變頻器在設(shè)備改造中的應(yīng)用和研究

史恒亮,趙寶亮,李文博

(山東海化集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 262737)

山東海化股份有限公司是一家大型綜合性海洋化工企業(yè),1998年5月在深圳證券交易所上市,是全國重要的基礎(chǔ)化工原料制造企業(yè)和全國最大的純堿制造企業(yè),純堿、原鹽、溴素、純堿等眾多產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工、冶金、建材等行業(yè)和領(lǐng)域,多種產(chǎn)品產(chǎn)能位居全國前列。

1 項目概況

火電廠1#、2#爐一、二次風(fēng)機(jī)電機(jī)高壓變頻器2015年投運,隨投運時間增長,運行過程中多次出現(xiàn)功率模塊故障, 嚴(yán)重影響鍋爐設(shè)備的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。功率單元和主控系統(tǒng)的板件是高壓變頻器的核心部件,內(nèi)部具備多種電力電子元器件,一定時間的運行后,受到環(huán)境中磁場、溫度和灰塵以及其他不確定的因素影響,其電力電子元器件和PCB電路板等會發(fā)生功能老化,導(dǎo)致故障頻發(fā),嚴(yán)重影響設(shè)備運行,大大降低變頻器投用率。

2 GD5000系列變頻器總體系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)功能介紹

切換柜:根據(jù)不同的需求通常有三種形式,分別為手動開關(guān)柜、自動開關(guān)柜、隔離式自動開關(guān)柜;完成變頻、工頻轉(zhuǎn)換、工頻切換等動作。

移相變壓器柜:由移相變壓器與上電緩沖電路構(gòu)成(100 A以下不設(shè)緩沖回路,利用變壓器漏感緩沖,100～245 A設(shè)緩沖部分,290 A以上獨立成柜)。高壓四象限變頻器功率單元整流側(cè)采用IGBT取代傳統(tǒng)兩象限高壓變頻器的二極管,由于IGBT反并聯(lián)二極管抗沖擊能力沒有整流二級管強(qiáng),因此高壓四象限變頻器(不管多大功率)輸入側(cè)均設(shè)置上電緩沖環(huán)節(jié),減小上電瞬間對電網(wǎng)沖擊。

功率單元柜主要存放功率單元,按照標(biāo)準(zhǔn)配置6 kV每相5個單元,10 kV每相8個單元。

控制柜為整個變頻器的核心部分,完成對變頻器各組成部分的邏輯控制集成變頻器的輸入、輸出電壓和電流的訊號信息,完成電機(jī)控制算法等。

2.2 變頻器工作原理介紹

圖1 變頻器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變頻器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用單元串聯(lián)方案,單元串聯(lián)多電壓源高壓變頻器采用低壓單相變頻器串聯(lián),以補(bǔ)償功率器件IGBT的耐壓能力不足。多重性是指每相中幾個低壓電源單元的串聯(lián),每個單元由多繞組移相隔離變壓器供電。隔離變壓器為三相干式整流變壓器,風(fēng)冷,具有使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)點。變壓器次級繞組的數(shù)量取決于逆變器的電壓等級和結(jié)構(gòu)。6 kV系列有15個,10 kV系列有24個。擴(kuò)展的三角形連接為每個電源單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量,15組繞組分為5大組,24組繞組分為8大組,3個功率單元作為一組,組內(nèi)相位相同,同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相,從而形成了5組移相30脈沖,8組48脈沖的多重化整流方式。

3 方案實施與改造

3.1 主回路方案的改造

為確保設(shè)備運行穩(wěn)定,改造期間通常保留工頻運行回路,簡單說就是增加工頻或在變頻旁路增加切換柜,通過系統(tǒng)控制自由切換到工頻運行或變頻運行,檢修時系統(tǒng)可繼續(xù)工頻運行,以避免生產(chǎn)中斷。英威騰提供的GD5000系列高壓變頻器拖動控制方案有幾種供用戶選擇,分別為手動切換方案和帶隔離自動切換方案,針對本項目需求,方案如下:

2#LF爐除塵風(fēng)機(jī)選擇一拖一手動旁路方案;

1#、2#連鑄機(jī)二冷蒸排風(fēng)機(jī)選擇一拖一手動旁路方案;

