) 高压变频器主电路结构 华北电力大学t 程硕i ：专业学位论文 电删l 州电, f f j 一1 l厂、 ii l 。、，、，j 、卜 电机的电压 ， 、一? 图3 7 负载换向式( 晶闸管) 高压变频器的电压和电流波形 表3 3 负载换向式( 品闸管) 高压变频器的优缺点及应用 优点缺点 l 直流转动特性 2 功率无限制 3 对电网没有短路加载现象 4 可以在四象限运行 负载换向 5 包括弱磁部分的调速范围l 在低速下须采 式( 品闸 可以达到1 ：5 0用断流换向 管) 高压变 6 在低负载率下可以有较高2 功率因数也与 频器 的效率其转速有关 7 免维护( 无电刷、无熔断 器) 8 对电动机的绝缘没有损 害，电缆的长度没有限制 高速无齿轮传动的离心泵、压缩机、高炉的风 适用 机、船舶主传动以及同步发电机的起动等场合 g t o ( s g c t ) 图3 8 、所示。 g t o ( s g c t ) 电流源型高压变频器主电路结构图，电压电流波形图分别如图 电流源型高压变频器的优缺点及应用如表3 4 2 0 华北i u 力人学t 程硕 j 专业学位论文 图3 8g t o 电流源型变频器主电路结构 1 u ： 变频器输出电流 b 产怔= ；平 丁 = = 兀厂t 刖= = ? r - 1 1 m 图3 8g t o 电流源型变频器的电压、电流波形 5 功率器件串联直接高压二电平电压源型高压变频器 随着电力：t ：业的发展，功率器件i ( ；b t 的直接串联技术问题已经得到广泛应 用，使没有输入、输出变压器的直接高压变频器变成现实。这极大的提高了高 压变频器的效率，而且也大大的减小了高压变频器的体积和重量。采用抗共模 电压技术可以取消输入变压器，采用输出滤波器和优化的p w m 波形，极大的降 低了谐波含量，可以使总的谐波含量降低到3 以下。采用二电平逆变，可以 使电路的结构和控制更加简单，减小体积，降低成本。 直接串联高j k 变频器主电路结构如图3 - 9 所示。可四象限运行的主电路结 构如图3 10 所示。 可四象限运行的l g b t 直接串联高压变频器的优缺点及应用如表3 5 华北电力大学工程硕：e 专业学位论文 表3 4g t o ( s g c t ) 电流源型高压变频器的优缺点及应川 优点缺点 1 不适合弱磁运行 1 如果采川合适的p w m 脉冲形 2 功率冈数也与速度有关，在网 式，可以得到很低的转矩脉 侧品闸管整流，输入的电流谐 动 波 艮人 2 它的输出频率很高，可以达剑 3 会产生比较人的共模电压，在 g t o2 2 0 h z 无输入变压器时，共模电压就 ( s g c t ) 电3 电动机的损耗很小 会加剑电动机定子绕组的中 流源型高乐4 可以在四象限运行 心点与地之问，使电动机的绝 变频器5 它的动态性能很高 缘受到影响 6 可以实现无熔断器的设计，可 4 对电网电压的波动特别敏感， 靠性高 当电压卜降剑1 5 时就会保 7 对电动机的绝缘没有损害，电 护停机 缆k 度没有限制 5 现场的调试，l ：作极其复另鼍 适州 给水泵、风机、压缩机等 c 码 写 图3 - 9i g b t 直接串联高压变频器主电路结构 2 2 6 k v 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图3 1 0 可四象限运行的i g b t 直接串联高压变频器主电路结构 表3 5 可四象限运行的i g b t 直接串联高压变频器的优缺点及应州 分类优点缺点 可四 1 结构简单，技术成熟可靠 象限运行 2 效率9 8 以上 的 i g b t 需要使用优化的p w m 技术 3 它的动态性能很好，它的 直接串联和输出滤波器 过载能力很强 高压变频 4 可以实现在四象限运行 器 矿山轧机、起重机械、铁路电力机车牵引、风机和压缩 适用 机等 2 3 1 乎：f e i b 力人学t 程顾卜号业学位论文 6 三电平电压源型高压变频器 三电平电压源型高压变频器采用高压h v i g b t 或i g c i 、的三电平电压源型 高压变频器。 