變頻器“一拖三”在脫硫系統漿液循環泵啟動上的設計及應用

沈龍云，劉輝，姜大寶，劉寧

目前，在水泥廠高效煙氣脫硫工程中，一般有多臺低壓漿液循環泵，功率多為200kW及以上，需要大容量、低負荷率的變壓器才能滿足漿液循環泵工頻直起（大電流）的要求。而通過變頻器可以實現電機平滑啟動，同時可產生大轉矩，無工頻直起大電流。變頻器“一拖三”的啟動方式可逐次完成脫硫系統漿液循環泵的啟動工作，有效減少脫硫系統車間變壓器的容量，使變壓器在比較經濟的負荷范圍內運行，可減少初期投資及后期的基本電費，此啟動方案已應用于多個項目中。本文結合工程項目實際，介紹了變頻器“一拖三”啟動方式主回路、控制回路的設計方案，同時針對工程調試過程中出現的變頻器“一拖三”啟動方式在變頻、工頻的切換過程中，存在的沖擊電流大、易跳閘甚至斷路器或接觸器燒毀的問題，給出了處理建議。

1 變頻器“一拖三”啟動方式設計方案

1.1 變頻器主回路

項目變頻器主回路如圖1所示，項目有三臺漿液循環泵，泵電機（M1、M2、M3）功率均為315kW，三臺漿液循環泵通過同一臺變頻器來逐次完成啟動。

1.1.1 泵電機

由于泵電機功率較大，低壓變頻柜與低壓開關柜通過母排并柜，低壓變頻柜除了在變頻器上口設置斷路器Q0外，每臺電機與電網都通過獨立的斷路器Q1、Q2、Q3進行連接。接線過程中要嚴格保證輸出相序的一致性，即保證變頻、工頻切換后電機的旋轉方向一致。每臺泵電機配置有單獨的馬達保護器KH1、KH2、KH3，以實現工頻情況下對大功率電機的短路、過載、堵轉、缺相等保護。

1.1.2 變頻器

變頻器的進出口電抗器由廠家配套提供，用于抑制啟動過程中產生的諧波（主回路圖中不再示意）。

1.1.3 接觸器

通過控制接觸器KM1～KM6的通斷來實現變頻工頻的切換以完成電機的啟動。

1.2 控制回路與信號回路

1.2.1 控制回路

（1）電機

圖1 “一拖三”變頻器主回路

圖2 “一拖三”變頻器控制回路

項目變頻器控制回路如圖2所示，每臺電機分別在機旁設置了現場急停按鈕，用于緊急情況下現場快速停止漿液循環泵；在低壓柜面板即低壓變頻柜上設置中控/機旁轉換開關以及啟停按鈕，用于實現對設備的操作。K1～K3分別為每臺電機的中控備妥信號，當低壓柜上的某臺電機的轉換開關轉至中控位置時，該電機的備妥信號即上傳至中控系統。

（2）中控系統

Ka～Kc為電機M1～M3的變頻驅動信號，Kd～Kf為電機M1～M3的工頻切換信號，Kg為變頻器驅動信號，均通過中控系統控制。

（3）接觸器

由于在變頻器的輸出端是不允許與電源相連接的，接觸器KM1與KM4，KM2與KM5，KM3與KM6絕對不允許同時接通，在控制回路中設有非常可靠的電氣互鎖。

1.2.2 信號回路

項目變頻器信號回路如圖3所示，低壓變頻柜與計算機柜（即中控）的通訊信號共有21個，包括7個DO、1個AO、1個AI及12個DI信號。7個DO信號分別為變頻器驅動信號、泵電機M1～M3的驅動信號、工頻切換信號。1個AO信號與1個AI信號分別為變頻器的頻率給定以及反饋信號。12個DI信號分別為變頻器的故障、運行、備妥信號，泵電機M1～M3的備妥、變頻啟動、工頻運行信號。

圖3 “一拖三”變頻器信號回路

1.2.3 變頻、工頻切換

圖2與圖3中所有的中間繼電器的節點與接觸器的輔助觸點禁止重復使用。當變頻器故障時，可將低壓柜面板選擇開關轉到機旁位置進行工頻啟動，允許工頻啟動的漿液循環泵的數量受變壓器容量的限制。以本項目為例，車間變壓器容量為1 600kVA，負荷率為66%，三臺循環泵的負荷占車間總裝機負荷的72%，因此最多允許兩臺漿液循環泵工頻啟動，且必須是在第一臺泵啟動完成并運行穩定后，才允許第二臺泵工頻啟動。正常情況下變頻、工頻中控切換要求如下：將變頻器設置為“自由停機”模式，當第一臺泵的頻率達到工頻且運行穩定后，中控取消變頻器驅動命令Kg；變頻器進入自由停車狀態后，中控取消電機驅動命令Ka（Kb，Kc），發出變頻工頻切換命令Kd（Ke，Kf），接通第一臺泵工頻運行回路；按照上述方法依次啟動第二臺、第三臺泵。

