变频调速系统中电动机保护问题的研究

1、毕业论文题目变频调速系统中电动机保护问题的研究作者：专业：班级：学 号：指导老师：2013 年 4 月 20 日第1章绪论1. 1厂用电机变频改造的意义1 . 2国内外厂用异步电机变频调速概况1.1.1 国外厂用异步电机变频调速情况1.1.2 国内厂用异步电机变频调速情况1 . 3高压变频调速系统继电保护研究现状2 . 4小结第2章 变频调速系统中的电动机保护分析3 . 1变频器原理4 . 2主流变频器的性能比较2. 3高压变频调速方案的分析与比较2. 4变频器的保护功能2. 5变频系统中的电动机保护分析2.1.1 变频系统中接线方式的比较与选择2.1.2 变频系统的工、变频切换方式选择2.1

2、.3 工频方式下电动机的保护配置方案2.1.4 变频方式下电动机保护面临的问题2.1.5 变频方式下电机差动保护的装设范围分析2.1.6 变频方式下电动机的保护配置方案第3章电动机工频运行时保护问题研究3. 1差动保护存在问题的分析及解决方案的研究3.1.1 不平衡电流导致纵差保护误动的解决措施3.1.2 CT饱和识别方案研究3. 2采样坏数据的判别及处理方法3. 3本章小结第4章 电动机变频运行时保护及整定研究4. 1长启动保护5. 2电流速断保护6. 3采样值差动保护及相关原理研究1.3.1 相量差动保护所遇到问题的分析1.3.2 采样值差动保护原理1.3.3 R、S及R. S的选取原则1

3、.3.4 采样值差动保护动作模糊区的讨论1.3.5 采样值差动保护抗CT饱和原理1.3.6 采样值差动保护实现方案4. 4低电压保护5. 5过电流保护6. 6接地保护4. 7变频调速后电动机温度的变化及原因分析5. 8 本章小结第5章 电动机差动保护装置开发6. 1装置硬件设计6.1.1 装置硬件的总体设计6.1.2 保护装置的C P U架构6.1.3 保护装置的结构设计5. 2装置软件设计5.1.1 装置软件传统开发的不足及图形化平台的提出5.1.2 图形化保护平台基本功能的实现5.1.3 保护元件的划分与数据传递5.1.4 微机保护中图形化编程的实现5.1.5 组态逻辑结果的生成和编译5.

4、1.6 代码的烧录与加载5. 3本章小结第6章结论与展望参考文献致谢变频调速系统中电动机保护问题的研究摘 要为了降低厂用电率，同时为了改善电机的运行环境，目前越来越多的电厂在 进行高压电动机采用变频器调速的技术改造。改造对电动机的传统保护方式产生 怎样的影响，传统保护方式能否在改造后正确动作， 倘若不能正确动作义该如何 重新整定以适应变频运行环境，这些问题自然地得到了继电保护工作者的重视 和研究。针对上述存在的问题，本文对厂用电机变频改造后的继电保护进行了研究，提出了有效的理论方法。主要工作如下：简要介绍了国内外电厂中电动机应用变频器实现变频调速的情况；对目前国内采用的高压电动机变频调速方案和

5、不同的一次接线设计的优缺点进行了分析； 给出了电动机工频方式下的保护配置，通过对电动机变频运行时面临问题的分 析，给出了电动机变频运行方式下的保护配置；针对工频运行方式下的电动机 差动保护误动和CT饱和问题，分别分析了问题的原因，并提出解决方案。以电动机变频运行时的保护及整定为重点， 从改造带给电动机常规保护的影响着 手，详细分析了改造后电动机的长启动保护、电流速断保护、低电压保护、接地 保护、过电流保护的整定方法；针对变频运行时相量差动不能使用的问题， 提出 了应用采样值差动保护作为需配置著动保护的电动机主保护的解决措施，深入分析了采样值差动保护的原理、R及S选择方法、动作模糊区等问题，最后

6、给出了 采样值差动的保护方案。文章最后简略介绍了电动机差动保护装置的硬件配置，论述了基于图形化开 发平台的电动机保护软件开发思想， 分析描述了图形化平台的功能与特点， 并基 于该平台完成了差动保护动作逻辑图的组态， 实现了基于该平台的电动机差动保 护软件的开发。关键词：变频；异步电动机：微机保护；变频调速系统中电动机保护问题的研究第1章绪论1. 1厂用电机变频改造的意义目前，厂用电机系统存在的主要问题是： 电动机及被拖动设备效率低，电动机、风机、泵等设备陈旧落后，效率比国外先进水平低2 5个百分点；系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运行；系统调节方式落后，大部分风机、泵类采

7、用机械节流方式调节，效率比调速方式约低3 0 %。 这是因 为，由于电网负荷结构的变化，近年来电网的负荷峰谷差越来越大， 部分时段发 电机负荷降低，很多大型火电机组也要参与调峰和深调峰运行。 频繁的调峰任务 使高压电机的启停次数增加，在启动过程中因受冲击而造成过热、 绝缘损坏以至 烧坏电机的情况逐年增加，严重影响电动机的机械寿命；另一方面，采用调整挡 板、阀门的开度或空放回流的办法进行输出量的调节， 导致辅机和驱动电动机长 期运行在低效率工作区，造成大量节流损失，能源浪费严重。电厂在生产电能的 同时，本身也是耗电大户。设备效率低，厂用电率居高不下是长期以来困扰发电 企业的主要问题之一，尤其是2

