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高压变频器在300MW汽轮发电机组凝泵上的应用


高压变频器在 300MW 汽 轮发电机组凝泵上的应 用
1 引言 变频调速装置可以使电动设备处于最佳运行状态, 大大提高运行效率, 达到节能的目的。 我国已对变频调速技术进行了一定的研究,主要用于中、小型设备上,如给煤机、给粉机、 中、小型风机、水泵及其它领域等,并得到了广泛的推广和应用。目前高电压大功率电动机 的变频调速装置也在推广之中。 我公司的 2X300MW 机

组凝结水泵,通过技术改造,大胆使用了 高压变频器,获得了很好的经济效益,并取得了一定的经验。 2 变频器节能原理 大家知道,异步感应电动机的转速 n 与电源频率 f、转差率 s、电机极对数 p3 个参数有 如下关系: n=60f(1-s)/p 改变其中任何一个参数都可以实现转速的改变。 变频器是通过改变电源频率 f 的方式来改变 电动机转速的。在异步感应电动机的设计制造完成后,转速与频率的线性关系既确定,如图 1 所示:

图 1 变频调速中转速与频率关系曲线

由于转速 n 与频率 f 之间为线性关系,从理论上分析调速范围在 0~100%内,线性度都 很好,因此变频调速是当今调速应用的生力军,随着科学技术的不断发展, 高电压大功率半 导体器件的出现,高压变频器应运而生,使发电厂大型辅机的调速运行成为现实。 从而省去由 于阀门、挡板节流等带来的功率损失,达到节能的目的,提高了发电企业的经济效益。 对于水泵,由流体动力学理论可以知道, 流量与转速的一次方成正比;扭矩与转速二次方 成正比;而泵的功率则与转速的三次方成正比。 n、 分别表示转速和功率,脚标“0”均表 用 N 示额定工况参数。当流量由额定值 Q0 降至 Q 时,与额定功率 N0 比较,采用转速调节的电机 的功耗为:

当流量由 100%降到 70%,则转速相应降到 70%,而电机的功耗降到 34.3% N0,也就是节 约电能 65.7%。扣除阀门调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降引起电机的效率下降等因 素,节电效果也是非常显著的。 3 凝结泵变频改造方案 凝结泵是汽轮机热力系统中的主要辅机设备之一, 它的作用是把凝汽器中的凝结水打入 低压加热器加热后送入除氧器内。 由于凝结泵采用定速运行, 出口流量只能由控制阀门调节, 节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低,且经常发生泄漏,造成能源浪费。而且 由于控制阀门为电动机械调整结构,线性度不好、调节品质差、自动投入率低;频繁的开关 调节,容易出现各种故障,使现场维护量增加,造成各种资源的浪费。 我公司 300MW 机组配备 2 台 100%容量的凝结水泵, 型号 9LDTNA4,额定流量 841m3/h,扬 程 280m,转速 1480rpm,配用 1000kW 的异步电动机,阀门调节。 现增设高压变频器采用无级调 速,功耗随机组负荷变化而变化,进而提高设备利用率,达到最佳经济运行模式的目的。改 造遵循“最小改动,最大可靠性,最优经济性”的原则。系统改造方案如图 2 所示。

图 2 凝结泵变频改造方案

从图 2 方案看出:用 1 台变频器连接 2 台电机,正常时变频器拖动 1 台凝泵变频运行, 另 1 台工频备用;当变频器或运行的凝泵发生故障时,备用凝泵可以工频运行,使用原来的 调节方式,保证机组运行。 3.1 变频改造方案的优缺点分析 充分利用变频器和现有设备,投资相对较少,既保留了原系统的控制操作方式不变,又 保证了系统改造后紧急状态下的工频恢复运行, 易于系统维护。 缺点:系统接线较复杂;需增 加高压断二次回路需要增加闭锁回路;定期切换操作较繁琐。 3.2 正常运行方式 正常时,比如#51 泵运行在变频调速状态下,电源通过#50 开关至变频器,然后通过 #510 输出至#51 泵电机。此时#52 泵的#52 凝泵工频开关处于备用状态,各开关的逻辑 关系如下: (1) 工频开关合闸条件:

(2) 变频器出口开关的合闸条件:

3.3 一台泵发生故障情况的运行方式 当变频控制的工作泵发生故障跳闸, 或出力不足等故障时, 另一台泵会自动工频投入运 行(与原自投方式一致)。将发生故障的泵处理好后,再按上述方式切换至变频运行。在此之 前备用泵只能工频运行,不能调速。 相关控制回路必须满足下列逻辑:

3.4 定期切换的顺序操作 (1) 合 52 凝泵工频开关,工频开启#52 泵,调整负荷由 52 凝泵接待。 (2) 断开 510 开关,合上 51 开关,#51 凝泵工频运行,调整负荷由 51 凝泵接待。 (3) 断开 52 开关,合上#520 开关将#52 泵接入变频器,变频控制开启#52 泵。 (4) 调整#52 泵变频运行接待全部负荷后,停#51 泵至备用,切换完成。 #52 泵切换到#51 泵,顺序相同。 3.5 选用变频器的选用 通过收资和调研,结合凝泵运行实际情况,决定采用国产引进型高压变频器,我们使用 了北京利德华福的 HARSVERT-A06/130 高压变频器,具体参数如表 1

表1

HARSVERT-A06/130 高压变频器的主要参数

此高压变频器特点: (1) 属于电压型高-高变频器,不需要另外加设输入、输出变压器,只要将变频器输入 端直接接在 6kV 的电网上,输出端直接接到 6kV 高压电动机上,联接简单方便。 (2) 整流电路采用 42 相整流,逆变回路采用独特的单相多电平控制技术,从而构成了 对电源和电动机都十分友好的双完美系统:电源一侧为完美无谐波输入,电动机一侧,输出 为完美的正弦波,直接联接原有凝泵电动机,不需要增加谐波滤波器。 (3) 综合运行效率高、 功率因数高。 由于采用了高压整流二极管和高压 IGBT 功率单元, 回路使用的器件大为减少,可靠性提高,损耗减小,加之采用独特的控制技术,变频器综合 效率在 97%以上。由于电源输入侧 42 相整流,功率因数超过 0.95。 (4) 控制回路采用高速单片机、 工控机和 PLC 共同构成, 实现多电平 PWM 控制和附加简 易矢量运算功能的 V/f 控制,控制响应快、精度高。采用了光电隔离技术

4 使用变频器的效益分析 (1)节约厂用电效果显著 表 2 是部分运行数据,对本机改造前后的电流做一个纵向比较,可以发现电流减小许多。 表 3 是某月的电能统计,做一个同类机组的横向比较,可以看出凝泵用电减少许多。 表3 某月的电能统计表

以每台机组年发电量 15 亿千瓦时计算,使用变频器可节约厂用电 330 万千瓦时,折合人民 币 100 万元。 (2) 减少电机启动时的电流冲击 电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的 7 倍;星角启动为 4~.5 倍;电机软启动器也要 达到 2.5 倍。 观察变频器起动的负荷曲线, 可以发现它启动时基本没有冲击, 电流从零开始, 仅是随着转速增加而上升, 不管怎样都不会超过额定电流。 因此凝泵变频运行解决了电机启 动时的大电流冲击问题,消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力,大大降低 日常的维护保养费用。 (3) 延长设备寿命 使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化,没有应力负载作用于轴承上, 延长了轴承的寿命。同时有关数据说明,机械寿命与转速的倒数成正比,降低凝泵转速可成 倍地提高凝泵寿命,凝泵使用费用自然就降低了。

