浅析变频技术在高压电机调速改造中的应用

1高级技师专业论文工种：维修电工题目：浅析变频技术在高压电机调速改造中的应用作者：张彩萍身份证号：61210219**********申报等级：维修电工高级技师单位：陕钢集团汉中钢铁有限责任公司动力能源中心日期：2015年6月30日2目录摘要................................................3主题词..............................................31.高压变频器工作原理...............................42.传统电动机保护配置...............................53.目前变频器电动机保护配置.........................64.高压电动机变频二次回路控制原理...................75.变频改造方案.....................................86.同步电机变频调速难点及相应措施...................97.同步电机变频改造实例.............................128.参考文献..........................................159.致谢..............................................153浅析变频控制在高压电机调速中的应用作者：张彩萍【摘要】：随着变频技术的快速发展，变频调速技术在节能领域的广泛应用，变频技术已被广泛应用于不同领域的交流调速。本文通过分析变频器在风机控制系统中的应用，变频节能原理和分析变频技术改造的优点等方面，以及二次回路改造方面探讨了变频技术在风机节能改造中的应用。【主题词】：变频控制调速节能应用变频调速技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等。V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导体技术的飞速发展，MCU的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。而现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式，这要求其控制器有很强的PWM生成能力。根据国家能源政策的要求，节能减排工作已全面展开，而在大型钢4铁联合企业，厂用电率的降低势在必行。对于占厂用电绝大部分的高压电动机来说，节能领域的重要技术措施就是高压变频技术的应用。随着电力电子技术的发展，变频器在电厂得到了广泛应用。目前的钢铁企业，重要设备如高炉除尘风机、烧结机头除尘风机等，电能消耗非常大，一般均要求考虑配置变频器拖动；越来越多的高能耗电机已完成高压电动机采用变频器的改造。高压电动机采用变频器拖动后，电动机保护如何配置才能保证机组安全可靠的运行，成为变频改造技术和二次改造需要关注的问题。一、高压变频器工作原理高压变频器是一种串联叠加性高压变频器，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电。按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：n=（1–s）60f/p=n。×（1–s）（P：电机极对数；f：电机运行频率;s:滑差）从式中看出，电机的同步转速n。正比于电机的运行频率（n。=60fp），由于滑差s一般情况下比较小（0-0．05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。变频器由变压器柜、功率柜、控制柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆5变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。1、移相式变压器移相变压器的副边绕组分为三组，构成X脉冲整流方式；这种多极移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，这样大大提高了可靠性。2、智能化功率单元所有的功率模块均为智能化设计具有强大的自诊断指导能力，一旦有故障发生时，功率模块将故障信息迅速返回到主控单元中，主控单元及时将主要功率元件IGBT关断，保护主电路；同时在界面上精确定位显示故障位置、类别。在设计时已将一定功率范围内的单元模块进行了标准化考虑，以此保证了单元模块在结构、功能上的一致性。当模块出现故障时，在得到报警器报警通知后，可在几分钟内更换同等功能的备用模块，减少停机时间。3、双DSP控制系统主控器的核心为双DSP的CPU单元，使指令能在纳秒级完成。这样CPU单元可以很快的根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息，快速的完成对功率单元的监控。二、传统电动机保护配置异步电动机在运行时主要的电气故障有定子绕组相间短路故障、绕6组的匝间短路故障和单相接地故障；不正常运行状态主要有过负荷、堵转、起动时间超时、三相供电不平衡或断相运行、电压闪变等。因此，对于高压电动机，根据规程以差动保护或电流速断为主保护，以过负荷保护、过流保护、零序保护及低电压保护等作为后备保护，外部因数以机组故障、润滑、温度等保护。三、目前变频器电动机保护配置为保证电力系统的可靠性，高压电动机一般采用变频器带工频旁路，以便即使在变频器检修时也可通过工频旁路，保证电动机的正常运行。如图1其中k1、k2开关保证变频器检修时，与主回路无接触点，此时k3开关闭合，电动机通过旁路运行。