8、 0 0 3年以来，因为燃煤价格的上扬，发电成本 大幅提高，造成发电企业盈利水平下降。随着电力行业改革的不断深化，厂网分 家、竞价上网政策的逐步实施，降低厂用电率，减小发电成本，提高上网电能的 竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济目标， 而且要求越来越迫切，因此发电 厂较以前更加重视以经济效益为中心、 追求经济效益最大化的经营方针。 改造落 后高耗能设备，降低电耗，提高经济效益将是电厂今后一段时间内的重点工作。国内电机系统的用电量约占全国用电量的6 0%, 全国现有各类电机系统总装机 容量约4. 2亿千瓦，运行效率比国外先进水平低1 02 0个百分点，相当于每年浪费电能约1 5 0 0亿千瓦时

9、1 1，由此可知，电机节电潜力巨大。对发电厂机组进行高压变频技术改造，无疑是降低厂用电率最好的手段之一。“十一五”十大重点节能工程实施意见提出，为了提高电机系统效率，应 推广变频调速这种先进的电机调速技术， 改善风机、泵类电机系统调节方式，逐 步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式，重点对大中型变工况电机系统进行调速改造，合理匹配电机系统，消除“大马拉小车现象。目前，越来越多的电 厂在进行高压电动机采用变频器调速的技术改造。 有些业主在新建电厂中明确提出，重要辅机必须考虑采用变频器拖动。 实现异步电动机的变频调速，是发明异 步电动机近百年以来人们翘首以待的“世纪之梦”。通过人们不懈努力、提高和 完

10、善，其调速工作特性毫不逊色，即使与直流调速系统相比，某些方面还将超过 直流调速。采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节。调节 器输出的信号传到变频器，通过变频器调节电机转速，可以平滑稳定地调整输出 特性，而且调速精度高、性能稳定、维护简单，易于实现生产过程的自动控制。1 . 2国内外厂用异步电机变频调速概况1.1.1 国外厂用异步电机变频调速情况美国电力研究所于1 9 8 1年就开始研究电力电子可调速传动在电厂大型异步电动机上的应用，并在1 9 8 4 1 9 8 9年进行了连续五年的风机和泵类 负载大型异步电动机变频调速现场试验，对大型变频调速装置的可靠性得出肯定 的结论，认

11、为只要使用细心，电力电子装置是耐用和可靠的， 而控制系统更可以 提供无故障运行；目前设计完备的变频器在即使出现故障时也可以通过功率单元 旁路、切换运转等方法避免停机。研究同时认为，在年度负载曲线和燃料费用正确配合的情况下，27年可收回投资费用。各项目的投资回收年数差别较大， 主要因为燃料价格较高，燃油 和燃气机组回收成本更快。随着G T O的发展美国发电厂开始大量应用GTO- PWM型直接高压变频器，并开始采用矢量控制。至Ui 9 8 9年已有6 5台以上 GTO-PWM电流源型变频器在发电厂大型异步电动机上使用,功率范围为37 5 KW5 3 6 9 KW:如一台3 0 0 MW燃油/气机组

12、上安置了两台变频调速装置，以控制两台2 9 8 4 KW感应式异步电动机的转速，该机组长期运行在 甚低负荷工况，在非峰值期间，该机组有时空转运行，未改造前风机在低负荷工 况效率下降5 0%,改造后风机效率可接近试验水平的93%, 且基本不受机组 负荷的影响，全年可节省费用1 0 0万美元，两年即收同投资。目前，国外发电厂已经将中高压变频调速技术比较广泛地应用于大型异步电 动机中，通过它们长期运行实践可见，中高压大功率变频调速系统的经济效益良 好，其可靠性也是可以得到保证的。1.1.2 国内厂用异步电机变频调速情况近年来，国家大力支持节能技术改造工作，中华人民共和国节能法、国务 院、财政部等都对

13、节能有规定，指出“实现交流电动机调速节电作为重点措施， 认真推广”。发电厂的发电煤耗、厂用电率指标为发电厂考核的首要指标， 另外, 电网迅速发展，对机组的调峰能力要求越来越高， 调节辅机以适应电力安全、经 济运行，直接影响到电厂的安全性和发电成本，国内许多发电厂采用了变频技术 进行技术改造，并取得了很好的效果。如山东黄岛发电厂的两台送风机引进美国 罗克韦尔A B 1 5 5 7变频装置， 年节电3 4 1万度，可节约1 2 5万元，两年 内即可收回全部投资；华能新华电厂的吸风机、给水泵采用美国罗宾康多重化无 谐波变频装置，节电率达到28“69%;四川华鉴山发电厂在锅炉送引风机 上采用国产北京利

14、得华福单元串联多电平变频装置，节电效果达到4 6“6 8%0随着我国电网的不断扩大和电力作为商品逐渐成为买方市场，机组负荷率降低，大型机组也需要调峰运行甚至两班制运行， 发电部门将越来越重视辅机工 况调节时的节能问题。通过上述分析，随着高压大容量变频调速技术的日益成熟 和产品价格的下降，将其应用于国内发电厂大型辅机，在技术和经济方面都是可 行的1 . 3高压变频调速系统继电保护研究现状在降低厂用电率的同时，保证机组安全可靠地运行成为电厂管理人员和电气 技术人员十分关注的问题因此，应用高压变频器，对电动机继电保护配置方案以 及保护整定的影响，理所当然地得到了继电保护工作者的重视和研究。解决好这个

