摘要： 陜西某發(fā)電有限公司#3機組擴容改造，將原兩臺吸風(fēng)機改為一臺大吸風(fēng)機，為了提高效能為電機配套了一臺北京利德華福高壓變頻器。大功率電機的變頻拖動(dòng)在北 京利德華福的高壓變頻應用中并不少見(jiàn)，但電廠(chǎng)為了機組運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行，保證機組不停機。

    這種應用在以前的調試中也偶爾遇到，但功率大多在1000kW以下，如此大功率電機的應用調試就存在很大風(fēng)險，調試不好很有可能損壞電機或者變頻器，甚至造成廠(chǎng)用電供電事故。

    關(guān)鍵詞：大功率電機變頻緊急切工頻

一、 現場(chǎng)情況概述

    電機參數

    變頻器參數
 

    現場(chǎng)設計結構如圖（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磁涌流。

    變頻器啟動(dòng)后電機變頻運行，但當變頻器發(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，如果非電機過(guò)流故障，非電機接地故障，發(fā)出合工頻允許信號，DCS根據鍋爐運行情況分析是否可以切工頻，如果允許就合QF4，電機切換至工頻運行。

                                         圖1 切換控制的主電路

    做電機變頻切工頻轉換時(shí)大多會(huì )遇到過(guò)這樣的情況：電機由變頻運行狀態(tài)直接向工頻運行狀態(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)間后再轉向工頻時(shí)就不會(huì )再出現太大的沖擊電流，延時(shí)的時(shí)間越長(cháng)出現的沖擊電流的 峰值就會(huì )越小。但時(shí)間越長(cháng)容易導致風(fēng)機轉速下降，爐膛正壓造成危險，所以具體多長(cháng)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)機正常運行時(shí)，以同步轉速旋轉的主磁場(chǎng)在定子三相繞組內感應對稱(chēng)的三相電動(dòng)勢。若斷開(kāi)電源后，主磁場(chǎng)消失，但曾經(jīng)被主磁場(chǎng)磁化的轉子鐵芯依然存在剩 磁，與此同時(shí)由于慣性轉子依然高速旋轉，在定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢并不會(huì )在極短的時(shí)間內消失，只是有所衰減。圖2是電機兩相之間,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(xiàn)圈的感應電動(dòng)勢逐漸衰減的過(guò)程。圖3是圖2的展開(kāi)，仔細觀(guān)察該圖可以看出，隨著(zhù)轉速的降低，轉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(guān)察，測得在工頻狀態(tài)下的電壓波形進(jìn)行進(jìn)一步的分析。因為變頻器50Hz時(shí)的輸出電壓與工頻電壓作用在電機上基本時(shí)等效的，并不影響分析結果。圖4是電機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)瞬間感應電動(dòng)勢與電源電壓是 同相位的,其幅值也是基本相等的。隨著(zhù)剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時(shí)伴隨著(zhù)轉速的降低感應電動(dòng)勢的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開(kāi)。頻率越低，單位時(shí)間內拉開(kāi)的相位差也就越大。

    為了確定QF4的合閘時(shí)機，必須等待一定的時(shí)間，保證反電動(dòng)勢足夠小，這樣沖擊電流才會(huì )被限制在預期范圍以?xún)?，保證投切可靠，否則會(huì )使沖擊電流過(guò)大QF0速斷保護跳閘而投切失敗。但時(shí)間越長(cháng)電機失速越大，QF4合閘后長(cháng)時(shí)間不能到達額定轉速，電機加速時(shí)電流過(guò)大并持續時(shí)間過(guò)長(cháng)，超過(guò)綜合保護裝置中設定的電機啟動(dòng)時(shí)間導致過(guò)流一段動(dòng)作跳閘而投切失敗。其次電機功率比較大，啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)，電機大電流導致廠(chǎng)用電母線(xiàn)電壓拉低，其他設備運行失?；蚬收?。所以確定合閘時(shí)機是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

                                             圖4 電機在工頻下斷開(kāi)電源后的電壓波形

三、驗證試驗

    為了電機的變頻切工頻能夠試驗，我們必須做以下幾個(gè)實(shí)驗，一方面驗證切換邏輯的正確性和可靠性，另外一方面就是設定切換時(shí)機和保護定值。

    3.1不帶高壓邏輯驗證實(shí)驗

    空載模擬實(shí)驗主要是驗證切換邏輯的正確性和可靠性，根據變頻器程序設計要求，變頻器若在運行中突然發(fā)生重故障，若要切至工頻需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：

