空預器變頻器制動單元的應用與解析

朱旦亮+++鐘天翔

摘 要：通過對空預器變頻器及其負載特性的功率計算，合理選擇制動單元接入變頻器直流回路并設置恰當的控制參數以消除制動過程中產生的再生過電壓，最終提高了變頻器應對不同負載波動的安全穩定性。

關鍵詞：變頻器；制動單元；應用

引言

空氣預熱器是火力發電廠鍋爐系統中的重要組成部分，實際運行中如果其轉子摩擦卡澀會引起驅動電機變頻器故障跳閘進而導致機組RB或停機。針對此類故障一方面應盡量避免轉動機械的發生變形摩擦，另一方面可以考慮在驅動變頻器直流回路接入制動單元以實現空預器卡澀波動狀態下的再生制動。即以制動單元把電動機回饋的再生過電壓以熱能的方式消耗掉，維持直流母線電壓在正常水平，保證變頻器在負載波動時可靠運轉不發生故障停機。接入制動單元的選擇和接線方法及變頻器相關控制參數的設置都必須根據不同的現場設備具體分析計算，并結合實際使用效果進一步調整優化，可以達到提高變頻器驅動設備安全穩定性能的效果。

1 空預器變頻器運行現狀

玉環發電廠四臺1000MW發電機組配套鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司引進三菱重工業株式會社（Mitsuibishi Heavy Industries Co. Ltd）技術設計制造的HG-2953/27.46-YM1型一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、超超臨界變壓運行直流鍋爐。其中每臺鍋爐安裝2臺空氣預熱器，選用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產的哈鍋34-VI（T）-1850（2000）-SMR型三分倉回轉式空氣預熱器并配裝變頻器驅動電機正常運轉。

每臺預熱器轉子配備主輔兩臺驅動電機（兩電機參數相同，額定功率30kW，額定電壓380V，額定轉速1450r/m），主電機與減速機直接連接，輔電機通過超越離合器與減速機連接，兩臺電機一臺工作，一臺備用，并且設置有空預器氣動盤車裝置。轉子運行轉速分為正常轉速模式和低速模式，低速模式為預熱器清洗時采用，正常轉速為1r/min。設計考慮減少空預器轉子啟動過程中的機械沖擊，延長設備使用壽命，故轉子啟動采用變頻斜坡軟啟動方式。轉子啟動后，變頻器以50HZ的固定頻率運行，驅動空預器主、輔電機的變頻控制柜采用A-B Power FleX 70變頻器，一旦主變頻故障跳閘，由DCS聯鎖信號運方啟動輔變頻繼續運行。

空預器本體技術參數見表1。

#2機組2B空預器在正常運行中變頻器電流穩定在21A左右輕微波動，范圍在20A到21.8A。變頻器母線電壓在586V，沒有加裝外接制動單元。某次空預器中落入因震動松脫的沖洗水管雜物導致轉子產生周期性劇烈磨擦，變頻柜運行電流急劇變化，并聽到空預器內部有斷續摩擦卡澀聲音。此時變頻器運行電流上升到32～97A左右，變頻器母線電壓在580～700V之間跳變，空預器主電機75秒后跳閘且變頻器發“Over Voltage”即內部直流過電壓故障報警；系統自動切換到空預器輔電機變頻運轉后仍有轉子摩擦，電流持續波動。主電機變頻經復位過電壓故障后恢復正常待機狀態，空預器轉子經過一段時間把雜物磨擦削平后，電流逐漸平穩并回到正常范圍。

2 故障分析

空預器變頻器正常運行時變頻器按固定頻率50Hz驅動電動機，電機經減速機直接連接轉子并帶動其旋轉。當轉子的轉動受阻卡澀，電機的轉速下降，這時的電機相當于再生制動狀態（即發電機狀態），隨著轉速的下降，電機產生的回饋電壓疊加在變頻器的母線電壓上，導致母線電壓升高，當電壓升高超過700V，由于外部沒有接制動單元，這部分能量無處消化，引發變頻器發出“Over Voltage”即內部直流過電壓故障并跳閘。所以從提高驅動變頻器抗負載波動能力方面考慮可以采用外接制動單元的方式把由于再生制動升高的變頻器母線電壓以熱能的方式消耗掉，同時為使系統平穩調速需設置適當的加減速時間等控制參數。