h v i g b t 三电平电压源型高压变频器主电路结构如图3 1 l 所示。i g c i 、三 电平电压源型高压变频器主电路结构如图3 1 2 所示。 图3 1 1h v i g b t 三电平电压源型高压变频器主电路结构 图3 1 2i g c t 三电平电压源型高压变频器主电路结构 华北i 【l 力火学_ t 程硕卜号业学位论文 三电平电压源型高压变频器的优缺点及应用如表3 6 表3 6 三电平电压源型高压变频器的优缺点及应用 优点缺点 1 效率高，输出频率高l 不能四象限运行，要想使 2 动态性能好，过载能力强用g t o 或i g c t 器件，就 三电 3 电动机的噪声很小 必须安装复杂的缓冲电路 平电压源 4 对电机绝缘没有要求，电2 必须安装输出滤波器 型高压变 缆长度没有限制 3g t o 或i g c t 需要设计复 频器 5 可以设计高可靠的没有熔杂的门极触发电路才可以 断器的设置使用 适用 风机水泵、矿石粉碎机、轧机、挤压机等 7 采用完美无谐波高压变频器 近年来高压变频调速系统绝大多数采用单元级联多电平叠加输出技术。高 压变频器主要是由移相变压器、功率单元、旁路系统和控制单元等组成，这种 技术解决了半导体耐高压的问题，大大减弱脉动力矩，功率因数高，电压冲击 小，谐波量很小，其功率范围可达3 2 2 0 m w ，电压范围可达l o k v 。 图3 1 3 完美无谐波高压变频器电路结构 华北电力大学工程硕= l 二专业学位论文 完美无谐波高压变频器具有下述优点：结构简单、体积小、重量轻、可靠 性极高、高压直接输出，不需要用升压变压器；无需功率因数补偿功率因数就 在0 9 5 以上：f 弦波输入，不需要使用滤波器，采用单元串联多电平p w m 二号利 技术，f 弦输出波形( 无需输出滤波器) 几乎完美，适用各种类型电动机；应用 功率单元自动旁路技术，无间断运行；采用内部干式变压器和功率单元模块化 设计，维护方便；实现全数字控制；系统总效率高达9 7 。 运行特性： ( 1 ) 可以在输入容量达不到变频器额定容量的情况下也能f 常使用。可以防 止其他在线设备受到谐波干扰，可以保护其他调速装置不受到串扰。变频器不 用滤波就可输出正弦电流和电压波形，可以使用没有特殊要求的普通异步电动 机，电机没有必要降额使用。具有软启动功能，电机启动时，不会冲击电网电 压，没有大的起动电流，避免大的冲击电流对电机产生的机械应力。可保证电 机安全、长期运行。延长电机的使用寿命。 ( 2 ) 变频器有共振点频率跳跃功能。变频装置可以进行空载凋试，也可以用 低压电进行空载调试。而且电缆长度不会对变频装置产生任何影响。变频器对 电网电压波动有极强的适应能力。控制系统采用微机控制，具有自诊断功能， 具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好。 ( 3 ) 变频器谐波分量小，不需要进行功率补偿就具有高功率因数。完美无谐波 变频器的变压移相器二次绕组在制作时，每相之间有一定的相位差，消除谐波 电流，可以使正弦输入电流的波形几近完美，使得其功率因数可超过9 5 。 ( 4 ) 能输出几近完美的正弦波电压。变频器本身可以输出几近完美f 弦波， 不需要再使用滤波器。这就说明变频器电压波形极少失真，因此产生的电机噪 音很小。可以减少噪音污染。改善工作人员的工作环境。可以选用任何类型的 电动机，同时可以大大提高电机的使用寿命。 8 结语 高压变频技术还没有达到像低压变频器那样成熟。它还处于发展阶段，根 据不同的使用地点与方式，全国各个变频器厂家研究出了各种类型的变频器， 它们各自有各自的优缺点及使用条件，不能一概而论哪一种变频器好与不好。 使用时应根据使用条件及使用对象的特点来定。 包头第二热电厂# 3 炉磨煤机电动机在电气系统中的结构如图3 一l4 所示 1 芦北l 【l 夕j 人学t 程坝i j 专业学位论文 图 3 1 4 3 撑机电气系统图 根据我厂磨煤机运行的环境及使用条件应具备以下条件： ( 1 ) 要有软起动功能。 ( 2 ) 因我厂磨煤机的操作系统为远方控制，要具有很高的通信速率和抗干扰 能力。 ( 3 ) 要节能。 ( 4 ) 在冬季煤质不好的情况下，要求能提高转速，增加出力。 ( 5 ) 能使用普通电动机，对电动机的选型没有特殊要求。 ( 6 ) 不能使其他在同一母线运行设备受到谐波干扰。 根据以上条件，我厂选择东方同立高压变频器，它属于完美无谐波高压变 频器。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第4 章磨煤机变频器的应用及改造后的效益分析 本章将阐述高压变频调速技术在包头第二热电厂# 3 炉磨煤机变频改造中 的应用情况，并对改造后的效果和存在问题进行分析。 我厂对# 3 炉制粉系统的磨煤机做了改造。磨煤机变频器安装在汽机6 5 米 锅炉段配电室 我厂采用东方同立( 成都) 电控设备有限公司生产制造的一套d h v e c t o l 高 压变频调速系统对磨煤机进行变频调速改造。 4 1 磨煤机变频器简介 l 基于多电平级联技术，输入谐波小、功率因数高、效率高。不需要外部 输出滤串器就可提供正弦输出电压，不会增加电动机拖动系统的运转噪音，输 出转矩脉动小。 2 采用大功率的i g b t 功率模块。i g b t 模块的驱动与过流保护采用专用电路， 可靠性高。功率单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具 进行更换维修。 3 提供多条起动曲线，起动时间由运行人员设定，可保证电动机安全运行 并延长其使用寿命，软起动过程对电网不会产生冲击电流。 4 使用本产品变频器不仅能够节能，而且也大大降低了电动机及其负载的 机械磨损，节省了维护费用。 5 高压主回路与主控系统之问采用光纤连接。 6 可以任意选择远方控制或者就地控制方式运行变频器。采用内胃p i c ，可 接受输出工业标准信号。 7 内置u p s 可提供3 0 分钟维持时问。 4 1 1 变频器系统拓扑结构 d h v e c t o l 产品无电网污染高压大功率变频器，他采用由多个功率单元串联 构成的多电平的拓扑结构，采用直接高压变换形式。所需f g j 交流高f “jj 多个交 流低压功率单元叠加输出得到。磨煤机变频器的主回路拓扑是 l 每年日h 个功率 单元串联叠加为6 k v ，如图4 一l 所示。 f 乎北i u 力人学t 程坝l j 专业学位论文 三相交流 功率单元 高电压 逆变整流 单相交流i 五个串联 低电压卜i i i 聂石磊 三相的一端经过短接形成中性点 三相的另外三个端口线电压为6 k v 单相交流 高电压 图4 16 k v5 级变频器电路原理不惹图 所以该级联式主回路拓扑又常常称为“单元串联多电平”直接高压变频器 结构。 4 1 2 移相变压器原理介绍 移相变压器为移相接法，可以有效消除2 9 次以下谐波。变压器的一次为 6 k v ，二次分为三相，共有十五个绕组，每个绕组为延边三角形接法，接一个功 率单元，分别有0 ”、i 2 ”、2 4 “等移相角度。因此，采用移相变压器进行 隔离降压对电网起到保护作用，不会造成超过国家标准的电气谐波干扰。电气 原理如图4 2 所示： 图4 - 2 移相变压器电气原理图 2 9 华北i u 力人学t 程硕卜号业学位论文 4 1 3 功率单元原理介绍 功率单元主要是由输入保险、三相全桥整流单元、滤波电容单元、i ( ；b i 、逆 变桥单元、直流母线和旁通回路组成，单元结构如图4 - 3 所示。同时还包括由 电源、驱动、保护监测、通讯等组成的控制电路。 输入】【】 【】 【峙一串一旨箱 d 当it 一【 】l 一一 悍一幸幸 ：相交流 整流滤波逆变 图4 3 变频器单元结构 将每相5 个功率单元输出的电压波形进行叠加，产生出1 1 个电压阶梯的多 重化相电压波形，五个功率单元输出的波形及叠加之后的相电压波形如图4 4 所示。 