垃圾發電廠變頻器應用實例

陳日光

（廈門市環境能源投資發展有限公司，福建 廈門 361000）

火力發電廠中各種輔機為滿足主機出力波動要求，多數風機和水泵的流量均需要調節，傳統的調節方式為節流調節，存在反應慢、調節精度低、能耗大等問題。而變頻器作為一種電能控制裝置，以其調節性能優良、節能效果好等因數，已被廣泛應用在電廠的風機、水泵等流量調節和速度調節中。

1 變頻器在垃圾發電廠應用實例

1.1 變頻器在引風機方面的應用

引風機是電廠的重要設備，通過控制引風機的開度調節風量，維持爐膛負壓在一定范圍內運行。如果爐膛負壓太小，爐膛容易向外噴爐內空氣，既影響車間環境衛生，又可能危及設備和人員的安全；負壓太大，爐膛漏風量增大，增加風機的電能消耗和煙氣熱量損失。因此控制引風機的開度，穩定爐膛負壓，對保證鍋爐的安全、經濟運行具有十分重要意義。

環能一廠機組設計出力為6MW，鍋爐為機械爐排垃圾焚燒爐，引風機額定風量為 95040m3/h、風壓為6600Pa，所配的電動機額定功率為250kW，額定電壓為380V，額定電流455A，電機調速采用ABB ACS600變頻器以實現風機開度調節。

引風機運行操作主要通過DCS控制，運行方式分為手動控制和爐膛負壓PID調節自動控制兩種，正常運行時，引風機出口風門擋板全開（100%指令狀態），由 PID調節器通過控制風機轉速穩定爐膛負壓。所有數字量輸入、輸出接口模塊主要是接受外圍遠程控制信號，實現引風機的聯鎖保護、閉鎖邏輯和控制功能。同時變頻器還對電動機進行保護。變頻器控制系統現場部分端子信號清單（見表1）。

表1

1.2 變頻器在起重機方面的的應用

垃圾焚燒電廠中所有進廠垃圾都是先存儲在垃圾坑里，一般堆放約3～5天，充分發酵后才投入焚燒爐燃燒，在投入時就使用垃圾起重機將垃圾投入給料斗。環能一廠起重系統是由兩臺垃圾起重機組成，每臺垃圾起重機都有獨立的電動機控制系統和供操作人員使用HMI控制盤和PC機。操作方式分手動或自動以及半自動模式。其中大車電機、小車電機和提升電機均采用芬蘭生產的 DYNA V55F36變頻器進行控制。起重機傳統的調速方式大多為轉子串電阻分級調速，在實際應用中存在以下弊端：

1）控制精度差。采用電動機轉子串電阻調速，屬于有級調速，在不同速度段的切換中存在速度跳躍，其控制比較粗糙，定位不準確。

2）工作可靠性不高。由于在電動機轉子側串接的電阻很多，而在分段調速過程中采用接觸器短接上一級電阻，接觸器的壽命主要體現在它的機械部分的壽命，常因過流使觸點粘在一起，無法實現切換，進而造成超速等事故發生，嚴重影響系統的可靠性。

3）維護工作量大。由于采用接觸器對電阻進行分段切換，因此必須經常對接觸器進行維護，大大增加維護人員的工作強度。

4）耗能。電動機轉子串電阻調速是一種轉差功率消耗性的調速方式，在整個調速過程中，大量的電能被消耗在電阻上，非常不經濟。

5）穩定性差。電動機轉子串電阻調速，當在低速運行時，穩定性差。因為速度越低，特性越軟，負載轉矩波動時，引起轉速變化大，使運行穩定性差。

通過采用變頻器取代，具有以下優勢：

（1）控制精度高。能使交流電動機的調速性能與直流電動機的幾乎相等，實現精確控制。

（2）工作可靠性高。變頻器采用的是電子器件，壽命長，且有完善的保護功能。

（3）維護工作量大大減少、實現無級調速，調速范圍。

（4）節能效果明顯。特別是在提升機上，當提升機處于提升狀態時，電動機處于電動狀態，由于提升屬恒轉矩負載，其轉速降低多大比例節能就為多大比例。當電動機處于下降狀態時，電動機處于發電狀態，將勢能轉化為電能。