3 制動單元的選擇

目前計算制動單元的方法很多，從工程角度通常是估算出制動單元的電阻阻值和功率容量兩個重要參數。制動單元是按照短時間歇性工作設計的電子設備，其在大電流下長時間工作的能力有限，因此應用時必須合理選型，保證制動單元工作不會因通過過大的電流和過熱而損壞。制動單元的選型是以其額定電流和峰值電流為依據的。額定電流的大小與制動單元能夠長時間連續工作的電流成正比，而峰值電流則代表了制動單元所能通過的最大電流。要保證制動單元正常工作，必須保證流過制動單元的最大電流小于其峰值電流，且最大電流與制動頻率Kc 的乘積小于其額定電流。

制動單元在工程上通常選用的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種：波紋電阻采用表面立式波紋有利于散熱和減低寄生電感量，并選用高阻燃無機涂層，有效保護電阻絲不被老化；鋁合金電阻易緊密安裝、易附加散熱器，外形美觀具有較強的耐振性，更適于應用在高度惡劣工業環境中。考慮到穩定性及安全因素，空預器變頻器選擇外接波紋電阻。

3.1 制動單元動作電壓準位

當直流母線電壓大于或等于制動電壓準位時，制動單元才投入工作進行能量消耗，經查A-B Power FleX 70變頻器400V制動電壓準位是母線電壓大于或等于690V。制動電壓準位對照如表2。

表2 制動電壓準位對照 （單位：V）

注：容許輸入電源有±10%的變動。

3.2 制動頻率

首先需確定系統的制動頻率Kc，通過降低制動頻率可以讓制動單元和波紋電阻有充分的時間來解除因制動而產生的熱量。當波紋電阻發熱時，電阻值將會隨溫度的上升而變高，制動轉矩亦隨之減少。Kc定義為系統制動時間占總制動周期的時間比例。

制動頻率Kc=制動持續時間T1/制動周期T2×100%，如圖1所示。

圖1

不同的負載類型，其實際制動頻率Kc也會有所不同，因此盡可能根據實際調速設備的運行狀況來確定Kc的值。在無法確定實際負載運行情況時，可以參考以下的經驗取值。常見負載類型的制動頻率如下：endprint

電梯Kc=10-15%

油田磕頭機Kc=10-20%

開卷和卷取Kc=50-60%

離心機Kc=5-20%

下放高度超過100 米的吊車Kc=20-40%

偶然制動的負載Kc=5%

其他Kc=10%

經查空預器轉速為1r/min，經觀察空預器轉子與密封之間的摩擦是斷續的，從DCS調出該電機電流，查看60S內電流的峰值，累加電流峰值持續的時間，經反復觀察電機電流升到70A左右時，母線電壓大約650V左右，認為母線電壓超過650V時其峰值電壓超過700V的可能性較大，即達到制動單元動作電壓準位，制動單元起作用。累計70A以上峰值持續時間為5S，制動頻率=5/60約為8%，估算為10%。

3.3 制動單元的計算

3.3.1 阻值計算

在制動或負載卡澀過程中，電動機將處于再生制動狀態，產生感應電壓使電路中制動開始瞬間的電壓接近額定電壓的2倍。在實際制動中，當放電電流接近電動機額定電流一半時，就可以得到與電動機額定轉矩相同的制動轉矩了，參考設備廠家提供計算制動單元電阻值的經驗公式粗略計算為：

RB=

式中UD為允許最大制動電壓，IMN為電動機額定電流。為了保證變頻器不受損害，必須限定當流經制動單元的電流為額定電流時電阻數值為制動電阻的最小數值。選擇制動電阻時，不能小于該阻值。