15、课题，成为保证电厂安全运行的关键，具有重要的现实意义。随着变频调速理论和制造工艺的进一步发展， 国内外变频厂家对其变频器产 品进行了大量的技术改进与完善，变频器的运行可靠性较前几年已经有了很大的 提高。但不可否认，变频器作为一个复杂的大功率电力电子装置， 其长期稳定运 行仍然受一定冈素的影响，如电磁干扰、元器件质量、环境温度、空气洁净度和 人员维护水平等，正由于有上述因素的存在，发电厂在厂用高压电动机变频改造 上抱有疑虑，发电厂重要辅机一旦跳闸，将直接导致发电生产过程的波动、中断， 给电厂安全稳定运行造成冲击。在变频改造中，如何避免由于变频器故障造成的 事故，提高机组辅机的运行可靠性，成为电厂

16、最重要的考虑。为此，除了选择可 靠性高的变频器外，电厂一般还会要求变频器配置完善的保护功能。因此在以往 的高压变频器调速系统的实现上，人们关注电力电子器件的性能及变频功能本身 的实现，保护方面较多考虑对电力电子器件的保护， 如I GC T的吸收电路、快 熔保护等，而较少涉及高压变频系统中电动机的保护。高压变频调速系统分为变频、工频两种运行方式，而工频方式下电动机的保 护相对成熟，故应把重点放在变频调速系统变频运行时电动机的保护上。本文将对此进行有益的研究1 . 4小结本文完成的主要工作有：1 .通过分析电动机变频运行方式与工频方式下电气量的差异，对电动机变频运行时保护面临的问题进行了分析，并给

17、出变频时电动机的保护配置。2 .针对电动机自启动过程中，由于普通保护级C T传变特性不一致导致差 动保护误动这个问题，提出两种有效的解决方案；针对C T在故障发生时可能存 在饱和导致差动保护误动的问题，给出了 C T饱和的主要判别方法。3 .详细分析了改造后电动机的长启动保护、电流速断保护、低电压保护、 接地保护、过电流保护的整定方法；针对变频运行时相量差动不能使用的问题， 提出了应用采样值差动保护作为需配置差动保护的电动机主保护的解决措施，深入分析了采样值差动保护的原理、R及S选择方法、动作模糊区等问题，最后给 出了采样值差动的保护方案。4 .简略介绍了电动机差动保护的硬件配置， 分析描述了

18、图形化平台的功能 与特点，并基于该平台完成了差动保护动作逻辑图的组态， 实现了基于该平台的 电动机差动保护软件的开发第2章变频调速系统中的电动机保护分析2 . 1变频器原理从交流异步电动机的转速公式可以分析如何改变异步电动机的转速：n = 60f (1 s)/p式中：以.电动机运行时转速f .电动机电源频率P.电动机极对数J .电动机转差率由上式可看出，只要调节P、J或.厂三个变量，即可实现调速目的，由止匕, 可得出三种基本调速方法：1 .改变电机的极对数P。属于有级调速，应用场合有限。如某些电厂采用 的双速循环水泵、双速引风机即采用这种调速方式。2 .改变电机的转差率J。这种调速方式结构简单

19、，有一定的应用场合。如 用级调速、转子用电阻调速均属这种方式。3 .改变电机电源的频率.厂。该调速方式效率最高，可以构成高动态性能 的交流调速系统，是应用场合最多，最有发展前途的一种调速方法。电动机一旦制造完成，具S、P一般已经确定，由于转速刀与频率厂之间为 线性关系，从理论上分析调速范围在0 ,1 0 0%内，线性度都很好。变频调速技术的基本原理即是根据上述电机转速与工作电源输入频率的正比关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的变频器就是基于上述原理采用交.直.交电源变换技术，利用半导体器件的 通断作用来实现电能频率变化的电子控制装置。 它首先把5 0Hz的交流电源利 用半导体

20、器件的通断作用变为频率为零的直流电源（称为整流） ；然后把频率为 零的直流电源通过电力电子半导体器件的通断作用变换成某一频率的交流电源（叫做逆变），从而实现输出交流电源电压与频率的改变。载波SPWM （正弦波脉宽调制）电压逆变器是目前变频电源的主流产品，在工程实际中应用最多下面以图2 . 1所示的电压型三相桥式变频器电路为例， 来说明变频器的工 作原理忸。大功率晶体管变频器的基极驱动信号在控制电路中一般常采用载频信号U o与参考信号矶相比较产生，这里采用双极性等腰三角形锯齿波电压， 而U为双极性正弦波。在与4波形相交处发出调制信号，则产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列其调制波形如图

21、2从图2. 2可以看出，¥PWM调制的基本特点是在半个周期内， 中间的脉 冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比， 脉宽基本上呈正弦分布。输出电压的大小和频率均由正弦参考电压珥来控制。当 改变q的幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变U的频率 时，输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值先必须小于等腰三角形的 幅值碉。，否则就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系。2 . 2主流变频器的性能比较1 .高压变频器的类型高压变频器根据其高压组成方式可分为直接高压型和高. 低.高型。直接高 压型根据有无中间直流环节可分为交.交变频器

22、和交.直.交变频器，由于交.交 变频器连续可调的频率范围小，一般为额定频率的1/2以下，当前工程中普遍 使用的是交.直.交型变频器。在交.直.交变频器中，按中间直流滤波环节的 不同又可分为电压源型和电流源型o按照上述标准划分出的层次关系如图2 . 3所示电流源型变频器是在电压源型变频器之前发展起来的早期拓扑，它在逆变器直流供电侧串联大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率， 故电流源型变频器 的过流和短路保护容易实现；电压源型变频器在直流供电输人端并联有大电容， 一般电压源型变频器的过流和短路保护实现起来则较为困难，只有二电平电压源型变频器设有直流电感，可抑制d i/d t的上升速率，易实现过流

