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北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 供稿
摘要： 陜西某發(fā)電有限公司#3機(jī)組擴(kuò)容改造，將原兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)改為一臺(tái)大吸風(fēng)機(jī)，為了提高效能為電機(jī)配套了一臺(tái)北京利德華福高壓變頻器。大功率電機(jī)的變頻拖動(dòng)在北京利德華福的高壓變頻應(yīng)用中并不少見(jiàn)，但電廠為了機(jī)組運(yùn)行可靠要求變頻器在在突然異常的情況下盡可能切入工頻運(yùn)行，保證機(jī)組不停機(jī)。
這種應(yīng)用在以前的調(diào)試中也偶爾遇到，但功率大多在1000kW以下，如此大功率電機(jī)的應(yīng)用調(diào)試就存在很大風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)試不好很有可能損壞電機(jī)或者變頻器，甚至造成廠用電供電事故。
關(guān)鍵詞：大功率電機(jī)變頻緊急切工頻
一、 現(xiàn)場(chǎng)情況概述
電機(jī)參數(shù)：
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型號(hào)
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SPKK900-6
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額定頻率
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50Hz
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額定功率
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6900kW
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功率因數(shù)
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0.87
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定子電壓
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6000V
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定子電流
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789A
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調(diào)頻范圍
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25 Hz-50 Hz
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出廠日期
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2013.6
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生產(chǎn)廠家
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湘潭電機(jī)股份有限公司
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變頻器參數(shù)：
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型號(hào)
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HARSVERT-VA06/850
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額定容量
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8875kVA
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輸入電壓
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6kV
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輸出電壓
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6kV
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輸入頻率
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50Hz
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出廠日期
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2013.7
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生產(chǎn)廠家
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北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
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現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖（1）所示，由于電流比較大，回路切換均使用高壓斷路器，正常情況下依次合閘QF0-QF2-QF3,電機(jī)變頻主回路接通，QF1在檢查到變頻器帶高壓時(shí)延時(shí)自動(dòng)合閘，抑制變頻器上電瞬間的勵(lì)磁涌流。
變頻器啟動(dòng)后電機(jī)變頻運(yùn)行，但當(dāng)變頻器發(fā)生重故障跳閘時(shí)，自動(dòng)分開(kāi)QF2、QF3,變頻器判斷是否可以切工頻，如果非電機(jī)過(guò)流故障，非電機(jī)接地故障，發(fā)出合工頻允許信號(hào)，DCS根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況分析是否可以切工頻，如果允許就合QF4，電機(jī)切換至工頻運(yùn)行。
圖1 切換控制的主電路