(4) 降低噪音 我厂凝结水泵改用变频器后,降低水泵转速运行的同时,噪音将大幅度地降低,当转速降低 50%时,噪音可减少十几个绝对分贝。同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声,克服了由 于调门线性度不好,调节品质差,引起管道锤击和共振,造成给水系统上水管道强烈震动的 缺陷,凝结水泵变频运行后,噪音、振动都大为减少,变化相当可观。 总之,大型汽轮发电机组凝泵推广使用变频调速器,可以大幅度降低厂用电率,减少发电成 本,提高竞价上网的竞争能力。

频器基本参数在实际应用中的调试
变频器功能参数很多,一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用中,没必要对每一参数都进行 设置和调试,多数只要采用出厂设定值即可。但有些参数由于和实际使用情况有很大关系,且有的还相互 关联,因此要根据实际进行设定和调试。 因各类型变频器功能有差异,而相同功能参数的名称也不一致,为叙述方便,本文以富士变频器基本参数 名称为例。由于基本参数是各类型变频器几乎都有的,完全可以做到触类旁通。

一 加减速时间

加速时间就是输出频率从 0 上升到最大频率所需时间,减速时间是指从最大频率下降到 0 所需时间。通常 用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流, 减速时则限制下降率以防止过电压。 加速时间设定要求:将加速电流限制在变频器过电流容量以下,不使过流失速而引起变频器跳闸;减速时 间设定要点是:防止平滑电路电压过大,不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算 出来,但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间,通过起、停电动机观察有无过电流、过电 压报警;然后将加减速设定时间逐渐缩短,以运转中不发生报警为原则,重复操作几次,便可确定出最佳 加减速时间。 二 转矩提升 又叫转矩补偿,是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低,而把低频率范围 f/V 增大的方 法。设定为自动时,可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩,使电动机加速顺利进行。如采用手动补 偿时,根据负载特性,尤其是负载的起动特性,通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载,如选择不当 会出现低速时的输出电压过高,而浪费电能的现象,甚至还会出现电动机带负载起动时电流大,而转速上 不去的现象。 三 电子热过载保护 本功能为保护电动机过热而设置,它是变频器内 CPU 根据运转电流值和频率计算出电动机的温升,从而进 行过热保护。本功能只适用于“一拖一”场合,而在“一拖多”时,则应在各台电动机上加装热继电器。 电子热保护设定值(%)=[电动机额定电流(A)/变频器额定输出电流(A)]×100%。 四 频率限制 即变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障,而引起输出 频率的过高或过低,以防损坏设备的一种保护功能。在应用中按实际情况设定即可。此功能还可作限速使 用,如有的皮带输送机,由于输送物料不太多,为减少机械和皮带的磨损,可采用变频器驱动,并将变频 器上限频率设定为某一频率值,这样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。 五 偏置频率 有的又叫偏差频率或频率偏差设定。其用途是当频率由外部模拟信号(电压或电流)进行设定时,可用此功 能调整频率设定信号最低时输出频率的高低,如图 1。有的变频器当频率设定信号为 0%时,偏差值可作用 在 0~fmax 范围内,有的变频器(如明电舍、三垦)还可对偏置极性进行设定。如在调试中当频率设定信号 为 0%时,变频器输出频率不为 0Hz,而为 xHz,则此时将偏置频率设定为负的 xHz 即可使变频器输出频率 为 0Hz。

六 频率设定信号增益 此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。它是用来弥补外部设定信号电压与变频器内电压(+10v)的 不一致问题;同时方便模拟设定信号电压的选择,设定时,当模拟输入信号为最大时(如 10v、5v 或 20mA), 求出可输出 f/V 图形的频率百分数并以此为参数进行设定即可;如外部设定信号为 0~5v 时,若变频器输 出频率为 0~50Hz,则将增益信号设定为 200%即可。 七 转矩限制 可分为驱动转矩限制和制动转矩限制两种。它是根据变频器输出电压和电流值,经 CPU 进行转矩计算,其 可对加减速和恒速运行时的冲击负载恢复特性有显著改善。转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。假 设加减速时间小于负载惯量时间时,也能保证电动机按照转矩设定值自动加速和减速。 驱动转矩功能提供了强大的起动转矩,在稳态运转时,转矩功能将控制电动机转差,而将电动机转矩限制 在最大设定值内,当负载转矩突然增大时,甚至在加速时间设定过短时,也不会引起变频器跳闸。在加速 时间设定过短时,电动机转矩也不会超过最大设定值。驱动转矩大对起动有利,以设置为 80~100%较妥。