图4 4 变频器的单元输出波形及相电压叠加波形 4 2 手动工频旁路功能 依据磨煤机现场实际应用情况，殴计带有旁路系统的变频改造，当变频器 无法使用时，可以通过手动操作，将縻煤机运行方式切换到 ：频运行。 磨煤机手动工频旁路的工作原理如f ( 参照图l 一5 ) ：t 作谯变频状念u j r ， 磨煤机高压断路器q f l 、刀闸q s1 合通，刀闸9 s 2 置于变频化置，此时变频器 串接于电源和电动机之问，系统处于变频一i ：作状态。当 n 现变频器系统故障时， 变频器自动停机，并主动分断磨煤机高压断路器q f l l 。如果需要继续运行r 包动 3 ( ) 华北f u 力人学丁程硕二l ：专业学位论文 机，可以通过人工手动将q s 2 置于工频位置并分断系统中的q s l ，再合通q f l ， 电动机进入工频运行状态。 6 k v 母 线 图4 - 5 变频调速系统结构示意图 磨煤机高压断路器o f l 负荷侧到汽机6 5 米锅炉段配电室变频器及汽机6 5 米锅炉段配电室变频器到磨煤机电动机就地，使用电缆为铠装高压电缆，变频 器对电机和电缆没有特殊要求，变频器到6 k v 配电室及d c s 小问连接电缆用普 通铠装二次屏蔽电缆 d h v e c t o l 高压变频器由控制柜、单元柜组、变压器柜组、旁路柜组组成 4 3 变频器与d c s 连接 我厂磨煤机变频操作采用本地以及远方d c s 两种控制方式。 变频器与d c s 连接如下表4 1 表4 13 0 万1 # 、4 # 磨煤机变频改造d c s 信号点表 信号名称颜色d p u 点通道 3 # d i 1 、变频器启动中 红 3 d p ub 51 机 1 # 2 、工频运行指示橙 3 d p u b 52 磨 煤 3 、变频运行指示黄 3 d p ub 53 机 4 、允许启动指示 绿3 i ) p ub 54 5 、高压就绪指示 浅蓝3 d p ub 5b 6 、远程控制指示紫 3 d p ub 56 7 、变频器轻故障灰 3 d p ub 57 8 、变频器重故障白 3 d p ub 58 华北电力大学工程硕士专业学位论文 9 、请求充电指示深蓝3 d p ub 5 9 1 、紧急停机红5 d p uc 3 5 2 、变频器运行橙 5 d p uc 36 3 、变频器停止黄 5 d p uc 37 d o 4 、复位变频器绿5 d p uc 38 c o m 里 5 d p uc 3 9 6 、变频器充电紫 5 d p u c 310 a o频率给定( 4 2 0 m a ) 红黄 2 d p ub 59 变频器电流输出( 4 - 2 0 m a )红蓝 2 d p ub 54 a i频率反馈( 4 2 0 m a ) 红黄 2 d p ub 5l 3 苒 机 1 、故障声报警 红3 d p ub 5l7 4 苒 2 、工频运行指示橙 3 d p ub 518 磨 煤 3 、变频运行指示黄 3 d p ub 5l9 机 4 、允许启动指示绿 3 d p u b 52 0 d i 5 、高压就绪指示浅蓝 3 d p ub 52 1 6 、远程控制指示紫 3 d p ub 5 2 2 7 、变频器轻故障灰 3 d i ，ub 52 3 8 、变频器重故障白 3 d f ) ub 52 4 9 、请求充电指示深蓝 3 d p ub 5 2 5 1 、紧急停机 红5 d p uc 3 l 1 2 、变频器运行 橙 5 d p uc 312 3 、变频器停l 卜 黄 5 d i ，uc 3 13 d o 4 、复位变频器 绿 5 i ) p uc 314 c o m 里 5 d p uc 3l5 j 6 、变频器充电 紫 5 d p uc 316 3 2 华北电力大学工程硕二l 专业学位论文 a o频率给定( 4 - 2 0 m a ) 红黄 2 d p ub 510 变频器电流输出( 4 2 0 m a )红蓝 2 d p ub 55 a i 频率反馈( 4 2 0 m a )红黄 2 d p ub 52 4 4 变频器的基本功能 4 4 1 拟采用的控制方式： 变频控制采用就地以及远方d c s 两种控制方式。 