23、保护和短路 保护。2 .功率器件串联二电平电流源型变频器美国罗克韦尔（A. B）公司的P owerFlex700 0系列采用这种方案9 J。图2 _4是功率器件串联二电平电流源型变频器结构示意图，采用大电感作为中间直流滤波环节，整流电路采用晶闸管（s cR）作为功率器件，根据电流电压的不同，每一个桥臂需由S CR串联，而逆变器采用S。11或6丁O> SGCT等功率器件串联。这种设计的优点是主回路结构简单， 可实现再生 制动，变压器可根据需要选用油浸式或干式， 变压器和变频柜可分开放置。但由于是电流源型，具输入侧功率因数较低，对母线电压的适应能力差（如电压骤降、周波缺失）；另外，具输出侧电

24、压电流波形不如单元串联多电平变频器好， 对网侧谐波的影响也较单元串联多电平PWM电压源型逆变器大。E24功率器件中嵌二电平电漉源型交猱器结构示慰国3 .中性点钳位三电平电压源型变频裂用1 2 3S IMENSIS I MO V E RT MV采用这种结构。 三电平高压变频器 又称“中性点钳位式”高压变频器，是近几年才开发和推出的一种高压变频器， 高压变频调速系统采用中性点钳位三电平技术。 变频器主要由输入1 2脉冲变压 器、整流器、中性点钳位回路、三电平模式逆变器、输出滤波器、控制部分等组 成。整流电路一般采用二极管，钳位采用高压快恢复二极管，逆变部分功率器件 采用GTO、 168丁或16。丁

25、。初期使用时，由于输出电压与电机工作电压 不直接匹配，对6 kV须将高压电机“Y”接法改为接法。当变频器故障 时，又改回去，工频运行。为此可在输出端增设一个自耦升压变压器，可直接用 于6 k V和1 0 k V高压电机，类似高低高方式。，噌那型充国3s中性点钳位三电平电压源型变喊罂主回赌结构示意图这种结构的优点是器件少，具有电压源型调速范围宽、动态响应速度快、功 率因数高等优点，但是有如下缺点：需有y/A变换装置，才能实现工频/变频切换。对于6 kV高压电机，三 电平变频器采用Y/改接的办法， 将Y型接法的6 k V电机改为接法。 但在 进行了Y/改接后，电机的电压与电网的电压不一致， 无法实

26、现旁路功能，当 变频器出现故障时，为了保证生产的正常进行，必须首先将电机改回Y型接法， 再投入6 kV电网。为此，电机的改接必须加装Y/切换柜实现， 以便实现旁 路功能：输出谐波含量大，需要专用变频电机。由于三电平变频器低速区变频器 的波形极差，基本上不能满足工况的要求，因此，在变频器的输出侧必须配置L C滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。 同样由于谐波的原因，电动机的功率冈数 和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作 状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。输出电压谐波1 1次、 1 3次谐波达到2 0 %以上，会引起电动机谐波无功发热、 转矩脉动，这

27、对电缆 和电动机都是致命的影响。因此，一般需要配置专用电动机。4 .多单元用联电压源型变频器米用这种技术的有R OBINCON的PerfectHarmony系列、利德华福的H AR V E S T系列、 TOSHIBA、广东金智、东方日立等。多单元用联电压源型变频器是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器串联和控制器结构组成。各功率单元由一个曲折多绕组的移相主变压器降压供电。变压器是单元串联高压变频器设备电路结构中的一个重要部件。3 k V有12个功率单元，每4个功率单元串联构成一相。6 kV系列有1 5个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。1 0 k V系列有2 1个功率单元，每7

28、个功率单 元串联构成一相。移相变压器中，变频器6 kV时需要3 X 5个绕组，引出主接 线头4 8根，0 0 k V时需3 X 7个绕组，引出主接线头6 6根） 。变压器输出为外部星形的延边三角形接法o图之石步单元串联电压源型变领舞逆变器培的示童图图2 6所示为6 kV变频器的主电路拓扑图， 每组由5个额定电压为6 90 V的功率单元串联，因此相电压为6 90VX5 = 345 0V, 所对应的线电 压为6 0 0 0 V。每个功率单元由输入隔离变压器的1 5个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成五组，每组之间存在一个12。的相位差。以中间接法为参考（o。），上下方各有两套分别超前（+12。、

29、+ 2 4。）和滞后（.12。、 -24。）的四组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。单元串联多电平技术就是采用多组低电压小功率I G B T ,PWM变频单元串联输出高压，实现大功率集成。其特点是由低压的功率器件所组成的功率单元 相串联，从而实现高压的输出。由于采用的是功率单元进行串联， 因此不存在元 件之间的动态和静态均压问题，并且该方案设计的功率单元模块化、 标准化，单 元间具有互换性。若考虑变频器故障后的工频运行，可增设一个简单切换装置， 可方便地通过倒切开关，切换到工频运行；由于单元串联多电平变频器采用了必 要的移相变压器，实现多组整流，间接地获得了输入端的低谐波含量

