變頻器在設備改造中的應用和研究

史恒亮,趙寶亮,李文博

(山東?；瘓F有限公司,山東 濰坊 262737)

山東?；煞萦邢薰臼且患掖笮途C合性海洋化工企業(yè),1998年5月在深圳證券交易所上市,是全國重要的基礎化工原料制造企業(yè)和全國最大的純堿制造企業(yè),純堿、原鹽、溴素、純堿等眾多產(chǎn)品廣泛應用于化工、冶金、建材等行業(yè)和領域,多種產(chǎn)品產(chǎn)能位居全國前列。

1 項目概況

火電廠1#、2#爐一、二次風機電機高壓變頻器2015年投運,隨投運時間增長,運行過程中多次出現(xiàn)功率模塊故障, 嚴重影響鍋爐設備的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。功率單元和主控系統(tǒng)的板件是高壓變頻器的核心部件,內(nèi)部具備多種電力電子元器件,一定時間的運行后,受到環(huán)境中磁場、溫度和灰塵以及其他不確定的因素影響,其電力電子元器件和PCB電路板等會發(fā)生功能老化,導致故障頻發(fā),嚴重影響設備運行,大大降低變頻器投用率。

2 GD5000系列變頻器總體系統(tǒng)構成

2.1 系統(tǒng)功能介紹

切換柜:根據(jù)不同的需求通常有三種形式,分別為手動開關柜、自動開關柜、隔離式自動開關柜;完成變頻、工頻轉換、工頻切換等動作。

移相變壓器柜:由移相變壓器與上電緩沖電路構成(100 A以下不設緩沖回路,利用變壓器漏感緩沖,100～245 A設緩沖部分,290 A以上獨立成柜)。高壓四象限變頻器功率單元整流側采用IGBT取代傳統(tǒng)兩象限高壓變頻器的二極管,由于IGBT反并聯(lián)二極管抗沖擊能力沒有整流二級管強,因此高壓四象限變頻器(不管多大功率)輸入側均設置上電緩沖環(huán)節(jié),減小上電瞬間對電網(wǎng)沖擊。

功率單元柜主要存放功率單元,按照標準配置6 kV每相5個單元,10 kV每相8個單元。

控制柜為整個變頻器的核心部分,完成對變頻器各組成部分的邏輯控制集成變頻器的輸入、輸出電壓和電流的訊號信息,完成電機控制算法等。

2.2 變頻器工作原理介紹

圖1 變頻器的主拓撲結構

變頻器的主拓撲結構采用單元串聯(lián)方案,單元串聯(lián)多電壓源高壓變頻器采用低壓單相變頻器串聯(lián),以補償功率器件IGBT的耐壓能力不足。多重性是指每相中幾個低壓電源單元的串聯(lián),每個單元由多繞組移相隔離變壓器供電。隔離變壓器為三相干式整流變壓器,風冷,具有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。變壓器次級繞組的數(shù)量取決于逆變器的電壓等級和結構。6 kV系列有15個,10 kV系列有24個。擴展的三角形連接為每個電源單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側諧波含量,15組繞組分為5大組,24組繞組分為8大組,3個功率單元作為一組,組內(nèi)相位相同,同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相,從而形成了5組移相30脈沖,8組48脈沖的多重化整流方式。

3 方案實施與改造

3.1 主回路方案的改造

為確保設備運行穩(wěn)定,改造期間通常保留工頻運行回路,簡單說就是增加工頻或在變頻旁路增加切換柜,通過系統(tǒng)控制自由切換到工頻運行或變頻運行,檢修時系統(tǒng)可繼續(xù)工頻運行,以避免生產(chǎn)中斷。英威騰提供的GD5000系列高壓變頻器拖動控制方案有幾種供用戶選擇,分別為手動切換方案和帶隔離自動切換方案,針對本項目需求,方案如下:

2#LF爐除塵風機選擇一拖一手動旁路方案;

1#、2#連鑄機二冷蒸排風機選擇一拖一手動旁路方案;

1#、2#轉爐高壓熱水循環(huán)泵選擇一拖三手動旁路方案;

1#、2#轉爐高壓給水泵選擇一拖二手動切換方案。

圖2 一拖一手動切換方案

一拖一手動旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”的聯(lián)鎖規(guī)范要求進行設計,變頻器輸出端QS2和旁路高壓隔離開關QS3機械閉鎖,能確保變頻調(diào)速系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。在變頻運行的狀況下,QS1、QS2閉合,QS3斷開。若由手動切換至工頻運行,先暫停變頻器正常輸出,斷開用戶開關,同時通過機械操作依次斷開QS1、QS2,再將機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側,合上用戶開關,達到電機工頻運行;在工頻旁路運行狀況下,QS3閉合,QS1、QS2斷開。如需手動切換至變頻運行時,系統(tǒng)先斷開用戶開關,由機械操作斷開QS3,然后由機械操作依次閉合QS2、QS1,使電機切換至變頻側,再合上用戶開關。此時需要注意,在變頻器變頻切工頻模式運行后,并不代表變頻器能完全實現(xiàn)與工頻電源的安全隔離,故在未脫開工頻電源前,嚴禁對變頻器進行維護檢修,以免發(fā)生安全事故。

3.2 電機側的改造

1)施工說明

①現(xiàn)場進行變頻改造代替液耦調(diào)速方式,由于液力耦合器自身種種弊端,考慮到長期運行穩(wěn)定性,因此需拆除液力耦合器將電機移位與負載采用直接連接方式:

②為確保設備投運后的安全、穩(wěn)定,對電機移位后與負載直聯(lián)的磨擦片接手必須重新定制;

③底腳孔要采用鉆孔成型,底腳螺栓要用聚合環(huán)氧樹脂澆注工藝;

