巧用電廠輸煤皮帶機變頻器

特約撰稿人:江蘇國信靖江發電有限公司 陳俊

巧用電廠輸煤皮帶機變頻器

特約撰稿人:江蘇國信靖江發電有限公司 陳俊

變頻器具有調速范圍寬、精度高,調速平滑、穩定可靠、電機調速特性硬,節能效果顯著等特點,很容易實現電動機的正、反轉,延長設備的正常工作周期和使用壽命,使操作和控制系統得以簡化,有的甚至可以改變原有的工藝規范,從而提高整個設備的控制水平,本文主要分析電廠輸煤皮帶機變頻調速運用的可行性.

目前,絕大多數燃煤電廠的皮帶輸送機都采用工頻拖動,較少使用變頻器驅動,由于電機長期工頻運行加之液力耦合器效率等問題,造成皮帶運輸機運行起來非常不經濟;同時由于皮帶機不能軟起軟停,在機械上產生劇烈沖擊,加速機械的磨損;還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護等問題,都會給發電企業帶來很大數額的生產費用問題.

隨著變頻調速技術的不斷成熟和提高,調速范圍寬、精度高,調速平滑、穩定可靠、電機調速特性硬,節能效果顯著等特點,已在電廠的凝結水泵、一次風機、增壓風機等廣泛運用,但在輸煤皮帶機上仍顯得信心不足和步履維堅,除擔心粉塵大環境相對惡劣外,還涉及電網電壓及電廠電壓的波動產生很大的壓降,導致變頻器停機.通過收資調研,這些問題都能得到很好的解決,不能因噎廢食.下面通過國信靖江煤碼頭項目中的皮帶機方案,從技術和經濟上說明變頻器(本方案采用ATV71變頻器)在輸煤皮帶機上運用的可行性.

圖1 基本結構圖

從圖1可見,2個電機之間的聯系僅僅靠皮帶,這是典型的柔性連接,為了保證整條皮帶有合適的張緊度,皮帶中間的一處或多處會設置張緊裝置,以方便進行調整,皮帶的邊沿會安裝各種的傳感器來檢測各種異常情況,以保證整個系統的安全運行;皮帶機通過驅動輪鼓,靠摩擦牽引皮帶運動,皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動;皮帶是彈性儲能材料,在皮帶機停止和運行時儲存大量勢能,皮帶機在啟動時應采用軟啟動,通過液力耦合器實現皮帶機的軟啟動,在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零,使電機空載啟動;同時采用液力耦合器軟起皮帶時,由于啟動時間短、加載力大,容易引起皮帶斷裂和老化,要求皮帶強度高,加之液力耦合器因長時間工作引起內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等問題的發生,不僅加大維護難度和成本、污染環境,還會使多機驅動同一皮帶時,難以解決功率平均和同步的問題.

變頻器皮帶機基本工作原理

電動機四象限動態運行分析:電機運行在第一、第三象限內時為電動態,其定子中的旋轉磁場、電機的輸出電磁轉矩與轉子的轉向同向,電機輸出的電磁轉矩是轉子的驅動力矩,此時電機從電網吸收的電能,將大部分由電磁轉矩作用到轉子上,以機械能形式輸出;電機運行在第二、第四象限內時為再生態,由于轉子切割磁力線的方向發生了改變,故電機作用到轉子上的電磁轉矩方向也發生改變,成為轉子的制動阻力力矩;此時電機轉子被負載的合成力矩拖著,以超過同步轉速的速度轉動,負載作用在皮帶機驅動輪轂上的機械能,由電機反饋回電網,是否選用四象限帶能量回饋的變頻器,要根據生產工藝情況做具體分析,這是一種適用于連續的生產線,如造紙生產線、煉鋼生產線,如果用在燃煤電廠分時工作皮帶機上,會帶來投資的浪費,因為帶回饋的多傳方案明顯比單傳動投資成本高.

圖2 三相異步電動機在四個象限運行的特征曲線

圖3 變頻驅動三相異步電動機在4個象限運行的特征曲線

變頻器驅動皮帶電動機的啟動情況可以分為電動態啟動、再生態啟動和空載啟動.為防止啟動時拖動系統速度不為零而造成皮帶機和變頻器發生過載的問題,變頻器在電機啟動前,預先輸出零赫茲的力矩電流,即對電機預先輸出一個直流力矩TL與負載力矩相平衡,保證拖動系統在啟動時初速度為零,這樣變頻器啟動后逐漸升高輸出頻率,并保持輸出轉矩基本不變(視啟動后負載力矩情況而定),實現電機的帶載啟動.當變頻器輸出頻率到達設定頻率后,電機按該頻率下的特征曲線運行.