30、指标； 最为 难得的是单元串联多电平变频器可适用于普通电机及旧电机，且不必降额使 用，缺点是需制造复杂而昂贵的移相变压器，存在一定损耗。2 . 3高压变频调速方案的分析与比较国内电厂的厂用电电压一般分为6KV和1 OKV。 功率较大（一般指超过2 0 OKw）的电动机基本上都采用高压电动机， 这些电动机的能耗是电厂用电 的主要部分，高压变频指的就是这些电动机的变频调速。在大中型火力发电厂中，电动机电压等级多为6KV,个别热电厂为1OKV,因此本文针对6KV电压等级的变频改造电机进行探讨。目前国内6KV高压电动机采用的变频调速方案主要有如下两种：1.高.低.高变频调速系统此种调速控制方案是将高压

31、通过降压变压器， 使变频器的输入电压降低，这 样可以采用一般的交流变频器，然后，将变频器的输出电压通过升压变压器再提 高到6 K V ,以满足高压交流电动机的电压要求。 这种方案可以采用较为低廉的 变频器，高.低.高变频调速系统的结构如图2 . 7所示。ff ft性压声算s-K2-7高一低一高变频调速系统的钻胸图高低.高变频调速系统普遍采用可控硅整流逆变电路，从7 0年代问世以来，逐步走向成熟，也有很多应用成功的例子，但此种系统存在着较多的问题：(1)高.低.高变频调速系统需要用升压和降压两个变压器，以实现6 KV电压直接输出，从而降低了效率，会增加损耗，并且降压变压器和升压变压器 不能互换，

32、升压变压器需要特制，以减弱高次谐波的影响。(2 )高.低.高变频调速系统中的变频器整流部分采用可控桥式整流电路， 相应变频器的功率因数比较低，范围在0. 2到0. 9之间。由于送风机经常工 作在低转速状态，可控硅的导通角较小，使系统的功率因数很小，系统需要消耗 大量的无功功率，导致6 KV母线电压下降，影响6 KV母线电压质量；同时可 控硅整流在送风机低速范围运行时， 导通角很小，波形畸变大，逆变部分大多采 用6脉冲或12脉冲，输出波形失真，有大量高次谐波存在，使输出波形不是正 弦波，为解决谐波的影响，需要加装滤波器，增加投资。(3)高.低.高变频调速系统中的变频器工作在低电压状态，为满足功率

33、输出的要求，工作电流很大，往往需要变频器元件并联运行，为此必须进行元件配对，增加均流措施，检修技术水平要求比较高。(4)高.低.高变频控制系统需要两台变压器，变压器需要装设相应的保护，成本也会有所上升，另外，使用高低.高变频系统占地面积较大。2 .直接高压变频调速控制系统直接高压变频调速控制系统用额定电压为6 K V的高压变频器直接驱动6KV的电动机，实现变频调速，高.高变频调速系统的结构示意图如图2 . 8。后KV瞳线图己3直接高压变濒系统结构示意直接高压变频系统，简称高.高变频调速系统，它是九十年代末针对高低.高 变频调速系统缺陷研制成功的新一代变频调速系统。该系统从根本解决了 高低.高变

34、频调速系统存在的问题，是一种性能优越的变频调速设备。该调速系统一般使用一台变压器与电网隔离， 变频器输出直接到电机，由于 采用了桥式整流电路，在整个调速系统中功率因数较高，不需要装设无功补偿装 置，又因为高.高变频调速系统采用多重化脉宽控制， 通过模块输出串联叠加消 除高次谐波的影响。高.高交频调速系统简化了主电路和控制电路的结构，变频器在中间处理器材调节器控制下，调整整流及逆变部分的控制量，通过调节逆变器的脉冲宽度和 输出电压频率，既实现调压，又实现调频，调节器进行无偏差的前馈控制，使控 制误差降到了最小，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性高。高.高变频调速系统改善了系统的动态特性，

35、 变频器中逆变器的输出频率和 电压，都在逆变器内控制和调节，因此调节速度快，调节过程中频率和电压的配 合好，系统的动态性能好。止匕外，高.高变频调速系统有很好的对负载供电波形。 变频器的逆变器输出 电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的转矩降低问 题，改善了电动机的运行性能，高.高变频调速系统适用于常规电机和电缆的绝 缘要求，现有的电机和电缆可以继续使用。3 .各变频调速系统性能比较从以上分析可知，若选用高低.高变频调速系统，需要增加变压器、无功 补偿器、谐波滤波器，变频实现控制复杂，可靠性较低，高.低.高变频调速系 统技术上不具有先进性。但这种系统最大特点是：价格比较低廉

36、，并且产品的挑 选余地比较大。若选用高一高变频调速系统，从能量转换上来看效率高于高.低.高变频调 速系统。高.高变频系统在整个调速范围内效率稳定在9 5 9 7 %之间， 而高 低.高变频系统在整个诵速范围内在8 1 9 3 %之间变化， 高低高变频系统 可以采用不使用变压器的方案，则满负荷运行时，又可节约3 %左右的能量（变 压器的损耗随负荷变化不大）。由以上分析对比可以看出，高.高变频调速系统和高低.高变频调速系统 相比较为优越，在变频改造中采用高.高变频调速是今后的发展趋势。因此，本文是针对高.高变频调速方案展开的2. 4变频器的保护功能变频器生产厂家较多，且每个厂家的型号不同，造成不同

37、的变频器在保护配 置上有一些区别。一般来说，每种变频器都有以下几种保护功能：过流保护、欠 压保护、过压保护和过载保护。1 .过流保护过流保护的对象是变频器自身。控制电路、驱动回路误动作或误配线，都会 造成逆变器上、下桥臂直通等短路事故。短路电流流过逆变器的开关元件会造成 元件烧毁，因此必须在极短时间内封锁PWM驱动信号输出， 使逆变器停止工作， 同时还应使输入侧电源开关跳闸。短路电流的整定值一般设置为逆变器输出额定 电流的2 0 0 %3 0 0 %。超过逆变器额定电流2 0 0 %以上的电流， 应立即 采取保护措施。当逆变器发生内部短路时，电流变化非常快，必须快速检测出过流信号。一 般采用霍