2 現場應用及問題處理

2.1 現場調試過程出現的問題

變頻器“一拖三”應用于脫硫項目漿液循環泵的依次啟動工作，現場反映，在變頻工頻的切換過程中，出現沖擊電流大、容易跳閘的問題，甚至有的現場出現了斷路器或者接觸器燒毀的現象。

2.2 問題分析

查閱大量文獻與資料發現，產生上述問題的主要原因是由于在變頻工頻切換過程中電壓相位不一致所致[1-2]，具體原因分析如下：

2.3 處理措施

2.3.1 延時切換

如果在變頻轉工頻時使電動機定子感應電動勢大大減少，甚至在感應電動勢等于零之后再合閘接上工頻電源，顯然能避免過大的電流沖擊。但是如果電動機的轉速降低過多，切換成工頻時相當于電機變為直接啟動，變頻器就失去了降低啟動電流的功能。由于延時切換過程中沖擊電流仍存在，設計時，可以嘗試將斷路器Q1～Q3與接觸器KM4～KM6額定電流適當放大；調試時，將斷路器短延時時間設置為0.4～0.5s左右[3]，要確保大功率電機的斷路器短延時整定值低于低壓開關柜總進線斷路器短延時整定值，以防引起總進線斷路器跳閘。可選擇在電動機轉速降低到一半的時候切換工頻，這樣在保證沖擊電流不太大的情況下，使變頻器的啟動功能得到一定的發揮。

圖4 三相異步電機變頻轉工頻相量圖[1]

（1）nt/nMN的計算

電動機斷電以后的自由制動過程，轉速的表達式為：

式中：

nt——t秒時轉速，r/min

nMN——電動機的額定轉速，r/min

τM——拖動系統的機械時間常數，s

e——自然對數的底數

泵的機械時間常數 τM=（0.7～1.0）s[2]，通過式（1）計算，t=0.4s時，nt/nMN百分比為56.47%～67%；t=0.5s時，nt/nMN百分比為48.95%～60.65%。

（2）E/E0的計算

電動機電磁時間常數經過實驗測得τE≈0.6s[2]，在電磁過渡過程中，定子繞組電動勢衰減公式為：

式中：

E——定子繞組電動勢在t秒時的有效值，V

E0——定子繞組電動勢的初始有效值，V

τE——切斷電源后的電磁時間常數，s

e——自然對數的底數

通過式（2）計算，t=0.4s時，E/E0百分比為51.34%；t=0.5s時，E/E0百分比為43.46%。

綜上所述，延時切換具體操作步驟如下，先將變頻器設置為“自由停機”模式，當第一臺泵的頻率達到工頻時，且在工頻下運行穩定約1min后，中控取消變頻器驅動命令Kg，變頻器進入自由停機狀態，中控程序延時0.1s發出取消電機驅動命令Ka（Kb，Kc），而后再延時0.3～0.4s發出變頻、工頻切換命令Kd（Ke，Kf），可以較順利地完成變頻、工頻切換過程。調試過程中在變頻與工頻延時切換時，為保障轉速不丟失過多，可以將變頻器的頻率略提高一點到52Hz左右再延時切換，以保證設備穩定運行。

2.3.2 同相切換

經調研，目前國產品牌產品也有一種變頻轉工頻的控制功能，其工作原理是檢測變頻與電網的波形、相位，但是該控制器面板上沒有調整變頻器的輸出電壓的功能。

3 結語

目前，變頻器“一拖三”啟動方案的上述兩種不同的變頻工頻切換方法在工程項目中均有應用。

（1）采用延時切換的方法所用的設備少，經濟性好，合適的延時切換時間是保證切換過程平穩進行的關鍵。文中給出的延時切換時間是基于理論計算以及某工程項目調試反饋所得來的。但是由于不同接觸器反應時間不同，不同斷路器的參數性能不同，不同功率的電動機的機械時間常數以及電磁時間常數不同，導致斷路器、接觸器選型以及延時時間的設置存在差異，在工程調試階段需要投入一定的人力和時間。

（2）采用同相切換的方法，增加了設備投入，但可以很好地解決切換過程中存在的沖擊電流問題，節省調試時間。