1#、2#轉(zhuǎn)爐高壓熱水循環(huán)泵選擇一拖三手動旁路方案;

1#、2#轉(zhuǎn)爐高壓給水泵選擇一拖二手動切換方案。

圖2 一拖一手動切換方案

一拖一手動旁路柜是由三個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴(yán)格按照“五防”的聯(lián)鎖規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計,變頻器輸出端QS2和旁路高壓隔離開關(guān)QS3機(jī)械閉鎖,能確保變頻調(diào)速系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。在變頻運行的狀況下,QS1、QS2閉合,QS3斷開。若由手動切換至工頻運行,先暫停變頻器正常輸出,斷開用戶開關(guān),同時通過機(jī)械操作依次斷開QS1、QS2,再將機(jī)械操作閉合QS3,使電機(jī)切換至工頻側(cè),合上用戶開關(guān),達(dá)到電機(jī)工頻運行;在工頻旁路運行狀況下,QS3閉合,QS1、QS2斷開。如需手動切換至變頻運行時,系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān),由機(jī)械操作斷開QS3,然后由機(jī)械操作依次閉合QS2、QS1,使電機(jī)切換至變頻側(cè),再合上用戶開關(guān)。此時需要注意,在變頻器變頻切工頻模式運行后,并不代表變頻器能完全實現(xiàn)與工頻電源的安全隔離,故在未脫開工頻電源前,嚴(yán)禁對變頻器進(jìn)行維護(hù)檢修,以免發(fā)生安全事故。

3.2 電機(jī)側(cè)的改造

1)施工說明

①現(xiàn)場進(jìn)行變頻改造代替液耦調(diào)速方式,由于液力耦合器自身種種弊端,考慮到長期運行穩(wěn)定性,因此需拆除液力耦合器將電機(jī)移位與負(fù)載采用直接連接方式:

②為確保設(shè)備投運后的安全、穩(wěn)定,對電機(jī)移位后與負(fù)載直聯(lián)的磨擦片接手必須重新定制;

③底腳孔要采用鉆孔成型,底腳螺栓要用聚合環(huán)氧樹脂澆注工藝;

④完畢后需要重新進(jìn)行電機(jī)的動平衡試驗。

2)變頻運行

按變頻正常操作步驟帶負(fù)載運行即可。

3)工頻運行

當(dāng)變頻器出現(xiàn)設(shè)備故障或檢修時,通過變頻器旁路切換到工頻運行。采用原來的啟動方式。此時工頻運行無液耦,要充分配合擋板,以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)壓、流量的目的。

4)突出優(yōu)點

變頻改造得徹底,節(jié)電效果最明顯。

3.3 控制系統(tǒng)的改造(變頻器的控制方式)

高壓變頻器采用遠(yuǎn)程(上位機(jī))進(jìn)行啟動、停止操作、運行頻率設(shè)定和運行狀態(tài)實時監(jiān)控,實現(xiàn)了根據(jù)爐膛壓力來進(jìn)行轉(zhuǎn)速精細(xì)、微調(diào)控制功能。

4 現(xiàn)場實施

4.1 安裝基礎(chǔ)及現(xiàn)場改造

變頻器柜體必須豎直安裝在混凝土澆注平整槽鋼地基架上,表面整體不平整度小于5 mm。基礎(chǔ)必須由不燃材料制成,表面光滑、無磨損、防潮,并能承受變頻調(diào)速系統(tǒng)的重量。電纜鋪設(shè)管道必須由不可燃材質(zhì)制成,表面光滑、無磨損,要防潮、防塵,并且具備防止動物進(jìn)入的措施。詳見圖3、圖4。

圖3 基礎(chǔ)要求示意圖-接地要求

圖4 基礎(chǔ)要求示意圖-地溝及預(yù)埋件

1)并柜的要求簡單來說就是正面、背面對齊,柜子之間的縫隙要盡可能小;單面維護(hù)的盡量把柜頂上的角鋼連接安裝好。

2)把變頻器的底座和支架或預(yù)埋件做焊接處理,一般單個柜子保持有4個焊接點就行。

3)線路連接-移相變壓器的接線,變壓器二次側(cè)連接方式,線路連接-功率單元接線,單元上的輸入電纜在安裝時注意不要碰到單元導(dǎo)軌,以防時間長了損壞電纜絕緣。