RBmin=

綜上所述，實際制動電阻數值的選擇范圍是

3.3.2 功率的選擇

當制動電阻在直流電壓為制動電壓狀態中工作時，其消耗的功率為：

P0=

耗用功率的含義是：如果電阻的功率按此數值選擇，該電阻可以長時間地接入在電路中工作。現場中制動電阻的功率主要取決于制動頻率Kc。因為系統的進行制動時間比較短，在短時間內，制動電阻的溫升不足以達到穩定溫升。所以，決定制動電阻容量的原則應在制動電阻的溫升不超過其允許數值即額定溫升的前提下，盡可能減少容量。粗略計算為

PB=λP·Kc

其中，λ為制動電阻的降額系數；PB為制動電阻的功率。

綜上所述，根據空預器變頻器實際設備參數，即電動機30KW額定電流57A，變頻器額定功率37KW，輸入電壓400V可以計算出得制動電阻的取值范圍是

13.2Ω

再根據成型配套產品實際選擇阻值為25Ω的波紋電阻箱（BRU 8KW/25R），每臺變頻器加裝一臺波紋電阻箱且通過16mm2軟銅電纜接至變頻器正負制動端子上。通電調試時再根據產品手冊修改變頻器程序控制參數：D163項設置為“1”即選用外部制動電阻，D161，D162項設置為“2”即母線調節模式設為動態制動。

4 制動單元的應用效果

經過上述制動單元的計算選型及控制程序調整，波紋電阻接入變頻器直流母線參與再生制動經過一周時間的試運行，在負荷平穩及波動兩種狀態下變頻器的母線電壓和運行電流都較穩定，并且沒有超溫故障發生。在空預器轉子有輕微周期性摩擦工況下，母線電壓最高瞬時波動到685V左右變頻器仍保持持續運行。判斷制動單元選型是否正確的最終依據，是確保任何情況下，流過制動單元的電流都不超過制動單元的最大電流，避免制動單元因過流而損壞。同時任何情況下制動單元自身的溫度都不會超過70℃，避免制動單元因過熱而損壞。現場測量制動電阻的溫度在環境溫度26℃下最高不大于39℃，符合相關要求。如果制動單元在調試或運行中發現以下故障現象，可參見變頻器制動單元故障原因分析表，見表3查找相處理方法。

變頻器制動單元故障原因分析表見表3。

表3

5 結束語

變頻器制動單元的選擇與安裝關系到變頻器運行的可靠性，其中制動電阻阻值和功率的計算都是從工程角度來考慮，所以在實際應用時要結合現場具體設備運行工況來調試優化，以便形成一個兼顧安全性和經濟性的制動單元應用方案。通過以上應用實踐說明只要合理選擇制動單元接入變頻器并設置恰當的控制參數就可以消耗運行中的再生過電壓，提高變頻器應對不同負載波動下的安全穩定性，值得在類似設備應用中推廣使用。

參考文獻

[1]戴廣平.電動機變頻器與電力拖動[M].北京：中國石化出版社，1999.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M].福州：福建科學技術出版社，2005.

[3]Allen-Bradley PowerFlex70變頻器應用手冊[Z].

電梯Kc=10-15%

油田磕頭機Kc=10-20%

開卷和卷取Kc=50-60%

離心機Kc=5-20%

下放高度超過100 米的吊車Kc=20-40%

偶然制動的負載Kc=5%

其他Kc=10%

經查空預器轉速為1r/min，經觀察空預器轉子與密封之間的摩擦是斷續的，從DCS調出該電機電流，查看60S內電流的峰值，累加電流峰值持續的時間，經反復觀察電機電流升到70A左右時，母線電壓大約650V左右，認為母線電壓超過650V時其峰值電壓超過700V的可能性較大，即達到制動單元動作電壓準位，制動單元起作用。累計70A以上峰值持續時間為5S，制動頻率=5/60約為8%，估算為10%。

3.3 制動單元的計算

3.3.1 阻值計算

在制動或負載卡澀過程中，電動機將處于再生制動狀態，產生感應電壓使電路中制動開始瞬間的電壓接近額定電壓的2倍。在實際制動中，當放電電流接近電動機額定電流一半時，就可以得到與電動機額定轉矩相同的制動轉矩了，參考設備廠家提供計算制動單元電阻值的經驗公式粗略計算為：

