某電廠#1、#2鏈斗式連續卸船機提升機構驅動系統的改造

摘要：針對某電廠連續卸船機變頻器故障頻繁的現象進行了原因分析，提出并完成了提升機構變頻驅動控制系統的改造，使得變頻器頻報過流、過熱等故障的問題得到了有效解決，大大提高了卸船機運行的安全性及穩定性。

關鍵詞：卸船機;變頻器;原因分析;改造

1 設備概述

某電廠#1、#2鏈斗式連續卸船機（以下簡稱“卸船機”或“CSU”，即Continuous Ship Unloader）電控系統由蒂森克虜伯集成。其中，控制系統采用了AB公司提供的Logix5000系列PLC，配備了電源、處理器、數字量和模擬量輸入與輸出卡件等;驅動系統采用了Emerson CT公司的Unidrive SPMD系列交流驅動器，采用直流輸入，交流逆變器輸出，額定電壓為380～480 V，內含制動單元。

#1、#2卸船機自2007年投產以來，在日常使用過程中，其提升機構變頻器經常報過流、過熱故障，故障代碼為：O.ht1（熱模型功率過溫）、O.ht2（散熱器過溫）、OI.AC（檢測到瞬時輸出過流，峰值輸出電流大于225%）。由于變頻器故障頻繁發生，長期過流過載工作，變頻器IGBT硬件燒壞，只能采取更換受損變頻器的方式維持設備的使用，因此維護成本不菲，嚴重影響了卸船機的安全可靠運行。

2 變頻器故障分析

#1、#2連續卸船機的取料提升機構是由兩臺變頻器分別驅動兩臺提升電機，提升電機功率為160 kW，提升變頻器選用Emerson CT公司的SPMD1404。提升機構的變頻驅動控制方式采用主從控制方式，其中主驅動采用開環矢量速度控制，接收外部控制指令的給定，SPMD主驅動單元含有主控制單元;從驅動采用開環矢量轉矩控制，接收主機轉矩的給定，SPMD從驅動單元含有從控制單元和功率擴展電纜。兩套提升機構均未使用電機脈沖編碼器作為速度反饋。

經分析，當前提升機構變頻器故障頻頻甚至損壞，其根本原因是卸船機在主機廠進行系統集成時存在軟硬件設計缺陷。當卸船機鏈斗啟動時，主機先啟動，延時輸出轉矩的給定至從機，從機跟隨啟動，這樣就產生了變頻器運行的同步性差及出力不一致的問題。當前，這種控制方式不能夠使兩個變頻器的負載達到均衡，往往一個變頻器已經過載，而另一個變頻器出力不夠，甚至出現斗牛現象（即一臺提升電機工作在電動機狀態，另一臺提升電機工作在發電機狀態）。由于逆變器本身是具有一定短時過載能力的，如表1所示，出現此種狀況，說明此提升機構逆變器不是偶爾處于過載狀態，而是長時間處于過載狀態。

綜上所述，提升機構的兩臺變頻器經常處于過流狀態，而且有時存在很大的沖擊電流;而在整機的PLC控制程序中，并沒有相應的計算和邏輯處理應對這種惡劣情況，從而無法對變頻器進行有效保護，這就是提升機構變頻器經常報過流、過熱等故障進而燒毀的根本原因。

3 改造方案及過程

由于受設備實際狀態所限，無法加裝電機脈沖編碼器，實現更優化的閉環控制改造，故依據現場實際情況，本著經濟、合理、可靠及實施方便的原則，對提升機構變頻驅動控制系統進行了如下改造：

（1）在硬件設計上，將提升機構的兩臺變頻器并聯運行。把提升機構原主、從驅動的兩個變頻器合二為一，變更為使用一個變頻器同時驅動兩個提升電機，使用一個變頻器控制模塊，統一接收來自PLC控制器的指令。變頻器并聯后，統一輸出至兩臺電機，這樣，變頻器啟動時，提升機構的兩臺電機同步啟動，能夠降低提升機構因兩臺電機出力不平衡產生的振動，改善變頻器運行的工作環境。

提升機構的兩臺電機啟動模式改為并聯后，變頻器無法對單臺電機提供有效保護，因此，為有效保護變頻器功率模塊，抑制輸出諧波電流并改善功率因數，在逆變器輸出側增加匹配的輸出均衡電抗器;為保護電機，在電機進線側分別加裝匹配的電機保護單元。受原柜體空間所限，需要在現場額外增加一個控制箱，將需要增加的部件都安裝在箱體內。控制箱安裝在電氣房內，并根據新的硬件設計重新規劃相應的電纜接線。