当电动机通过旁路运行，此时由高压母线工频电压直接驱动电动机，进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及电动机本体。因此，此时应该按照常规电动机保护的要求配置电动机保护，有差动保护要求的，需要配置电动机差动保护。当旁路开关K3断开，电动机由变频器拖动时，进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及变频器。由于目前变频器一般由整流变压器、控制柜等部分构成，即进线开关QF处保护装置的保护对象是开关出线以及整流变压器。此时电动7机成为与母线隔离后高压变频器的负荷，因而电动机的保护应由高压变频系统的控制器实现。对于6～10kV整流变压器，一般对其配置常规变压器后备保护，在定值整定时和常规变压器略有差异。此时电动机常规差动保护由于开关处电流和电动机中性侧电流频率不一致，无法进行差动保护，只能退出。目前一般电动机保护配置有：电动机保护测控装置、电动机差动保护装置。电动机保护装置根据变频和工频的切换通过旁路开关进行功能的投退：即旁路开关断开，此时为变频器拖动电动机方式，变压器保护装置投入，电动机保护装置和电动机差动保护装置退出；当旁路开关闭合，此时为工频电压直接拖动电动机，电动机保护装置和电动机差动保护装置投入，变压器保护装置退出。目前公司电动机保护配置方式主要有以下两种方式：（1）对于1400kw以下的电动机，由于是工频直接启动。主保护主要以速断保护为主，过负荷、低压等保护为辅，相对比较简单。（2）对于1400kw以上的电动机，由于是采取星点串阻启动方式。主保护增加差动保护，保护和改造相对比较复杂。四、高压电动机变频二次回路控制原理对于星点降压启动方式的大型电动机，在实际改造中存在几个问题：磁平衡差动的电流是在变频器下方，非工频电流。对于微机保护，按照工频50hz整定的定值不适用于非工频情况。常规差动保护为相量差动，其原理是用傅里叶算法，根据一个周波的采样点计算出流入和流出电流的实虚部，再计算出差动和制动电流的幅值、相位后用相8量比较的方式构成判据。由于电流非50hz工频，因此在进行傅里叶计算时需要通过频率跟踪保证计算结果的正确。由于变频器下方无电压引入，因此通过常规的电压跟踪频率方式无法实现。因此在变频运行条件下必须将电机差动保护退出。对于保护控制回路的改造，就需要全面权衡在工频保护下和变频保护下各自保护的对象。我们在实际应用中通过转换开关来接通和打断各自控制保护回路。例如：在工频运行条件下，需要将启动设备（磁控软启或水阻柜）保护接入保护装置进行保护；但是在变频状态下就不需要对启动设备进行保护，而是需要对变频器进行保护。如果考虑不全面就会造成误动或拒动。五、变频改造方案通过公司技术人员的论证和讨论，系统在改进时采用双回路控制，即变频控制和原工频控制同时存在，两种控制方式之间用隔离刀闸切换。变频器异常时，停止变频器运行，风机可通过现场手动切换开关切换到工频下运行，正常运行时以变频控制为主。变频控制和工频控制在控制上实现互锁。提高了安全生产的保障能力，变频改进控制原理图如图2。本方案工频和变频控制系统通过多档转换开关KK实现互锁，①②为常开点，③④为常闭点，⑤⑥为常开点；当工频运行时KK转换开关打到“工频”档位，③④接通，可以实现对启动设备（磁控软起、水阻柜）的保护，闭锁回路需满足状态后方可启动，期间可以对变频器进行检修，且变频器动作不会引起保护跳闸；当变频9图2高压电动机变频改造二次原理图运行时，①②点、⑤⑥点接通，保护跳闸回路实现对变频器的保护，闭锁回路屏蔽励磁和磁控软起就绪信号，变频运行期间可对启动设备进行检修而不影响变频运行。通过以上二次回路互锁，有实现两套软起和变频拖动设备互不影响，杜绝检修一方而造成另一方跳闸的事故。在系统组态编程方面，变频调速操作控制嵌入到原DCS系统中。通过上位机可以对变频器进行启动、停机、调速等控制，在上位机上显示变频器的运行数据和当前状态。为了保障调速系统的可靠性。在上位机流程画面上保留原DCS系统上位机控制方式，作为系统备用，在变频器控制异常时能即时通过手动切换开关切换到原工频控制方式。六、同步电机变频调速难点及相应措施同步电机与普通异步电机运行上主要的区别是同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步。因此同步电机变频调速时必须时刻控制这一夹角在允许10的范围内变动，这一点就是同步电机变频和异步电机变频的主要区别。以下将简要介绍同步电机变频调速过程遇到的难点及变频装置相应解决措施：1、同步电机的启动投励过程，通常同步电机启动有两种方式：一种先投励，同步启动；一种异步启动，后顺极性投励。对于同步电机变频启动均采用先投励，同步启动，但常会出现转子位置判断不正确导致电机启动失败。针对同步电机变频调速改造，很容易采用异步启动，顺极性投励方式，所以变频装置对同步电机进行异步软启动，实现额定启动力矩，将同步电机启动到8hz左右进行顺极性投励，具体所投励磁大小及投励时频率可以根据不同应用场合调试确定。至此，电动机转子磁场和定子磁场间夹角经过小量有阻尼震荡后，电机转子磁极被定子磁极可靠吸引，同步电机进入同步运行状态。变频器按照预先设定的加速度，逐渐加速到给定频率。此时，同步电机电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角逐渐拉大到某一常值，电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。针对要求重载启动的工况，为了启动力矩更大，可以适当提高变频装置输出电压和同步电机的励磁电流。2、同步电机稳态调速和励磁调节过程，变频器驱动同步电机调速时，为了解决变频装置和同步电机间的配合，电机速度改变同时变频装置也会协同调节当前励磁电流大小和改变输出电压对应值（不是简单的恒v/f控制）。在某一设定频率点以上范围运行，变频器采集同步电机功率因素，通过