4)線路連接-無感盤上的接線在出廠時其他線路都已經(jīng)接好,現(xiàn)場只需要接隔離變壓器的電源輸入線、通訊光纖。

5)移相變壓器溫度控制儀上的接線就按照電氣原理圖連接就可,如下圖5所示;

圖5 移相變壓器溫度控制儀電氣原理圖

6)門禁、旁路柜、風(fēng)機(jī)線路按電氣圖紙連接。

4.2 上電調(diào)試過程

4.2.1 常規(guī)檢查和測試

做常規(guī)檢查、確認(rèn)。調(diào)試前檢查柜體外觀,表面不應(yīng)有刮傷痕跡,整機(jī)裝配要完好,不存在變形、磕碰等不良現(xiàn)象;柜體內(nèi)無雜物,柜體上銘牌的型號要與設(shè)備一致;要檢查靠近主控柜的功率單元柜中引出的電壓檢測板輸入、輸出屏蔽線的屏蔽層單端接地,轉(zhuǎn)速追蹤板的輸入、輸出屏蔽線單端接地,系統(tǒng)接地等情況;要確認(rèn)移相變壓器與功率單元之間的連接線牢靠程度,接線順序;要核實控制板、光纖驅(qū)動板和每個電源單元之間的光纖跳線連接情況;觸摸屏的屏蔽線一端接地,開關(guān)柜的輸入電流檢測線的屏蔽線另一端接地;明確檢查控制系統(tǒng)的接線是否與電氣接線圖一致。

4.2.2 變頻器耐壓測試

變壓器到現(xiàn)場時最少已做過2次耐壓測試,屬于破壞性試驗。建議以變頻器額定電壓的1.8倍;再做一次耐壓測試。測試時注意連接電纜,拆除避雷器,變壓器二次側(cè)需要全部短接接地。檢查接線是否正確且無短路后,打開控制電源。檢查門禁信號、柜頂風(fēng)機(jī)運行方向(風(fēng)機(jī)外殼上有轉(zhuǎn)向標(biāo)志);和廠家進(jìn)行模擬信號對接工作,選擇一個空余S端子與COM短接,設(shè)置功能為45:調(diào)試信號輸入,可以進(jìn)行模擬運行以及除模擬量反饋信號外的用戶需要的信號進(jìn)行測試。變頻器與高壓斷路器互鎖測試:此時要注意,在進(jìn)行工變頻切換操作時,切換前,需在觸摸屏上的“指令擴(kuò)展”點“切斷高壓電”,否則會報“旁路柜操作錯誤故障”。分合刀閘時,必須確認(rèn)設(shè)備已經(jīng)停止,高壓電源已經(jīng)切斷,以防范安全事故。

4.2.3 控制電源測試

JTC1、JTC2 串聯(lián)接入高壓斷路器合閘線圈,JTO1、JTO2并聯(lián)接入高壓斷路器分閘線圈;此時注意,如果工藝允許,可以將變頻器的故障輸出并入分閘回路,接這個電路時需要把端子矩陣X40-1、X40-2之間的短接片去掉。X40-2上有接入交流電源,高壓斷路器的控制回路為DC220V電源上高壓電源測試。首次上高壓電時要保證柜門關(guān)好,相關(guān)人員站位須距離柜體5 m,無關(guān)人員離開房間,送電操作員和現(xiàn)場觀察的人員需有人陪同,穿戴好相關(guān)防具,送電后觀察變頻器在充電過程中有無異常,有異常需及時斷電,逆變器準(zhǔn)備就緒后通過觸摸屏觀察輸入電壓是否正常。帶載試機(jī),先手動點動運行,確認(rèn)電機(jī)方向,頻率慢慢往上加,隨時觀察電機(jī)運行是否異常,如電磁噪音、機(jī)械噪音、振動等;直至額定頻率運行。

5 結(jié) 語

隨著我國新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)物質(zhì)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)等都將發(fā)生重大變革,亟需探索轉(zhuǎn)型可行路徑及重大問題解決之道,為電力行業(yè)中長期發(fā)展提供參考。本項目研發(fā)成功對電廠提供了高壓風(fēng)機(jī)的節(jié)能經(jīng)驗,行業(yè)借鑒價值較大。