做電機(jī)變頻切工頻轉(zhuǎn)換時(shí)大多會(huì)遇到過(guò)這樣的情況：電機(jī)由變頻運(yùn)行狀態(tài)直接向工頻運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生特別大的沖擊電流，能達(dá)到其直接啟動(dòng)電流的兩倍，約 為其額定電流的十四五倍，但有的時(shí)候卻幾乎沒(méi)有電流沖擊；而斷開(kāi)變頻一段時(shí)間后再轉(zhuǎn)向工頻時(shí)就不會(huì)再出現(xiàn)太大的沖擊電流，延時(shí)的時(shí)間越長(zhǎng)出現(xiàn)的沖擊電流的 峰值就會(huì)越小。但時(shí)間越長(zhǎng)容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，爐膛正壓造成危險(xiǎn)，所以具體多長(zhǎng)時(shí)間切是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
二、問(wèn)題的分析
三相電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場(chǎng)在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)對(duì)稱的三相電動(dòng)勢(shì)。若斷開(kāi)電源后，主磁場(chǎng)消失，但曾經(jīng)被主磁場(chǎng)磁化的轉(zhuǎn)子鐵芯依然存在剩 磁，與此同時(shí)由于慣性轉(zhuǎn)子依然高速旋轉(zhuǎn)，在定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并不會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)消失，只是有所衰減。圖2是電機(jī)兩相之間,在斷開(kāi)變頻器輸出前、后的的定子繞組的電壓波形，由此可看出，斷開(kāi)電源后定子線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸衰減的過(guò)程。圖3是圖2的展開(kāi)，仔細(xì)觀察該圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)子繞組電壓頻率也在緩慢的下降。
圖2 定子電壓衰減波形1
圖3 定子電壓衰減波形2
由于變頻器輸出的是PWM波，其相位不易觀察，測(cè)得在工頻狀態(tài)下的電壓波形進(jìn)行進(jìn)一步的分析。因?yàn)樽冾l器50Hz時(shí)的輸出電壓與工頻電壓作用在電機(jī)上基本時(shí)等效的，并不影響分析結(jié)果。圖4是電機(jī)在工頻電源下突然斷開(kāi)電源后的電壓波形圖，由該圖可以看出，電壓波形沒(méi)有跳變，所以斷開(kāi)瞬間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓是 同相位的,其幅值也是基本相等的。隨著剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時(shí)伴隨著轉(zhuǎn)速的降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開(kāi)。頻率越低，單位時(shí)間內(nèi)拉開(kāi)的相位差也就越大。
為了確定QF4的合閘時(shí)機(jī)，必須等待一定的時(shí)間，保證反電動(dòng)勢(shì)足夠小，這樣沖擊電流才會(huì)被限制在預(yù)期范圍以內(nèi)，保證投切可靠，否則會(huì)使沖擊電流過(guò)大QF0速斷保護(hù)跳閘而投切失敗。但時(shí)間越長(zhǎng)電機(jī)失速越大，QF4合閘后長(zhǎng)時(shí)間不能到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)加速時(shí)電流過(guò)大并持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)綜合保護(hù)裝置中設(shè)定的電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間導(dǎo)致過(guò)流一段動(dòng)作跳閘而投切失敗。其次電機(jī)功率比較大，啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電機(jī)大電流導(dǎo)致廠用電母線電壓拉低，其他設(shè)備運(yùn)行失�；蚬收稀Ｋ源_定合閘時(shí)機(jī)是一個(gè)很重要的問(wèn)題。
圖4 電機(jī)在工頻下斷開(kāi)電源后的電壓波形
三、驗(yàn)證試驗(yàn)
為了電機(jī)的變頻切工頻能夠試驗(yàn)，我們必須做以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，一方面驗(yàn)證切換邏輯的正確性和可靠性，另外一方面就是設(shè)定切換時(shí)機(jī)和保護(hù)定值。
3.1不帶高壓邏輯驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
空載模擬實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證切換邏輯的正確性和可靠性，根據(jù)變頻器程序設(shè)計(jì)要求，變頻器若在運(yùn)行中突然發(fā)生重故障，若要切至工頻需要滿足以下幾個(gè)條件：
· 沒(méi)有輸出接地故障
· 變頻器參數(shù)設(shè)定為允許切工頻
· QF2、QF3確實(shí)已經(jīng)分閘
· 變頻器并非停機(jī)減速過(guò)程中
· 變頻器重故障并非過(guò)流故障
當(dāng)條件都滿足時(shí)會(huì)在QF3分閘1秒后發(fā)出QF4合工頻允許信號(hào)，而不是直接合工頻，主要是因?yàn)榍泄ゎl還要考慮到鍋爐自身的一些條件，如果鍋爐本身負(fù)載比較低，要求風(fēng)量并不大，突然切至工頻時(shí)負(fù)壓突然急劇上升會(huì)導(dǎo)致鍋爐熄滅，所以僅將允許和QF4信號(hào)發(fā)給DCS，DCS根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況，關(guān)小出口風(fēng)門后發(fā)出QF4合閘指令，切至工頻，還可以根據(jù)情況投油，避免熄火。
圖5 變頻器切工頻判斷邏輯圖
空載邏輯試驗(yàn)就是驗(yàn)證實(shí)際動(dòng)作情況是否與設(shè)計(jì)邏輯相符合，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一定要認(rèn)真仔細(xì)，將高壓開(kāi)關(guān)搖至試驗(yàn)位，變頻器設(shè)置為調(diào)試狀態(tài)，按照正常邏輯投入變頻運(yùn) 行狀態(tài)，為了方便重故障信號(hào)的產(chǎn)生我將開(kāi)柜門設(shè)置為重故障，由于邏輯變化都是秒級(jí)動(dòng)作，眼睛監(jiān)視精確度不夠，所以我用手機(jī)的攝像功能監(jiān)視PLC狀態(tài)指示燈，一切準(zhǔn)備就緒后將柜門開(kāi)一個(gè)小縫，至開(kāi)柜門跳閘邏輯動(dòng)作，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證邏輯正確可靠。