RB=

式中UD為允許最大制動電壓，IMN為電動機額定電流。為了保證變頻器不受損害，必須限定當流經制動單元的電流為額定電流時電阻數值為制動電阻的最小數值。選擇制動電阻時，不能小于該阻值。

RBmin=

綜上所述，實際制動電阻數值的選擇范圍是

3.3.2 功率的選擇

當制動電阻在直流電壓為制動電壓狀態中工作時，其消耗的功率為：

P0=

耗用功率的含義是：如果電阻的功率按此數值選擇，該電阻可以長時間地接入在電路中工作。現場中制動電阻的功率主要取決于制動頻率Kc。因為系統的進行制動時間比較短，在短時間內，制動電阻的溫升不足以達到穩定溫升。所以，決定制動電阻容量的原則應在制動電阻的溫升不超過其允許數值即額定溫升的前提下，盡可能減少容量。粗略計算為

PB=λP·Kc

其中，λ為制動電阻的降額系數；PB為制動電阻的功率。

綜上所述，根據空預器變頻器實際設備參數，即電動機30KW額定電流57A，變頻器額定功率37KW，輸入電壓400V可以計算出得制動電阻的取值范圍是

13.2Ω

再根據成型配套產品實際選擇阻值為25Ω的波紋電阻箱（BRU 8KW/25R），每臺變頻器加裝一臺波紋電阻箱且通過16mm2軟銅電纜接至變頻器正負制動端子上。通電調試時再根據產品手冊修改變頻器程序控制參數：D163項設置為“1”即選用外部制動電阻，D161，D162項設置為“2”即母線調節模式設為動態制動。

4 制動單元的應用效果

經過上述制動單元的計算選型及控制程序調整，波紋電阻接入變頻器直流母線參與再生制動經過一周時間的試運行，在負荷平穩及波動兩種狀態下變頻器的母線電壓和運行電流都較穩定，并且沒有超溫故障發生。在空預器轉子有輕微周期性摩擦工況下，母線電壓最高瞬時波動到685V左右變頻器仍保持持續運行。判斷制動單元選型是否正確的最終依據，是確保任何情況下，流過制動單元的電流都不超過制動單元的最大電流，避免制動單元因過流而損壞。同時任何情況下制動單元自身的溫度都不會超過70℃，避免制動單元因過熱而損壞。現場測量制動電阻的溫度在環境溫度26℃下最高不大于39℃，符合相關要求。如果制動單元在調試或運行中發現以下故障現象，可參見變頻器制動單元故障原因分析表，見表3查找相處理方法。

變頻器制動單元故障原因分析表見表3。

表3

5 結束語

變頻器制動單元的選擇與安裝關系到變頻器運行的可靠性，其中制動電阻阻值和功率的計算都是從工程角度來考慮，所以在實際應用時要結合現場具體設備運行工況來調試優化，以便形成一個兼顧安全性和經濟性的制動單元應用方案。通過以上應用實踐說明只要合理選擇制動單元接入變頻器并設置恰當的控制參數就可以消耗運行中的再生過電壓，提高變頻器應對不同負載波動下的安全穩定性，值得在類似設備應用中推廣使用。

參考文獻

[1]戴廣平.電動機變頻器與電力拖動[M].北京：中國石化出版社，1999.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M].福州：福建科學技術出版社，2005.

[3]Allen-Bradley PowerFlex70變頻器應用手冊[Z].