38、尔元件快速检测电流，具检测点可设置在中间直流母线、 逆变器输出电 路、或I GBT元件上。2 .欠压保护欠压产生的原因主要有：输入交流电压长期低于标准值的9 0 %以下， 或 发生缺相断相；电容不足或电容损坏。从IGBT的特性可知，当电源电压较 低时，会因其驱动功率不足而造成元件损坏。 另外，当逆变器直流侧大电容两端 出现欠压时，也应立即关闭逆变器，否则也会导致IGBT永久损坏。 欠压保护整定值为逆变器开关元件I GBT值的9 0 %。电压源型变频器采用大容量的高压电容器作为整流滤波环节。由于该电容具有一定的储能作用，因此变频器在电压降低情况下仍然具备一定的带载能力，而且在装置内滤波电容越大、

39、负荷运行频率越低、输出功率越小，则可维持的时间 越长。所以，欠压检测应该采用中问直流采样，即在大电容两端采样。这样既能 在真正欠压缺相时，检出信号进行保护，又不至于因短时间欠压并未构成危险时 而保护误动作，提高了交频器的抗干扰能力和运转的可靠性。3 .过压保护过电压产生的原因主要有：电网输入电压长时间过高；减速太快，引起 泵升电压过高。当电压超过I G B T的安全工作电压时, 就可能造成I G B T的 损坏，应关闭逆变器。过压信号采样点与欠压采样点相同。 过电压保护的整定值 为逆变器开关元件I G B T值1 . 7倍左右。4 .过载保护变频器的过载保护是指由于电动机过载，逆变器的电流达到

40、逆变器额定输出 电流15 0 %以上时，采取相应措施对I GBT施加的保护。 一般情况下，过载 保护具有反时限特性。过载电流越大，允许继续运行的时间越短，保护动作的时 间也越短。过载保护按反时限特性整定：1 . 1倍额定电流下允许长期工作：1.1 倍以上额定电流，动作延时时间按反比例变化。过载信号采用霍尔电流检测元件 检测，信号数值取自中间直流母线。另外，电动机根据其发热情况是允许短时间过载的。 由于发热时间常数较长， 所以，电动机的所谓短时间过载，一般都在数分钟以上：而变频器所允许的过载 保护先于电动机过载保护动作，即变频器可以对过载电动机进行保护，因此改 造后不再考虑电动机的过载保护功能。

41、能力，通常只有1分钟（过载1 5 0%）因此当电动机过载时，变频器的过载2. 5变频系统中的电动机保护分析2.5. 1变频系统中接线方式的比较与选择高压变频系统通常由6 K V电源进线开关、 移相变压器、高压变频器、6 K V输出接触器和电动机构成，作为一种万全措施，变频器在发电厂应用中，还要 配备工频旁路，一旦变频器出现严重故障或正常情况下例行检修维护时， 通过旁 路断路器，电动机可以直接挂在电网上运行，不影响机组的正常发电。高压变频器设置工频旁路一般有两种方式， 一种是手动旁路，采用旁路手动 刀闸结构，在变频器故障退出或检修时，手动断开变频器输入腌出侧刀闸， 再手 动合入旁路刀闸。一种是自

42、动旁路，采用旁路开关或旁路接触器结构，工/变频 切换既可以手动进行，又可以自动进行。应用较多的一次接线方式见图2 9。方式一中变频器输入侧、工频旁路采用真空断路器小车，变频器输出侧采用 高压限流熔断器+真空接触器，旁路控制方式为手/自动旁路；方式二中变频器输入腌出侧均采用手动隔离刀闸+真空接触器，工频旁路采用真空接触器，旁路控制方式为手/自动旁路：方式三中变频器输入/输出侧、工频旁路均采用手动隔离刀闸，旁路控制方 式为手动旁路；方式四中变频器输入侧采用手动隔离刀闸.输出侧及工频旁路采用手动单刀 双掷隔离刀闸，旁路控制方式为手动旁路。若仅考虑手动旁路方式，如方式三、 四，可采用隔离闸，在变频器检

43、修时一次回路中产生明显断开点。 但隔离刀闸另一侧依然带高压电，一旦检修时人员误碰或误合闸，以及运行中误切刀闸，都将 会发生严重的人身设备损坏事故。所以方式三、四设备少，结构简单，但防误操 作性能差，刀闸易发生操作卡涩、接触部分发热等问题。若考虑自动旁路方式， 如方式一、二，一般采用断路器或接触器，方式一采用小车开关，变频器检修时 将输入/输出侧小车拉出即可产生明显断开点，还可以方便同时进行开关检修工 作，另QF 1、QF 2开关均具备切断故障电流的能力。方式二采用接触器，变 频器检修时将输入/输出侧接触器断开， 拉开隔离刀即可产生明显断开点，但由 于接触器采用固定式结构，电机运行中不便进行接触

