煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化

曹 昀

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 承德 067002）

煉鋼廠高壓變頻器以其低能耗的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域中脫穎而出，受到廣泛應(yīng)用，通過(guò)自身具備的無(wú)極調(diào)速性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)工作的變頻調(diào)試[1]。煉鋼廠高壓變頻器能夠利用內(nèi)部IGBT 實(shí)現(xiàn)對(duì)電頻以及電壓的調(diào)試，在其運(yùn)行過(guò)程中，由于產(chǎn)生的電磁會(huì)對(duì)變頻器運(yùn)行造成一定程度的干擾，很容易導(dǎo)致煉鋼廠高壓變頻器故障。因此，分析煉鋼廠高壓變頻器故障是確保煉鋼廠高壓變頻器節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。在我國(guó)，針對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障分析并不少見(jiàn)，但普遍分析較為籠統(tǒng)，沒(méi)有細(xì)致的分析出煉鋼廠高壓變頻器故障發(fā)生的具體原因，導(dǎo)致后期對(duì)于煉鋼廠高壓變頻器的選型工作執(zhí)行困難。為徹底解決煉鋼廠高壓變頻器故障，實(shí)現(xiàn)煉鋼廠高壓變頻器選型優(yōu)化，本文提出煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化研究，致力于在明確煉鋼廠高壓變頻器故障原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)選型優(yōu)化避免煉鋼廠高壓變頻器出現(xiàn)故障。

1 煉鋼廠高壓變頻器故障分析

1.1 確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件

本文運(yùn)用疊加原理，確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件。疊加原理指的就是當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器電路中有幾個(gè)故障源共同起作用時(shí)，可以讓其中的一個(gè)故障源單獨(dú)工作，其它的故障源不工作[2]。在此基礎(chǔ)上，求出這一個(gè)故障源工作時(shí)在電阻上產(chǎn)生的瞬時(shí)電流值，記為w。再讓第二個(gè)故障源工作，求出這個(gè)故障源工作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流值，記為x。兩個(gè)故障源不接地故障示意圖，如圖1 所示。

圖1 煉鋼廠高壓變頻器兩個(gè)故障源不接地故障示意圖

結(jié)合圖1 所示，讓每一個(gè)故障源分別工作一次，求得這些瞬時(shí)電流值相加就是所有的故障源共同工作時(shí)的電流值，也就是煉鋼廠高壓變頻器故障的邊界條件。假定煉鋼廠高壓變頻器故障時(shí)的短路電流動(dòng)勢(shì)集合為v=1,2,...,n，設(shè)煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件為U，可得公式（1）。

公式（1）中，b 指的是煉鋼廠高壓變頻器故障點(diǎn)電阻值，w、b 均為實(shí)數(shù)。將煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件用U? (w?x)?b來(lái)表示，可得公式為：

公式（2）中，IA指的是煉鋼廠高壓變頻器故障時(shí)短路電流最小對(duì)稱分量;IB指的是煉鋼廠高壓變頻器故障時(shí)短路電流最大對(duì)稱分量。通過(guò)公式（2），確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件是對(duì)稱分量的概率質(zhì)量函數(shù)最大值與最小值。

1.2 采集煉鋼廠高壓變頻器故障信號(hào)

在確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件的基礎(chǔ)上，利用饋線終端裝置采集煉鋼廠高壓變頻器故障信號(hào)，當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將自動(dòng)采集煉鋼廠高壓變頻器電路電流信號(hào)，并將采集到的電流信號(hào)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞到控制主站，控制主站將分析上報(bào)的電流信號(hào)，確定煉鋼廠高壓變頻器故障區(qū)段[3]。由于煉鋼廠高壓變頻器故障諧振頻率通常在4.0kHz 左右，電流信號(hào)能量主要集中在前二分之一周期，因此將饋線終端裝置故障電流信號(hào)采集頻率設(shè)定在8.0kHz 以上，采集電流信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為二分之一周期。可以將其作為同步信號(hào)，以此完成對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障信號(hào)采集。

1.3 煉鋼廠高壓變頻器故障電壓、電流相關(guān)性分析

當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器處于正在狀態(tài)時(shí)，線路上所有電流流向一致，波形一致，具有一定的相似性；當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，第一部分電流會(huì)流向電路上游，即與母線方向相同，另一部分電流會(huì)流向電路下游，即與母線方向相反，兩部分電流波形差異較大，不具有相似性[4，5]。利用以上電流相關(guān)性原理，分析采集到的煉鋼廠高壓變頻器電流信號(hào)相似性。首先，選取兩個(gè)相鄰的電流信號(hào)，對(duì)其相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