電梯Kc=10-15%

油田磕頭機Kc=10-20%

開卷和卷取Kc=50-60%

離心機Kc=5-20%

下放高度超過100 米的吊車Kc=20-40%

偶然制動的負載Kc=5%

其他Kc=10%

經查空預器轉速為1r/min，經觀察空預器轉子與密封之間的摩擦是斷續的，從DCS調出該電機電流，查看60S內電流的峰值，累加電流峰值持續的時間，經反復觀察電機電流升到70A左右時，母線電壓大約650V左右，認為母線電壓超過650V時其峰值電壓超過700V的可能性較大，即達到制動單元動作電壓準位，制動單元起作用。累計70A以上峰值持續時間為5S，制動頻率=5/60約為8%，估算為10%。

3.3 制動單元的計算

3.3.1 阻值計算

在制動或負載卡澀過程中，電動機將處于再生制動狀態，產生感應電壓使電路中制動開始瞬間的電壓接近額定電壓的2倍。在實際制動中，當放電電流接近電動機額定電流一半時，就可以得到與電動機額定轉矩相同的制動轉矩了，參考設備廠家提供計算制動單元電阻值的經驗公式粗略計算為：

RB=

式中UD為允許最大制動電壓，IMN為電動機額定電流。為了保證變頻器不受損害，必須限定當流經制動單元的電流為額定電流時電阻數值為制動電阻的最小數值。選擇制動電阻時，不能小于該阻值。

RBmin=

綜上所述，實際制動電阻數值的選擇范圍是

3.3.2 功率的選擇

當制動電阻在直流電壓為制動電壓狀態中工作時，其消耗的功率為：

P0=

耗用功率的含義是：如果電阻的功率按此數值選擇，該電阻可以長時間地接入在電路中工作。現場中制動電阻的功率主要取決于制動頻率Kc。因為系統的進行制動時間比較短，在短時間內，制動電阻的溫升不足以達到穩定溫升。所以，決定制動電阻容量的原則應在制動電阻的溫升不超過其允許數值即額定溫升的前提下，盡可能減少容量。粗略計算為

PB=λP·Kc

其中，λ為制動電阻的降額系數；PB為制動電阻的功率。

綜上所述，根據空預器變頻器實際設備參數，即電動機30KW額定電流57A，變頻器額定功率37KW，輸入電壓400V可以計算出得制動電阻的取值范圍是

13.2Ω

再根據成型配套產品實際選擇阻值為25Ω的波紋電阻箱（BRU 8KW/25R），每臺變頻器加裝一臺波紋電阻箱且通過16mm2軟銅電纜接至變頻器正負制動端子上。通電調試時再根據產品手冊修改變頻器程序控制參數：D163項設置為“1”即選用外部制動電阻，D161，D162項設置為“2”即母線調節模式設為動態制動。

4 制動單元的應用效果

經過上述制動單元的計算選型及控制程序調整，波紋電阻接入變頻器直流母線參與再生制動經過一周時間的試運行，在負荷平穩及波動兩種狀態下變頻器的母線電壓和運行電流都較穩定，并且沒有超溫故障發生。在空預器轉子有輕微周期性摩擦工況下，母線電壓最高瞬時波動到685V左右變頻器仍保持持續運行。判斷制動單元選型是否正確的最終依據，是確保任何情況下，流過制動單元的電流都不超過制動單元的最大電流，避免制動單元因過流而損壞。同時任何情況下制動單元自身的溫度都不會超過70℃，避免制動單元因過熱而損壞。現場測量制動電阻的溫度在環境溫度26℃下最高不大于39℃，符合相關要求。如果制動單元在調試或運行中發現以下故障現象，可參見變頻器制動單元故障原因分析表，見表3查找相處理方法。

變頻器制動單元故障原因分析表見表3。

表3

5 結束語

變頻器制動單元的選擇與安裝關系到變頻器運行的可靠性，其中制動電阻阻值和功率的計算都是從工程角度來考慮，所以在實際應用時要結合現場具體設備運行工況來調試優化，以便形成一個兼顧安全性和經濟性的制動單元應用方案。通過以上應用實踐說明只要合理選擇制動單元接入變頻器并設置恰當的控制參數就可以消耗運行中的再生過電壓，提高變頻器應對不同負載波動下的安全穩定性，值得在類似設備應用中推廣使用。

參考文獻

[1]戴廣平.電動機變頻器與電力拖動[M].北京：中國石化出版社，1999.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M].福州：福建科學技術出版社，2005.

[3]Allen-Bradley PowerFlex70變頻器應用手冊[Z].