沒(méi)有輸出接地故障
變頻器參數設定為允許切工頻
QF2、QF3確實(shí)已經(jīng)分閘
變頻器并非停機減速過(guò)程中
變頻器重故障并非過(guò)流故障

    當條件都滿(mǎn)足時(shí)會(huì )在QF3分閘1秒后發(fā)出QF4合工頻允許信號，而不是直接合工頻，主要是因為切工頻還要考慮到鍋爐自身的一些條件，如果鍋爐本身負載比較低，要求風(fēng)量并不大，突然切至工頻時(shí)負壓突然急劇上升會(huì )導致鍋爐熄滅，所以?xún)H將允許和QF4信號發(fā)給DCS，DCS根據鍋爐運行情況，關(guān)小出口風(fēng)門(mén)后發(fā)出QF4合閘指令，切至工頻，還可以根據情況投油，避免熄火。

                                        圖5 變頻器切工頻判斷邏輯圖

    空載邏輯試驗就是驗證實(shí)際動(dòng)作情況是否與設計邏輯相符合，實(shí)驗過(guò)程中一定要認真仔細，將高壓開(kāi)關(guān)搖至試驗位，變頻器設置為調試狀態(tài)，按照正常邏輯投入變頻運 行狀態(tài)，為了方便重故障信號的產(chǎn)生我將開(kāi)柜門(mén)設置為重故障，由于邏輯變化都是秒級動(dòng)作，眼睛監視精確度不夠，所以我用手機的攝像功能監視PLC狀態(tài)指示燈，一切準備就緒后將柜門(mén)開(kāi)一個(gè)小縫，至開(kāi)柜門(mén)跳閘邏輯動(dòng)作，經(jīng)過(guò)多次驗證邏輯正確可靠。

3.2反電動(dòng)勢測量實(shí)驗

    反電動(dòng)勢試驗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設備對互感器的二次側的電壓進(jìn)行錄波，從而形成一個(gè)電壓相對時(shí)間的曲線(xiàn)組，根據電壓的大小選擇合適的合閘時(shí)機。

    本實(shí)驗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(mén)就無(wú)法關(guān)閉，試驗人員還要在附近偵測電壓，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(chē)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(xiàn)時(shí)要注意互感器的極性，二次側要做好可靠接地。

    確認接線(xiàn)正確，做好安全防護工作后，準備就緒我們使用變頻器將風(fēng)機拖動(dòng)至700-800轉/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)，電壓偵測設備在電機端測出了電壓反電動(dòng)勢電壓波形。

    根據實(shí)驗結果我們發(fā)現，由于是變頻拖動(dòng)，輸出斷開(kāi)后反電動(dòng)勢并不是很大，大約16S后反電動(dòng)勢基本為0.且分斷后1s以后電壓已經(jīng)降到分段前的50%以下，所以我們認為輸出斷路器分斷后3s左右合工頻斷路器QF4應該不會(huì )造成很大沖擊。

3.2變頻切工頻實(shí)際驗證實(shí)驗

    根據反電動(dòng)勢試驗的結果，而確定了合閘時(shí)機，下一步就要驗證在這個(gè)合閘時(shí)機的條件下，沖擊電流以及大電流持續的時(shí)間，是否能躲過(guò)保護定值。

    試驗方案：在電源側高壓開(kāi)關(guān)QF0的電流二次側將電流偵測設備串接其中，檢測變頻切工頻瞬間電流的變化情況。

    試驗數據：
            

        由于帶負載工頻直接啟動(dòng)電流過(guò)大，時(shí)間較長(cháng)，經(jīng)過(guò)商議認為比較危險，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)試驗就不做了，變頻飛車(chē)啟動(dòng)工頻效果也比較理想就按照既定方案，正常時(shí)使用變頻運行，當變頻發(fā)生故障并且工況運行的情況下能夠及時(shí)切換成工頻。

四、結束語(yǔ)

    通過(guò)上述實(shí)驗證明北京利德華福高壓變頻器在較大功率電機上應用的工況中，正常情況下既實(shí)現了調速的功能，達到增能減耗的效果，還可以起到軟啟動(dòng)的作用，減少大功率電機啟動(dòng)時(shí)對電網(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，保證設備運行的可靠性。