3.2反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)
反電動(dòng)勢(shì)試驗(yàn)是在變頻器的輸出端加裝一組電壓互感器，陜西省電力科學(xué)研究院使用電壓偵測(cè)設(shè)備對(duì)互感器的二次側(cè)的電壓進(jìn)行錄波，從而形成一個(gè)電壓相對(duì)時(shí)間的曲線組，根據(jù)電壓的大小選擇合適的合閘時(shí)機(jī)。
本實(shí)驗(yàn)要在變頻器的輸出開(kāi)關(guān)柜上加裝電壓互感器，開(kāi)關(guān)柜的后柜門就無(wú)法關(guān)閉，試驗(yàn)人員還要在附近偵測(cè)電壓，所以安全措施就顯得尤為重要，我們用高壓軟電纜將變頻器輸出開(kāi)關(guān)柜的輸出端與一組電壓互感器小車連接，并將高壓軟電纜固定牢靠，用高壓絕緣膠帶包扎完好，接二次線時(shí)要注意互感器的極性，二次側(cè)要做好可靠接地。
確認(rèn)接線正確，做好安全防護(hù)工作后，準(zhǔn)備就緒我們使用變頻器將風(fēng)機(jī)拖動(dòng)至700-800轉(zhuǎn)/分鐘，模擬出一個(gè)重障故變頻器跳閘，變頻器輸出斷路器QF3斷開(kāi)，電壓偵測(cè)設(shè)備在電機(jī)端測(cè)出了電壓反電動(dòng)勢(shì)電壓波形。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，由于是變頻拖動(dòng)，輸出斷開(kāi)后反電動(dòng)勢(shì)并不是很大，大約16S后反電動(dòng)勢(shì)基本為0.且分?jǐn)嗪?s以后電壓已經(jīng)降到分段前的50%以下，所以我們認(rèn)為輸出斷路器分?jǐn)嗪?s左右合工頻斷路器QF4應(yīng)該不會(huì)造成很大沖擊。
3.2變頻切工頻實(shí)際驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)試驗(yàn)的結(jié)果，而確定了合閘時(shí)機(jī)，下一步就要驗(yàn)證在這個(gè)合閘時(shí)機(jī)的條件下，沖擊電流以及大電流持續(xù)的時(shí)間，是否能躲過(guò)保護(hù)定值。
試驗(yàn)方案：在電源側(cè)高壓開(kāi)關(guān)QF0的電流二次側(cè)將電流偵測(cè)設(shè)備串接其中，檢測(cè)變頻切工頻瞬間電流的變化情況。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)：
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項(xiàng)目
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空載
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負(fù)載
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備注
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工頻啟動(dòng)
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手動(dòng)盤車工頻啟動(dòng)
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飛車啟動(dòng)
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飛車啟動(dòng)
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啟動(dòng)電流最大值
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20.7A
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19.9A
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16.88A
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19.47A
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變比：1000/5
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啟動(dòng)時(shí)間
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5s
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4.8s
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3s
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4s
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電流波動(dòng)至穩(wěn)定時(shí)間
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由于帶負(fù)載工頻直接啟動(dòng)電流過(guò)大，時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)商議認(rèn)為比較危險(xiǎn)，并且以后的工況也不可能允許工頻直接啟動(dòng)，最終決定工頻直接啟動(dòng)試驗(yàn)就不做了，變頻飛車啟動(dòng)工頻效果也比較理想就按照既定方案，正常時(shí)使用變頻運(yùn)行，當(dāng)變頻發(fā)生故障并且工況運(yùn)行的情況下能夠及時(shí)切換成工頻。
四、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明北京利德華福高壓變頻器在較大功率電機(jī)上應(yīng)用的工況中，正常情況下既實(shí)現(xiàn)了調(diào)速的功能，達(dá)到增能減耗的效果，還可以起到軟啟動(dòng)的作用，減少大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，即使在故障情況下也能順利緊急切換到工頻使用，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性。
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