2 變頻器常見故障分析及處理

變頻器一般具有高度的智能化水平和完善的故障檢測電路，并能對所有的故障進行精確的定位，在HMI界面做出提示。在實際應用中經常遇到故障主要有光纖故障、過電壓故障、缺相故障、過熱故障、驅動故障等，現就這些故障發生的原因和處理方式作簡要分析。

2.1 光纖故障

在變頻器中功率單元屬于高壓部分（動力部分），控制器屬低壓部分，為實現低壓與高壓隔離，已保證極高的安全性，同時控制器與功率單元有一定的安全距離，為保證在遠距離信號傳輸中仍然具有很好的抗電磁干擾性能，控制器與功率單元之間采用光纖通信技術，光纖及光纖信號發送/接收器作為控制器與功率單元的通信介質。出現光纖故障一般有以下幾種情況：

①功率單元與控制器之間的光纖連接頭脫落或者接觸不良；②光纖信號發送/接收器內部積灰嚴重；③光纖折斷；④光纖通信電路控制板部分器件損壞或者受溫度影響工作不穩定，如器件老化、芯片插座松動等。

出現光纖故障時，首先需要判斷是功率單元側出現故障還是控制器側故障，在不明確哪一側的情況下，應在變頻器斷電后，根據HMI界面的故障記錄用備用功率單元替換所懷疑有故障的功率單元，然后重新上電，如果故障消失則可判定屬功率單元故障，如果故障依然存在則應是控制單元故障，此時應更換控制器中的光纖通信板。

2.2 過電壓故障

變頻器過電壓故障是各種功率單元內直流母線電壓達到危險程度后采取的保護措施，在處理此類故障時要分析清楚故障原因，有針對性地采取相應的措施去處理。正常情況下，直流母線為三相交流輸入線電壓的峰值，即如輸入為 AC400V，則直流母線電壓Ud=1.411×400=565.6V。在過電壓發生時，直流母線的儲能電容電壓將上升，但電壓上升到一定值時（通常為正常值的10%～20%），變頻器的過電壓保護動作。而引起變頻器中間直流回路過電壓的原因主要有兩方面：

1）來自電源輸入側的過電壓。正常情況下輸入電壓波動在額定電壓-10%～10%以內，但是特殊情況下，電源電壓波動可能過大，由于直流母線電壓隨電源電壓上升，達到保護值時變頻器就因過電壓保護跳閘。電源輸入側過電壓主要由于電源側沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、補償電容在投入或退出時形成的過電壓等。主要特點是電壓變化率du/dt和幅值都很大，此時最好斷開電源進行檢查處理。

2）來自負載側過電壓。由于某種原因使電動機處于再生發電狀態，即電動機實際轉速比變頻器頻率決定的同步轉速高時，負載的傳動系統所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過各個功率單元逆變橋的四個 IGBT管中的續流二極管返回到直流母線，這些能量導致直流回路的電解電容的電壓迅速上升引起過電壓。其現場操作的主要處理方法是延長變頻器減速時間參數，當變頻器拖動大慣性負載時，由于減速時間設定過小，在減速過程中，變頻器減速速度過快，而負載由于依靠其自身阻力減速的比較慢，使負載拖動電動機的速度大于變頻器頻率所對應的速度，電動機處于發電狀態。有些變頻器還設置防止減速過電壓功能，即在減速過程中，檢測直流母線電壓達到一定值時，變頻器的輸出頻率不再下降，暫緩減速，待直流母線電壓下降后再繼續減速，避免出現直流母線過電壓。

2.3 缺相故障

缺陷故障保護是指變頻器各功率單元交流輸入側電壓三相中至少有一相缺少而采取的保護，出現缺相時會引起整流模塊發熱、過流以及直流母線電壓降低，雖然在缺相狀態下設備也能繼續運行，但整流橋中個別器件電流過大及電解電容的脈沖電流過大，長期運行將對變頻器的壽命和可靠性造成不良影響，應及時處理。處理時應根據具體原因進行。主要原因有：①電網發生故障或輸入電源缺相；②移相整流變壓器二次側短路；③整流變壓器三相進線接線螺栓松動，或者整流變壓器與功率單元的連接線路松動故障等；④缺相檢測保護電路異常，這種情況更換檢測板即可。