（2）重新調試提升機逆變器。由于硬件連接經過優化，并且增加了硬件單元，變頻器中與電機等效電路相關的模型參數均發生了變化，需要重新對變頻器進行旋轉自整定測試、空載及重載調試，并調整相關變頻器參數。具體措施為：自整定結束后，對提升機構做空載試車，優化給定斜坡控制參數、電流環比例增益參數、轉矩控制參數、過載保護參數等，從逆變器側消除長周期過載可能性;空載優化后進行重載試車，在帶重載情況下對相關參數繼續進行調整，并記錄和對比各載重條件下的過程數據，如頻率給定、頻率、輸出電壓、電流等，直至達到最優。調試后變頻器的主要相關參數設定值如表2所示。

（3）優化相關PLC程序。本連續卸船機電控系統的驅動和PLC是通過Profibus DP進行相關控制的數據交換，例如PLC→變頻器的控制字和給定，逆變器→PLC的狀態字和各種反饋。由于對驅動參數進行了優化，原程序中與驅動通信和控制相關的硬件配置以及軟件編制都需要做相應的優化。同時，由于增加了電機保護單元，需將此部分信號接入PLC輸入模塊，作為驅動常規控制的聯鎖信號。

硬件改造完成后，同時還對相關PLC控制程序進行了修改調整，使之適應本次驅動硬件的改造。在PLC程序中增加了獨立的“防止提升機過載自動處理模塊”，此模塊可實時監控提升變頻器的運行參數。當變頻器有過載趨勢時，此獨立功能塊將立即介入變頻器控制，通過主動調整變頻器的控制參數實現動態優化，從而確保變頻器不會處于長周期過載運行狀態。

4 改造后效果

（1）項目改造節支收益：改造前，#1、#2卸船機的鏈斗提升機在額定負載下輸出總電流為430 A左右，經常出現過載，改造后鏈斗提升機在額定負載下輸出總電流下降為380 A左右，因此鏈斗提升機每運行1 h能節電37 kW·h左右（單臺提升機電機額定功率為160 kW），兩臺卸船機運行一天可節電1 776 kW·h，按投入率80%計算，每年運行292天，節約用電累計約520 000 kW·h，達到了節能降耗的作用，年累計節約電費約20萬元。

（2）設備故障節支收益：改造前，#1、#2卸船機鏈斗提升機構變頻器頻報過流、模塊過熱、IGBT損壞等故障，故障代碼為O.ht1（熱模型功率過溫）、O.ht2（散熱器過溫）、OI.AC（檢測到瞬時輸出過流，峰值輸出電流大于225%）。自2007年投產以來，變頻器已反復維修和更換了40臺次以上，每次每臺變頻器返廠維修更換元件需要4萬元左右，而采購一臺變頻器的成本高達10萬元，并且每次更換一臺變頻器需要5 h左右，費時費力，影響生產效率。綜合下來，改造后每年可節約費用約20萬元。

（3）兩臺連續卸船機的提升機構變頻驅動系統改造后，變頻器運行符合改造預期（圖1），變頻器電流（電機電流）、電機運行速度平穩，運行電流較之前減小10%左右。變頻器啟動時，提升機構的兩臺電機同步啟動，減小了提升機構因兩臺電機出力不平衡產生的振動，改善了變頻器運行的工作環境。最重要的是，變頻器頻報過流、過熱等故障的問題得到了有效解決，延長了變頻器使用周期，減少了日常檢修維護工作量及硬件成本，大大提高了卸船機運行的安全穩定性與工作效率，安全經濟，社會效益十分顯著。

5 結語

連續卸船機的安全穩定運行對于火電機組的可持續性發電是非常重要的，本文針對某電廠連續卸船機變頻器故障頻繁的現象進行了原因分析，提出變頻器長期過流過載工作，造成變頻器IGBT硬件燒壞，其根本原因是卸船機在主機廠進行系統集成時存在軟硬件設計缺陷。提升機構變頻驅動控制系統改造后，變頻器頻報過流、過熱等故障的問題得到了有效解決，確保了機組卸船機的安全穩定運行。

收稿日期：2021-06-15

作者簡介：邱樂平（1970—），男，廣東連平人，主要從事火電廠燃料管理與檢修工作。