44、器的检修工作，另KM1、 KM2接触器不具备切断故障电流的能力， 只能断开负荷电流。所以方式一、二 设备相对较多，但防误操作性能较好，便于维护检修工作。从自动旁路切换方式 看，变频切换至工频方式可由变频器程序自动切换， 也可通过DCS或就地控制 面板来手动切换；而工频切换至变频，则尽可能采用DCS或就地控制面板手动 切换方式，因为工频情况下发生故障，一般是电机或出线电缆发生故障，由电机 保护动作切断开关，再切换至变频工况运行已无必要。故电机变频一次系统设计推荐方式一，其中Q F 1、QF 2为小车真空开关， K MI为小车F + C开关。采用小车开关进行变频器检修时，将输入/输出侧小车拉出产生

45、明显断开点，另QF 1、QF 2开关均具备切断故障电流的能力(b)方式二d)方式网图册9富压变颗器及旁路一次接线方式2.6. 2变频系统的工、变频切换方式选择对于电动机变频起动方式，变频器输入的电网电压经历了整流、 逆变后，变频器输出电压的相序、相位与电网电压已经无关。当电机由变频供电投入电网的瞬间，如果二者相位刚好反相，则将产生比直接起动时的起动电流更大的冲击电流。因此，电动机由变频切换到工频时，投入瞬间定子绕组中感应电压的大小、 相位将影响到能否平稳切换。供电方式切换采用手动切换时，保护配置的切换可由人工完成；但当供电方 式的切换采用自动切换时，保护配置的切换则需自适应完成。变频器常用的输

46、出 切换方式如图2. 10所示。(1 )冷切换：在变频器停电时进行切换，将电机的驱动电源由变频器切换 到工频电源，或者由工频电源切换到变频器，切换完成后再开机运行。这种方式 最为简单，只要增设两个适当容量的断路器或接触器即可， 切换过程既可以手动 也可由P L C控制。但是由于电动机拖动的负载一般不允许突然停车， 所以这种 切换方式不常用。(2)热切换：在变频器运行中进行带电切换，具体又可以分异步切换和同 步切换。异步切换：系指只检测电压的幅值和频率，而不检测电压相位的切换方式。 当电机在变频器的控制下，转速达到额定值且变频器输出电压的频率与电网频率(50Hz) 一致时，将电机从变频器驱动切换

47、到工频电源驱动。由于电机容量比电网小很多，切换过程对电网的影响可忽略。但是必须防止切换时电网电压 对变频器功率器件的冲击，以免造成变频器跳闸或器件的损坏。 异步切换最严重 的情况出现在高压变频器输出电压与电网电压的相位差1 8 0度时，会造成很大的冲击电压和电流，冲击电流最大可达额定电流的3 0倍左右。 这种方式要求系 统能够容许切换时的冲击和转矩变化，一般只用于小功率低压变频系统。同步切换：当电机功率较大(一般1 0 0 kW以上)，尤其是高压变频器 切换时，切换过程不仅要求变频器输出的电压和频率与电网一致，而且两者的相位也必须相同。如果相位相差较大，会造成对电网和变频器双方的冲击， 不仅达

48、不到软启动的效果，还会影响电网上其他设备的正常工作并损坏变频器。同步切换是指在检测电压的幅值、频率和相位后，控制高压变频器输出同频、同相、幅值可控的电压，实现变频器与电网之间相互平稳切换的方式。冷切费变胭器切换方式热切於:异步切奥，同步胡赣四基1。变断器辘出切换方式分奏发电厂中使用的各种电机容量较大， 而且许多风机、水泵在生产过程中是不 允许停机的，一旦发生故障会造成严重后果，建议在切换时采用同步切换方式， 功能时所录的电动机定子电流波形。 由波形可见，ZINVERT变频系统在瞬 时停电再启时自动搜索电机转速，具有无冲击再启动的优良控制性能。下面对此 种方式的切换过程做详细分析。除停起嫡再启动

49、 再自动之后时间停电前法郊rbw图2-11 EINVERT高压变甥器试腕中电就机定于电凝波形(a)由变频器向电网切换同步切换的过程是这样的：变频器拖动电机软启动，平稳升频到接近5 0H z,进入锁相环路的捕捉范围，之后在锁相环路的作用下，锁定变频器输出电压 的频率、幅值、相序和相位与工频电网一致，将电动机与工频电网之间的接触器 吸合，电网和变频器同时向电动机供电，然后封锁变频器的输出，并将电机从 变频器切出，电动机即平稳地切换到电网运行。由于进行了同步操作，变频器的输出参数与电网参数保持一致， 在接入电网 时对变频器和电动机都不会有什么影响。 切换过程中有一段时间变频器和电网同 时对电动机供电

50、。为了使变频器能全身而退，应该逐渐减小变频器的负荷，可以 稍微降低变频器的输出电压幅值，然后封锁变频器的输出，再进行切换操作。(b)由电网向变频器切换在由电网向变频器同步切换之前，变频器先空载加速到50Hz,启动锁相 环路的跟踪技术，经过一段时间的跟踪调整，达到锁定状态后变频器合闸，然后 电网开关跳闸，电动机即平稳地由电网切换到变频器调速运行。为了尽量减小切换过程中对变频器的冲击作用，在锁定状态变频器合闸之前，应稍稍调低变频器输出电压的幅值，以免合闸时造成对变频器过大的冲击电 流。在过渡到由电网和变频器同时向电动机供电阶段， 再稍稍调高变频器输出电 压的幅值，逐渐将负荷从电网向变频器转移，以免