本地控制方案：可以利用变频器柜体上人机界面的起动、停止、参数设定 等功能控制变频器，也可以通过柜体上的控制按钮来操作变频器。 远方控制：远方控制即由我厂的d c s 系统通过硬接线的方式来控制变频器。 4 4 2 故障查询功能： 变频器具有故障报警及故障查询功能，可以为用户提供清晰的故障点定位， 故障记录等。 4 4 3 运行参数记录显示功能 变频器具有显示并自动记录运行参数的功能。 4 4 4 多种接口功能 变频器提供了较多数字量、模拟量输入输出接口及多种通讯接口。 4 4 5 故障报警与电动机保护 变频器具有自诊断功能，并提供多种故障报警和保护。 功率单元报警及保护 当功率单元发生故障时，变频器就自动进行保护。当功率单元三相输入中 有一路出现故障，报出缺相故障；当功率单元散热器的温度超过8 0 。c 时，报出 单元过热故障；当功率单元驱动板检测到i g b t 过流或损坏时，报出驱动故障； 当功率单元驱动板检测到直流母线过压时，报出过压故障；在发生l 述功率单 元故障时，功率单元主动进入旁通保护运行状态，超过旁通条件的限制后，变 频器停机。当功率单元接收不到主控系统发送的信号时，报出功率单元下行通 信故障，变频器停机；当主控系统接收不到功率单元发送的信号时，报出功率 单元上行通信故障，变频器停机。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 系统报警及保护 系统报警及保护由p l c 完成，表4 2 详细描述了变频器的故障报警条件和 处理方式。 表4 2 故障报警条件和处理方式 序 故障名称故障描述处理方式 备注 口 丐 外供电源故障时系 外供电源提供的3 8 0 v 电在高压已合的情况统不就绪；在高压 1 故障源断电或不正常下报警已合的情况下延时 滤波l0 分钟跳高压 单元柜风单元柜风扇电源在高压已合的情况单元柜、变压器柜 2 扇故障 空气丌关断开下报警风扇中任一有故障 系统都不就绪；单 变压器柜变压器柜风扇电在高压已合的情况元柜或者变压器柜 3 风扇故障源空气丌关断丌下报警风扇均故障延时滤 波5 s 跳高压 移相变压 变压器温度超过在高压已合的情况 4器温度过 l3 0 下延时5 秒报警 高 移相变压若变压器温度过高 一 变压器温度超过在高压已合的情况 b器温度超持续时间超过1 分 l5 0 下延时5 秒报警 青 钟，则跳高压同 门丌关故 在高压已合的情况门丌关未合系统不 6 柜门打丌 障 下报警就绪 主板与p l c主板与p l c 通信在高压已合的情况 7 通信故障连接中断下报警 模拟信号模拟信号小于 在高压已合的情况模拟信号小于4 m a 8 断线 4 m a 下报警 持续1o s 后报警 华北f u 力大学t 程硕十专业学位论文 在变频器运行中 在高压已合的情况 9 旁通故障 单元出现旁通故 下报警 障 变频器有重故障系 变频器重在变频器运行中在高压已合的情况统不就绪；一旦出 l0 故障 单元出现重故障下报警现变频器重故障马 上跳高压 在变频器运行中在高压已合的情况高压断电延时滤波 1l 高压断电 高压消失下报警 1 s 变频器运行中出在高压已合的情况 l2 轻故障 现轻故障下报警 另外，变频器还提供了对电动机的过载、过流、缺相保护。 4 4 6 单元智能旁通功能 单元智能旁路功能就是快速自动地切除故障功率单元，保证系统继续运行 的方法。当一个功率单元出现故障时，主控系统就会用最短的时l 训，实现故障 功率单元的旁通。并通过一定的运算，使输出的电压波形保持f 常，可以使负 载持续运行；同时向监控人员发出报警信号。 在故障消除后( 如瞬间的过压等) ，恢复的信号通过功率单元通知主控系 统，主控系统根据实际情况自动恢复该功率单元的f 常使用。如果引发功率单 元出现旁通的故障不能消失，变频器可以一直工作，直到用户有条件停机时， 进行功率单元的更换。 