公式（3）中，δ指的是煉鋼廠高壓變頻器電路兩個(gè)相鄰電流相關(guān)系數(shù)；i1和i2分別指的是兩個(gè)相鄰干擾響應(yīng)信號(hào)；n指的是電壓、電流信號(hào)采集序列；n? 1指的是故障發(fā)生時(shí)刻；N指的是電壓、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。利用上述公式計(jì)算出兩個(gè)相鄰電流信號(hào)的相關(guān)系數(shù)δ，如果兩個(gè)相鄰電流信號(hào)波形及流向一致，電流相關(guān)系數(shù)取值為1；如果兩個(gè)相鄰電流信號(hào)波形及流向完全不一致，則電流相關(guān)系數(shù)取值為0。以此為依據(jù)，完成煉鋼廠高壓變頻器故障電壓、電流相關(guān)性分析。

2 煉鋼廠高壓變頻器選型優(yōu)化

2.1 計(jì)算煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)

本文針對(duì)煉鋼廠高壓變頻器的選型，必須結(jié)合煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩[6]。通過(guò)計(jì)算的方式，設(shè)煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)的表達(dá)式為K，則有公式（4）。

公式（4）中，e指的是操作沖擊干試驗(yàn)電壓，單位為V；m指的是工頻，單位為Hz。通過(guò)上述公式，可以得出煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)，根據(jù)修正系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的煉鋼廠高壓變頻器選型。

2.2 實(shí)現(xiàn)煉鋼廠高壓變頻器選型與負(fù)載相匹配

使用上述計(jì)算的轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)，對(duì)高壓變頻器進(jìn)行最終選型。內(nèi)容如下。應(yīng)在確保設(shè)備運(yùn)行中的額定電壓與負(fù)載電壓相同的條件下，進(jìn)行變頻器支撐電壓的匹配；要求變頻裝置的運(yùn)行額定電流在其可承受最大電流范圍內(nèi)，對(duì)于特殊類型的裝置，例如深水泵等，需要從裝置電機(jī)的性能層面考慮，分析參數(shù)屬性，從過(guò)載能力與最高負(fù)載電流方面選擇裝置運(yùn)行電路。同時(shí)，考慮到高壓變頻器的電抗能力較低，因此在選擇設(shè)備零構(gòu)件過(guò)程中，可適當(dāng)選擇變頻裝置驅(qū)動(dòng)力較強(qiáng)的耦合性電容，避免由于驅(qū)動(dòng)力不足導(dǎo)致裝置運(yùn)行出現(xiàn)故障。此外，為了提高裝置在不同環(huán)境下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，可選擇具備降容的變頻電源作為支撐條件，從而實(shí)現(xiàn)選型與負(fù)載的適配。綜上所述，應(yīng)從多個(gè)角度對(duì)設(shè)備綜合性能進(jìn)行分析，才能實(shí)現(xiàn)度選型行為的優(yōu)化。

3 案例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)實(shí)例分析，選取某煉鋼廠高壓變頻器作為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)置故障類型，如表1 所示。

表1 煉鋼廠高壓變頻器故障類型表

結(jié)合表1 所示，首先使用本文設(shè)計(jì)方法分析煉鋼廠高壓變頻器故障，通過(guò)Matalb 軟件測(cè)試分析諧波噪聲比，記為實(shí)驗(yàn)組；而后使用傳統(tǒng)方法分析煉鋼廠高壓變頻器故障，通過(guò)Matalb 軟件測(cè)試分析諧波噪聲比，記為對(duì)照組。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測(cè)試兩種方法下的故障分析諧波噪聲比，分析諧波噪聲比越低證明分析精度越高。設(shè)置實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10 次，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 故障分析諧波噪聲比對(duì)比結(jié)果

通過(guò)表2 可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的方法故障分析諧波噪聲比明顯低于對(duì)照組，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障精準(zhǔn)分析，具有現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型中存在的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文設(shè)計(jì)方法在煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型中的應(yīng)用力度。截止目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化研究仍存在一些問(wèn)題，在日后的研究中還需要進(jìn)一步對(duì)煉鋼廠高壓變頻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，為提高煉鋼廠高壓變頻器的綜合性能提供參考。