2.4 過熱故障

變頻器在運行中由于功率器件整流橋、IGBT管、移相整流變壓器等自身消耗功率會散熱，內部溫度較高，如果熱量不及時散出，長期對變頻器的壽命大大降低，嚴重時會引起元器件損壞，功率單元過熱保護主要是功率器件在一定電流下運行，器件基板的溫度達到規定的溫度時采取的一種保護措施，變頻器元器件消耗功率主要包括通泰損耗和開關損耗，其結果使基板溫度tc和半導體結溫tj上升，如圖：

一般能引起功率單元過熱原因有：①環境溫度過高，散熱效果差，變頻器內部溫度高；②測溫元件連接線斷開或元件出現故障；③功率單元冷卻風機故障；④進風口或出風口不通暢，風道阻塞或濾網堵塞；⑤變頻器長時間過載運行；⑥過溫監測電路出現異常。

變頻器出現過熱故障時，可按以上原因排除處理。

2.5 驅動單元故障

IGBT是變頻器最關鍵的功率器件，具有電流容量大、工作頻率范圍寬能優點。對IGBT管的保護一般都為過電流保護，即IGBT保護電路檢測輸出端或者直流環節的總電流，當電流超過設定值時，比較器翻轉封鎖所有的IGBT驅動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零，同時給CPU處理器發出故障信號。

通常引起變頻器驅動故障原因有：①變頻器輸出短路；②功率單元內 IGBT被擊穿；③驅動檢測電路損壞；④檢測電路被干擾。

通常情況下，變頻器出現驅動故障后，要杜絕輕易貿然復位變頻器后再次重新啟動，以防止變頻器的二次損壞。正確處理措施是根據監控界面的故障定位找到相應的模塊，拆開檢查IGBT是否損壞。具體判斷方法是：找到功率單元內部直流母線的正極 V+及負極 V-，用數字萬用表二極管檔，將黑表筆接到V+，紅筆分別接到U、V上，此時表指示數值應該顯示在 0.4左右，反向則應該顯示無窮大；將紅表筆接到V-上，重復以上步驟，應得到相同的結果，否則可判斷IGBT管已損壞。

3 變頻器維護和檢查項目及注意事項

1）變頻器雖然具有較高的可靠性，但現場的維護檢查也是決定設備長期穩定運行的重要因數，其日常檢查主要項目有：

①檢查所屬輔機（電動機運轉正常）；②檢查變頻器溫度、通風情況，保證變頻器良好的通風散熱條件；③檢查變頻器是否有異常聲響、異味，柜體是否發熱、異常震動；④檢查輸入/輸出電壓、電流情況是否在正常范圍內；⑤注意在柜子周圍不應有蒸汽等氣源，否則會嚴重損壞變頻器；⑥新入變頻器一個月后，應將主回路的電纜連接緊固；以后半年緊固一次，用吸塵器清除柜內灰塵；⑦如果變頻器長期未投入使用，建議半年通電一次，每次時間不少于1h；當空氣濕度較大是否也應上電，這樣可以防止變頻器內器件及電路板受潮，又可激活電解電容，防止變頻器內的電解電容發生漏電、耐壓降低的劣化現象。

2）進行變頻器維護和檢查應注意以下幾方面：①變頻器運行環境要防靜電和電磁干擾，濕度、溫度、粉塵均需達到規定要求，盤柜所有電纜進線應封堵，運行過程不允許長時間打開柜門；②在檢查過程應注意變頻器功率單元中的電容器殘余電壓，經充分放電后才可進行；③不允許用絕緣電阻表測量變頻器的輸出絕緣，否則會使功率單元的元器件受損。

4 結論

實踐證明，變頻器在垃圾發電廠輔機的應用，不僅可以提高其自動化程度，同時也起到很好的節能效果。但由于垃圾發電廠自身特點（如車間含有較多的酸性和腐蝕性氣體、運行調整操作頻繁等）約束，在實際運行中，為確保變頻器工作可靠性以及使用周期，應加強對變頻器運行維護，故障時應能根據報警信息準確判斷故障性質，及時采取有效措施，以便第一時間恢復生產。

[1]張燕賓.實用變頻調速技術培訓教程[M].北京:機械工業出版社, 2004.8.

[2]倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,2008.2.