④完畢后需要重新進行電機的動平衡試驗。

2)變頻運行

按變頻正常操作步驟帶負載運行即可。

3)工頻運行

當變頻器出現(xiàn)設備故障或檢修時,通過變頻器旁路切換到工頻運行。采用原來的啟動方式。此時工頻運行無液耦,要充分配合擋板,以達到調(diào)節(jié)風壓、流量的目的。

4)突出優(yōu)點

變頻改造得徹底,節(jié)電效果最明顯。

3.3 控制系統(tǒng)的改造(變頻器的控制方式)

高壓變頻器采用遠程(上位機)進行啟動、停止操作、運行頻率設定和運行狀態(tài)實時監(jiān)控,實現(xiàn)了根據(jù)爐膛壓力來進行轉速精細、微調(diào)控制功能。

4 現(xiàn)場實施

4.1 安裝基礎及現(xiàn)場改造

變頻器柜體必須豎直安裝在混凝土澆注平整槽鋼地基架上,表面整體不平整度小于5 mm?；A必須由不燃材料制成,表面光滑、無磨損、防潮,并能承受變頻調(diào)速系統(tǒng)的重量。電纜鋪設管道必須由不可燃材質制成,表面光滑、無磨損,要防潮、防塵,并且具備防止動物進入的措施。詳見圖3、圖4。

圖3 基礎要求示意圖-接地要求

圖4 基礎要求示意圖-地溝及預埋件

1)并柜的要求簡單來說就是正面、背面對齊,柜子之間的縫隙要盡可能小;單面維護的盡量把柜頂上的角鋼連接安裝好。

2)把變頻器的底座和支架或預埋件做焊接處理,一般單個柜子保持有4個焊接點就行。

3)線路連接-移相變壓器的接線,變壓器二次側連接方式,線路連接-功率單元接線,單元上的輸入電纜在安裝時注意不要碰到單元導軌,以防時間長了損壞電纜絕緣。

4)線路連接-無感盤上的接線在出廠時其他線路都已經(jīng)接好,現(xiàn)場只需要接隔離變壓器的電源輸入線、通訊光纖。

5)移相變壓器溫度控制儀上的接線就按照電氣原理圖連接就可,如下圖5所示;

圖5 移相變壓器溫度控制儀電氣原理圖

6)門禁、旁路柜、風機線路按電氣圖紙連接。

4.2 上電調(diào)試過程

4.2.1 常規(guī)檢查和測試

做常規(guī)檢查、確認。調(diào)試前檢查柜體外觀,表面不應有刮傷痕跡,整機裝配要完好,不存在變形、磕碰等不良現(xiàn)象;柜體內(nèi)無雜物,柜體上銘牌的型號要與設備一致;要檢查靠近主控柜的功率單元柜中引出的電壓檢測板輸入、輸出屏蔽線的屏蔽層單端接地,轉速追蹤板的輸入、輸出屏蔽線單端接地,系統(tǒng)接地等情況;要確認移相變壓器與功率單元之間的連接線牢靠程度,接線順序;要核實控制板、光纖驅動板和每個電源單元之間的光纖跳線連接情況;觸摸屏的屏蔽線一端接地,開關柜的輸入電流檢測線的屏蔽線另一端接地;明確檢查控制系統(tǒng)的接線是否與電氣接線圖一致。

4.2.2 變頻器耐壓測試

變壓器到現(xiàn)場時最少已做過2次耐壓測試,屬于破壞性試驗。建議以變頻器額定電壓的1.8倍;再做一次耐壓測試。測試時注意連接電纜,拆除避雷器,變壓器二次側需要全部短接接地。檢查接線是否正確且無短路后,打開控制電源。檢查門禁信號、柜頂風機運行方向(風機外殼上有轉向標志);和廠家進行模擬信號對接工作,選擇一個空余S端子與COM短接,設置功能為45:調(diào)試信號輸入,可以進行模擬運行以及除模擬量反饋信號外的用戶需要的信號進行測試。變頻器與高壓斷路器互鎖測試:此時要注意,在進行工變頻切換操作時,切換前,需在觸摸屏上的“指令擴展”點“切斷高壓電”,否則會報“旁路柜操作錯誤故障”。分合刀閘時,必須確認設備已經(jīng)停止,高壓電源已經(jīng)切斷,以防范安全事故。

4.2.3 控制電源測試

JTC1、JTC2 串聯(lián)接入高壓斷路器合閘線圈,JTO1、JTO2并聯(lián)接入高壓斷路器分閘線圈;此時注意,如果工藝允許,可以將變頻器的故障輸出并入分閘回路,接這個電路時需要把端子矩陣X40-1、X40-2之間的短接片去掉。X40-2上有接入交流電源,高壓斷路器的控制回路為DC220V電源上高壓電源測試。首次上高壓電時要保證柜門關好,相關人員站位須距離柜體5 m,無關人員離開房間,送電操作員和現(xiàn)場觀察的人員需有人陪同,穿戴好相關防具,送電后觀察變頻器在充電過程中有無異常,有異常需及時斷電,逆變器準備就緒后通過觸摸屏觀察輸入電壓是否正常。帶載試機,先手動點動運行,確認電機方向,頻率慢慢往上加,隨時觀察電機運行是否異常,如電磁噪音、機械噪音、振動等;直至額定頻率運行。

5 結 語

隨著我國新型電力系統(tǒng)的構建,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)物質基礎、技術基礎等都將發(fā)生重大變革,亟需探索轉型可行路徑及重大問題解決之道,為電力行業(yè)中長期發(fā)展提供參考。本項目研發(fā)成功對電廠提供了高壓風機的節(jié)能經(jīng)驗,行業(yè)借鑒價值較大。