圖4 變頻器驅動三相異步電動機電動態啟動和再生態啟動時,電機的特征曲線變化圖

國信靖江煤碼頭皮帶驅動方案

通過降壓變壓器把工廠高壓電網側的6kV電壓降至690V;考慮到大功率6脈波變頻器對電網的諧波影響,選擇12脈波整流變頻器,因為6脈波整流變頻器的諧波電流總畸變率(THDi)值一般都在35%左右;而12脈波整流變頻器的THDi值在12%左右,將大幅度降低諧波含量.

由于本方案推薦采用大容量的12脈移相整流變頻器,變頻器的進線側配置交流電抗器,以增大變壓器的電源阻抗,從而可有效抑制電源波動對變頻器造成的影響.

圖5 皮帶的驅動方案

變頻器的直流母線電壓高達1kV,其逆變器的輸出電壓的峰值有時能達到2kV以上,其電壓變化率du/dt對電機電纜和電機繞組的絕緣造成損傷.在不加輸出電抗器的情況下,非屏蔽電機電纜的長度也就是30m左右.為此,一般推薦選配出線電抗器,最遠距離能達到250m.

現場電動機的額定功率為400kW,選擇施耐德電氣提供的高精度重載型ATV71系列變頻器來驅動,其具體型號ATV71HC50Y,過載能力為150%額定電流持續1min,過轉矩能力達到170%持續1min.該款變頻器標配12脈整流橋,可以滿足工廠對電網的諧波要求.

圖6 變頻器的控制示意圖

控制方式如下:通過模擬量接口、操作面板電子電位器或通訊接口來接受外部的速度信號,通過數字量輸入接口、操作面板按鈕或通訊接口來接受起/停、復位及外部故障等信號.電機控制方式選擇無傳感器矢量方式,為了提供動態精度,也可以選擇閉環矢量方式,其特點是控制簡單,操作方便.

圖7 施耐德電氣ATV71變頻器的負載平衡的原理

一條皮帶的2套變頻器之間的負載分配的控制原理如下:通過調整2臺傳動裝置的滑差補償率,使得變頻器的速度調節器特性軟化,也讓承擔負載相對較重的這臺電機適當地降低運行速度,減少負載承擔,而去讓另外一臺電機能多承擔些負載,從而使2臺電機在速度不完全相同的情況下,保證兩者的負載承擔量基本相同,只需要使能負載平衡功能,并設置負載修正死區寬度及其頻率上、下限,即可使用.

變頻調速原理

三相高壓電輸入移相隔離變壓器,經移相隔離降壓多路交流輸出后,輸入到功率單元IGBT整流經濾波成直流,再經IGBT逆變輸出到電機,電機的位置速度傳感器反饋的信號經串行編碼傳輸方式,傳送給主控板及DSP數據運算處理,電流反饋經霍爾傳感器采樣通過信號板經模擬信號電路濾波處理后,傳給DSP主控板的AD采樣并運算;主控板與上位機的人機界面進行實時數據通信,并上報系統的各項運行參數和故障狀態;輸入輸出信號單元板與主控制器進行通迅,處理外部輸入輸出信號的控制功能.

6kV系列有15個功率單元,每5個功率單元串聯構成一相,每個功率單元在結構上完全一致,可以互換,其電路結構見下圖,為交-直-交單相逆變電路,整流側為二極管三相全橋,通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制.

圖8 功率單元結構圖

功率柜中每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣,二次繞組采用延邊三角形接法,實現多重化,以達到降低輸入諧波電流的目的.每個功率單元直接使用大功率器件,器件不必串聯,不存在器件串聯引起的均壓問題,結構上完全一致,可以互換,系統為基本的單相逆變電路,整流側為二極管三相全橋,IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制.

變頻器運用的投資效益分析

節約電能

皮帶機電機功率400kW,平均每天運行16h左右,日運輸煤碳3500t,采用變頻器后,輸煤皮帶機按實際需要功率出力,把變頻器輸出頻率設為39~40Hz,電機轉速比工頻速度適當降低,使皮帶運行速度與卸船機卸煤量相匹配,同時降低了運行電壓和電流,減小電能消耗,變頻調速運行比直接工頻運行可節約電能15%,以400kW電機每天運行16h左右計算,用電6400kW.h,每天節約電能960kW.h,以發電成本0.25元/kW.h計算,每臺每天可節約240元,一年每臺節約電能35萬kW.h,可節省8.64萬元.

節省維修費用

采用電機直接起動,不能調速,起動過程對電網、電機和傳動機械設備沖擊較大,加劇了機械設備的磨損,縮短了設備使用壽命和維修周期,增加檢修次數,也造成控制設備如真空接觸器、開關等的頻繁更換,增加了維修費用.采用變頻器可以實現皮帶運輸機的軟啟動,對電網和機械傳動設備基本無沖擊,延長設備使用壽命.除正常清潔維護外,停產檢修故障概率低,節約了維修成本,又保證生產不受損失.