变频器基础知识 18 个问题 变频器基础知识------供初学者参考 1、什麽是变频器? 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的 电能控制装置。 2、PWM 和 PAM 的不同点是什麽? PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写, 按一定规律改 变脉冲列的脉冲宽度,以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写, 是按一定规律改变脉 冲列的脉冲幅度,以调节输出量值和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什麽不同? 变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流 的变频器,直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流 的变频器,其直流回路滤波石电感。 4、为什麽变频器的电压与电流成比例的改变? 非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产 生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那麽磁通就过大,磁 回路饱和,严重时将烧毁电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改 变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁 和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用於风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对於变频器驱动, 如果频率下降时电压也下降,那麽电流是否增加? 频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条 件下,电流几乎不变。 6、采用变频器运转时,电机的起动电流、起动转矩怎样? 采用变频器运转, 随著电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制

在 150%额定电流以下(根据机种不同,为 125%~200%)。用工频电源直接起 动时,起动电流为 6~7 倍,因此,将产生机械电气上的冲击。采用变频器 传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的 1.2~1.5 倍,起动转矩为 70%~120%额定转矩;对於带有转矩自动增强功能的变频 器,起动转矩为 100%以上,可以带全负载起动。 7、V/f 模式是什麽意思? 频率下降时电压 V 也成比例下降,这个问题已在回答 4 说明。V 与 f 的比 例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM) 中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择。 8、按比例地改 V 和 f 时,电机的转矩如何变化? 频率下降时完全成比例地降低电压, 那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不 变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此,在低频时给定 V/f, 要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。 可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择 V/f 模式或调整电位器 等方法。 9、在说明书上写著变速范围 60~6Hz,即 10:1,那麽在 6Hz 以下就没有输 出功率吗? 在 6Hz 以下仍可输出功率,但根据电机温升和起动转矩的大小等条件,最 低使用频率取 6Hz 左右, 此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发 热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为 0.5~3Hz. 10、对於一般电机的组合是在 60Hz 以上也要求转矩一定,是否可以? 通常情况下时不可以的。在 60Hz 以上(也有 50Hz 以上的模式)电压不变, 大体为恒功率特性, 在高速下要求相同转矩时,必须注意电机与变频器容 量的选择。 11、所谓开环是什麽意思? 给所使用的电机装置设速度检出器(PG), 将实际转速反馈给控制装置进行 控制的,称为“闭环”,不用 PG 运转的就叫作“开环”。通用变频器多 为开环方式,也有的机种利用选件可进行 PG 反馈。 12、实际转速对於给定速度有偏差时如何办? 开环时,变频器即使输出给定频率,电机在带负载运行时,电机的转速在 额定转差率的范围内(1%~5%)变动。对於要求调速精度比较高,即使负载 变动也要求在近於给定速度下运转的场合,可采用具有 PG 反馈功能的变 频器(选用件)。 13、如果用带有 PG 的电机,进行反馈後速度精度能提高吗? 具有PG反馈功能的变频器,精度有提高。但速度精度的植取决於PG本 身的精度和变频器输出频率的解析度。14、失速防止功能是什麽意思? 如果给定的加速时间过短,变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频 率)的变化,变频器将因流过过电流而跳闸,运转停止,这就叫作失速。 为了防止失速使电机继续运转,就要检出电流的大小进行频率控制。当加 速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失 速功能。 15、 有加速时间与减速时间可以分别给定的机种,和加减速时间共同给 定的机种,这有什麽意义? 加减速可以分别给定的机种,对於短时间加速、缓慢减速场合,或者对於