因为单元智能旁路功能是自动实现的，因此提高了变频器的正常使用率。 4 4 7 低压调试功能 在现场高压不具备条件时，为了节约调试时问，可以用a c 3 8 0 v 电源调试变 频器。低压调试时，变频器输出端与电机脱丌，利用变频器的充电电源给功率 单元供电。其原理就是：充电完成后，不合高压丌关，充电电源4 i 分断，一直 为功率单元供电，变频器运行后可以输出p w m 。调试人员可以对变频器进行分 体测试以及对变频器的输出电压波形进行测试。当电机在工频运行状态时，调 试人员检修完变频器后，可以很方便对变频器进行测试。 注意：低压调试时，需关注充电电阻温度。当充电电阻温度过高时，应停 华北l i ! 力大学工程硕l 专业学位论文 止调试。待充电电阻温度降低后再进行低压调试。因为低压调试时，充电回路 中的充电电阻一直处于带电状态。 紧急停机按钮 触摸屏 远方就地开关 图4 6 控制柜正向 图4 6 为我厂变频器控制柜f 面局部图，各模块及按钮的作用撕1 下： 1 ) 紧急停机按钮：当磨煤机出现重故障或者其他原因需要迅速停止变频器 时，按下该按钮，再顺时针扳动该按钮，按钮弹起，此时变频器停止输出，并 同时自动分断磨煤机高压丌关，从而保护整个磨煤机变频调速系统。 2 ) 人机界面：磨煤机操作变频器的界面，通过该面板可运行、停止、复位 变频器，修改功能参数，并可以浏览磨煤机变频器的状态和参数。 3 ) 远方就地开关：磨煤机变频器远方控制和就地控制方式选择按钮。 4 5 故障诊断及排除 故障概述 磨煤机变频器部件众多，可能出现多种故障，必须设定合理的保护手段， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 才能在磨煤机变频器出现故障时对硬件进行保护。磨煤机变频器对故障进行了 划分和定义，改变了故障保护策略，简化了故障保护模式，着重对可能导致硬 件损坏的故障进行保护。 磨煤机变频器故障分为p l c 检查的故障和主控系统检查的故障。 4 5 1p l c 检查的故障 4 5 1 1 控制电源故障 人机界面显示：控制电源掉电 原因：1 ) 控制电源空开跳闸保护。 2 ) 控制电源失电。 解决方法：1 ) 将控制电源空丌合闸。 2 ) 用万用表测量控制电源输入侧电压。 4 5 1 2 单元柜风机故障 人机界面显示：单元柜风机故障 原因：1 ) 热继电器跳闸保护。 2 ) 风机电源空丌跳闸保护。 3 ) 风机损坏。 解决方法：1 ) 将热继电器复位。 2 ) 将风机电源空丌合闸。 3 ) 更换风机。 4 5 1 3 变压器风机故障 人机界面显示：变压器风机故障 原因：1 ) 热继电器跳闸保护。 2 ) 风机电源空丌跳闸保护。 3 ) 风机损坏。 解决方法：1 ) 将热继电器复位。 2 ) 将风机电源空丌合闸。 3 ) 更换j * j t 。 4 5 1 4 充电失败故障 人机界面盟示：充电失败 原因：1 ) 充电电源空丌分断。 2 ) 充电时f 白j 太短，单元充电不足。 解决方法：1 ) 将充电电源空刀：合闸。 2 ) 将充电电源空丌合闸。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 5 1 5 单元柜温度过高故障 人机界面显示：单元柜温度过高 原因：1 ) 单元柜滤网堵塞。 2 ) 环境温度过高。 解决方法：1 ) 更换单元柜滤网。 2 ) 降低环境温度。 4 5 1 6 变压器柜温度过高故障 人机界面显示：变压器柜温度过高 原因：1 ) 变压器柜滤网堵塞。 2 ) 环境温度过高。 解决方法：1 ) 更换变压器柜滤网。 2 ) 降低环境温度。 4 5 1 7 变压器柜温度超高故障 人机界面显示：变压器柜温度超高 原因：1 ) 变压器柜滤网堵塞。 2 ) 环境温度过高。 解决方法：1 ) 更换变压器柜滤网。 2 ) 降低环境温度。 4 5 1 8 模拟信号断线故障 人机界面显示：模拟信号断线 原因：1 ) 模拟量给定信号小于4 毫安。