有效減少人力資源

除正常清潔維護,沒有大量的維修工作,不必配備許多設備維修人員,操作簡單方便,運行穩定可靠.

變頻裝置電源保護定值整定計算

由于變頻器輸入與輸出電流的頻率和相位沒有必然聯系,不符合基爾霍夫電流定律,所以差動保護不能用在有變頻器的回路中.根據變頻器在電廠的運用經驗,以國信靖江電廠2000kW電動機為例,介紹其電源回路保護定值的整定計算,供同行參考.

設備參數

保護型號:7SJ68 ,7UT61;機端側CT參數:5P10,300/1A;零序CT變比75/1A;中性點側CT參數:5P15,300/1A;電動機參數:2000kW,額定電流為218.5A,最大啟動時間15s(典型時間,應以實測時間為準).

最小運行方式下,起備變供電時,按兩相短路校驗,機端兩相短路電流為:

高壓側過流保護

電流速斷高值段(冷負荷啟動I段保護)

躲電動機靜態啟動電流值:

長啟動保護(冷負荷啟動II段保護)

電動機起動時間過長,影響電動機的安全運行,提供長起動保護,對電動機的起動過程進行保護.經驗取2倍的電動機額定電流:

電流速斷低值段(定時限過流I段)

躲外部短路時電動機的最大反饋電流整定,經驗取0.7倍動作高值:靈敏度無 需校驗,滿足導則要求.

正序過流保護(定時限過流II段)

正序過流保護在電動機起動過程中不投入,在起動結束后自動投入.

電動機母線電壓下降、頻率下降,后續發生電壓升高、電流增大的現象,認為電動機發生自起動.發生自起動后,裝置速斷保護采用高值,正序過流保護退出;自起動結束后,速斷保護采用低值,正序過流保護投入.

過流保護其動作電流一般整定為1.3~2Ie,動作時間一般可整定為1.2~1.5tstmax,tstmax為電動機實測的最長啟動時間.

動作時間一般可整定為1.2~1.5tstmax,tstmax為電動機實測的最長啟動時間.時間:tdz=22s.

負序/不平衡保護

負序過流保護作電動機匝間短路、斷相、相序出錯、供電電壓較大不平衡的保護,對電動機不對稱短路故障起后備保護作用.

按照躲過區外不對稱短路且電動機負序反饋電流和電動機起備時,由于電流互感器誤差和暫態特性出現的負序電流,以及保證電動機在較大負荷兩相運行和電動機內部不對稱短路時,有足夠的靈敏度來綜合考慮計算.

負序Ⅰ段:按照躲過區外不對稱短路且電動機負序反饋電流和電動機起備時出現的暫態二次負序電流,以及保證電動機內部不對稱短路時,有足夠的靈敏度來綜合考慮計算.

動作時限:按躲過相鄰設備出口兩相短路的負序反饋電流持續時間,t1=0.5s.

負序Ⅱ段:按照躲過電動機正常運行時,且可能的最大負序電流和電動機在較小負荷兩相運行時,有足夠的靈敏度來考慮.

電動機過負荷保護

取超常反時限.啟動電流:Igfh= Ip= 1.15 Ie=0.84A .

取瞬時速斷定值Iop= Isd=7.65A ,跳閘延時為t =0.3s.

電動機過熱保護

熱過負荷保護用來防止被保護設備因熱過負荷而損壞.此保護功能,以被保護設備熱容量為模型(帶記憶容量的過負荷保護).過負荷熱量積累及散熱的過程,均被加以考慮.

裝置通過在各種運行工況下,建立電動機的發熱模型,對電動機提供準確的過熱保護.

4202 K因子:K=1.1;4203熱時間常量:τth=8min(由廠家提供);熱告警段:θwarm/θtrip=80%;電機靜止修正因子:kτ=1;緊急啟動時間:

100s;電流告警段定值:I = 1.15 Ie =0.84A .

高壓側零序過流保護

零 序動 作 時 間:t0.dz0.2s .

低電壓保護

不允許停轉后,突然上電時自啟動,根據工藝要求,加裝9s的低壓保護,動作于跳閘.Uop=45V,top=9.0s.

通過對國信靖江煤碼頭皮帶驅動方案的分析,能夠證明輸煤皮帶機采用變頻器后可以實現軟起、軟停運行的方式,改變以前電機工頻恒速運行的模式,根據負載變化,自動調整輸出頻率和輸出力矩,具有顯著的節能效果和控制品質,節約了設備的維護和維修費用,對提高企業競爭力、降低發電成本具有積極意義.