小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的, 但对於风机传动等 场合,加减速时间都较长,加速时间和减速时间可以共同给定。 16、 什麽是再生制动? 电动机在运转中如果降低指令频率,则电动机变为非同步发电机状态运 行,作为制动器而工作,这就叫作再生(电气)制动。 17 、是否能得到更大的制动力? 从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中, 由於电容器的容量 和耐压的关系,通用变频器的再生制动力约为额定转矩的 10%~20%。如采 用选用件制动单元,可以达到 50%~100%。 18 、转矩提升问题 自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化, 控制工艺指 标,如在烟草行业的糖料、香料工序,可由皮带称的流量信号来控制变频 器频率, 使泵的转速随流量信号自动变化, 调节加料量, 均匀地加入香精、 糖料。 也可利用生产线起停信号通过正、 反端子控制变频器的起、 停及正、 反转,成为自动流水线的一部分。此外在流水生产线上,当前方设备有故 障时後方设备应自动停机。变频器的紧急停止端可以实现这一功能。在 SANKEN、MF、FUT 和 FVT 系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个 频率, 在有些设备上可据此设置自动生产流程。 设定好工作频率及时间後, 变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行, 形成一个自动的 生产流程。 变频器选型:主要需要确定以下几点: 1) 采用变频的目的:恒压控制还是恒流控制? 2) 变频器的负载类型(如叶片泵或容积泵等,特别注意负载的性能曲线, 性能曲线决定了应时的方式方法。 3) 变频器与负载的匹配问题: A,电压匹配:变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 B, 电流匹配:普通的离心泵,变频器的额定电流与电机的额定电流相符。 对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数, 以最大电流确定电 流和过载能力。(szlg) C, 转矩匹配:这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 4) 在使用变频器驱动高速电机时。由于高速电机电抗小,高次谐波增加导 致输出电流值增大。 因此用于高速电机的变频器选型,其容量要稍大于普 通电机的选型。 5) 变频器如果要长电缆运行时,此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容 的影响,避免变频器出力不足,所以在这种情况下,变频器容量要放大一 档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6) 对于一些特殊的应用场合,如高温、高海波,此时会引起变频器的降容, 变频器容量要放大一档 变频器选型:首先确认变频器的安装环境: A,工作温度。变频器内部是大功率的电子元件,极易受到工作温度的影响, 产品一般要求为 0~55 度。但为了保证工作安全、可靠,使用时应考虑留 有余地,最好控制在 40 度以下。在控制箱中,变频器一般应安装在箱体 上部, 并严格遵守产品说明书中的安装要求,绝对不允许把发热元件或易 发热的元件紧靠变频器的底部安装。 B, 环境温度。温度太高且温度变化较大时,变频器内部易出现结露现象, 其绝缘性能就会大大降低,甚至可能引发短路事故。必要时在箱中增加干 燥剂和加热器。在水处理间,一般水汽都比较大,如果温度变化大的话, 这个问题会比较突出。 C, 腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大,不仅会腐蚀元器件的引 线、印刷电路板等,而且还会加速塑料器件的老化,降低绝缘性能。 D,振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时,会引起电气接 触不良和模块与散热器接触不良导致烧模块等。 淮安热电就出现过这样的 问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外,还应使 用抗震橡皮垫固定控制箱以及固定箱内产生振动的交流接触器等。 在设备 运行一段时间后,及时进行检查和维护。 E, 电磁波干扰。变频器由于需要整流和变频,周围产生了很多的干扰电磁 波,这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此,柜内的仪 表和电子系统,应该选用金属外壳,屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元 器件均应 可靠接地。除此之外,各电气元件、仪器及仪表之间的连线应 选用屏蔽控制电缆,且屏蔽层应接地。如果处理不好 电磁干扰,往往会 使整个系统无法工作,导致控制单元失灵或损坏


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