51、在电网开关跳闸时对变频器造 成过大的冲击。2.7. 3工频方式下电动机的保护配置方案虽然火电厂重要辅机采用高压变频调速系统能节能降耗、实现软启动和减少 磨损，但对于发电厂而言，设备运行的可靠性是绝对第一位的， 高压变频器节能 降耗所产生的效益与因厂用辅机故障停机而导致发电机组减负荷甚至非正常停 机、锅炉熄火等事故所造成的损失是无法相提并论的。从以上分析可知，对电动 机的保护需要充分考虑保护能应用于电动机工频、变频两种运行工况。另外要注意当切换供电方式时，保护装置也要及时地切换保护配置和整定值选取。例如， 假设变频供电时保护装置使用采样值差动保护，当切换到工频供电时，保护装置也需要停止采样值差动

52、保护的运算，而将此采样电流值投入到工频供电时的常规 电流差动保护的运算中。工频运行方式下，电动机的故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。 由于电动机的微机保护主要通过测量电量（电流、电压以及开关状态等）来监测 电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障，绕组保护有：1电流速断保护和纵差保护。绕组相间短路时，对于2 MW以下的高压（3 KV以上）电动机一般装设两相式电流速断保护；为了迅速切断电源， 继电保 护及安全自动装置技术规程规定,2 MW及以上的电动机，或2 MW以下但电 流速断保护灵敏系数不符合要求时，应装设纵联著动保护。2零序电流保护。当单相接地短路电流大于5 A时应装设零序电流型

53、接地保 护。若接地电流大于1 0A,保护带时限动作与跳闸。若接地电流小于1 0A, 保护可以作用于信号也可以作用于跳闸。3低电压保护。当供电系统电压太低时，引起电动机的过电流甚至堵转， 会 烧坏电动机。有时为了保证电压恢复时重要电动机的自启动， 在不太重要的电动 机上也应装设作用于跳闸的低电压保护。 一些因生产工艺过程不允许或不需要自 启动的电动机也必须装设低电压保护，出口跳闸停机。4温度保护。将双金属盘式继电器或热敏电阻、 热电偶等测温元件安装在电 动机内部，当温度达到整定值时动作。5过电流保护。利用惯性熔断器、配电用低压断路器、各种型式的反时限特性过电流继电器，这些保护电器的动作特性应与电

54、动机的热特性相配合，使电动机既得到安全保护，又不致过早动作而影响电动机的使用6长启动保护。电动机启动时间过长会使电动机在启动时间过后运行电流仍 保持较大值，造成转子过热。当装置实际测量的启动时间超过整定的允许时间时, 保护动作于跳闸。启动时间过长保护可作为电动机启动过程中短路保护的后备保 护。-W-O1电*礴新梁帆工蛆或电希作油3过黄黄融炉.4过电*但FT魏物色&泡反保M7抵电缶岸外,畜疗。礴保界:9长岛加保产 图2/2工物运行方式下电动机保护配置图对于三相异步电动机，应装设电动机综合保护测控装置，从而实现对电动机 的保护、测量及控制，电动机综合保护测控装置装设在母线出口断路器QF的开

55、 关柜中：对于大型（2MW及以上，或主保护灵敏度校验不合格）三相异步电动 机，还应在装设电动机差动保护装置，与电动机综合保护测控装置共同构成大型 电动机的全套保护。按照上述分析，可得出电动机工频运行方式'F的保护配置图如图2.12所示。2.5. 4变频方式下电动机保护面临的问题电动机的变频改造达到了改善电机运行环境的目的， 但是改造也会对电动机 的保护产生一定的影响。明确系统变频、工频两种不同运行方式下的差异，是区分两种运行方式下保 护配置、整定发生变化原因的关键。变频方式下有以下几个方面区别于工频运行：1 .采用变频装置后，电动机实现了软启动，启动电流从零开始平滑上升，由工频启动的6

56、7倍额定电流降到1 .2一一1. 5倍额定电流，启动电流显著减小。电动机可以在较小的电流下实现加速、减速，发热较小，同时启动时 间有所延长。2 .目前主流的高压变频器为电压型， 而电压型高压变频器一般都装设有移 相变压器。在高压变频器、一电动机组启动瞬间，根据实验实测，移相变压器将 会产生57倍励磁涌流。3 .工频运行方式下在不考虑各种微小扰动时输入电动机的电流频率保持在5 0Hz;变频器输出侧频率将根据现场运行情况不断调整和变化，输出侧电流的频率可在0. 2400Hz内变化，同时变频器输出侧电流存在一定谐波 分量，尤其当电动机在低频段工作时，谐波分量更高。4.对于变频调速系统，由于附加了变频

57、器装置，变频器的输入电流和输出 电流在频率和相位上没有必然的联系.明确系统在变频、工频两种不同方式下运行时的差异后，我们下面对变频运 行方式下电动机保护面临的问题做出分析。 首先，电动机变频改造后，启动电流 大幅度降低，同时启动时间有所延长，这对按照躲过启动电流整定的保护和按启动时间整定的保护会带来一定的影响其次，由于目前常规相量差动保护都是针对工作频率为工频附近设计的，不适用于宽频率工作范围，这是影响电动机继续 使用相量差动保护的最大障碍；电动机相量差动保护的工作原理是基于比较电动 机两端电流的大小与相位的。然而变频器输入输出侧的电流在相位上不一致， 在 工频运行方式下的差动保护中，即使电动机在正常工作情况下也会有相当数量的 差流出现。综合以上两方面可以知道，变频改造后电动机差动保护的装设位置、 配置形式都会有很大的差别。再者，变频调速时候，由于谐波电流的影响，电动 机的发热量较工频运行方式下有所增加，这对电动机的温度保护会产生一定的影 响。另外由于其它