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煤礦設備應用高壓變頻調速技術研究實踐

發布日期:2020-02-16   來源:《變頻器世界》19-10期   作者:李劍峰   瀏覽次數:2265
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【摘   要】:地處山東省濟寧市范圍內的煤礦,在礦井主通風機同步電動機高壓變頻調速系統、高壓變頻提升機電控的安全回路、熱電廠廠用電動機高壓變頻器節能改造、高壓變頻技術在熱電廠給水泵的應用方面解決了一些應用問題,有效地保障了安全、高效生產。


                         

 

       

            

關鍵詞:煤礦;設備;高壓變頻;變頻調速

 

近幾年來,地處山東省濟寧市范圍內的一些煤礦與有關單位合作,對高壓變頻技術在相關設備應用方面急需解決的問題開展科技攻關,取得了有價值的研究成果,并在高壓變頻器功率單元常見故障分析與維修方面得到了實踐經驗,對于國內其它煤礦具有一定的參考價值。

1  礦井主通風機同步電動機高壓變頻調速系統  

隨著電力電子變頻技術的發展,特別是IGBT使同步電動機的調速逐漸得到應用。濟寧市鄒城市山東里能里彥礦業有限公司與遼寧榮信電力電子股份有限公司研制出了 RHVC-015-07-09—高電壓源型變頻器,并在礦井主通風機同步電動機高壓變頻調速系統應用成功,現場使用效果良好。

問題由來

里彥主通風機為G4-72-11型離心式,配250kW同步電動機。原有礦井風量4700m3/s,預計最大風量8000m3/s,主通風機的通風能力已成為生產瓶頸。他們根據風量要求需要對通風系統進行重新設計。為了改善電網功率因數,考慮到最大需風量,選用680kW同步電動機較合適,特別是相對異步電動機而言,同步電動機可通過勵磁調節功率因數,具有異步電動機無可比擬的優越性,但是由于自然工況點和最大需風量時的工況點有較大的距離,如果通過調節風門控制風量勢必造成能源的巨大浪費。調節礦主通風機轉速與調節風門方法所取得的不同節電效果可以用全速下的風壓—風量特性曲線和風門打開時的管網特性曲線圖來表示,兩線交點為自然工況點。如果實際需風量為Q2,調節風門得到管網特性,也可以通過改變電動機轉速得到曲線。由于功率與風量和風壓的乘積成正比,顯然通過改變電動機轉速得到的H3OQ2C面積是最小的,也是最節能的。因此,通過改善主通風機轉速的辦法改變主通風機的特性曲線,從而獲得經濟運行工況點尤其必要,如圖1所示。

 

1 風壓風量特性

 

同步變頻調速系統相對于異步變頻調速系統的特點

交流電動機旋轉磁場的同步轉速與定子電源頻率有確定的關系;異步電動機的磁場僅靠定子供電產生,而同步電動機除定子磁動勢外,轉子側還有獨立的直流勵磁或用永久磁鋼勵磁;異步電動機由于勵磁需要,必須從電源吸收滯后的無功電流,空載時功率因數很低。同步電動機通過調節轉子的直流勵磁電流改變輸入功率因數,可以滯后也可以超前;同步電動機轉子有獨立勵磁,在極低的電源頻率下也能運行,在同樣條件下同步電動機的調速范圍比異步電動機更寬;異步電動機要靠加大轉差才能提高轉矩,同步電動機只須加大功角就能增大轉矩,同步電動機比異步電動機對轉矩擾動具有更強的承受能力,能作出更快的動態響應。

RHVC-015-07-09高電壓源型變頻器特點

主要由高壓開關柜、移相隔離變壓器、變頻單元功率柜、控制柜、勵磁柜、數據監測柜等部件組成。在15個變頻功率單元中,每5個變頻功率單元串聯構成1相。三相采用Y形接法,直接輸出6kV三相交流電給電動機供電。

采用IGBT變頻功率單元串聯多重化疊加技術。各個IGBT變頻功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電。額定電壓680V,每相5個,因此相電壓為3480V,所對應的線電壓為6000V。給功率單元供電的二次電壓互相存在1個相位差,實現輸入多重化。

輸入側是將6kV高壓經過高壓開關柜加到移項隔離變壓器的原邊,再根據電壓等級和變頻功率單元的級數由移相隔離變壓器的副邊分為多組,并在移相后分別給每個變頻功率單元獨立供電。

輸出側由每個變頻功率單元的2個交流輸出端子依次進行串聯,分別形成U、V、W三相,再接成Y形,給高壓電動機直接供電。通過對每個變頻功率單元的PWM波形進行疊加,可以得到階梯正弦PWM波形。

變頻器每個變頻功率單元采用??榛杓?。在結構和電氣性能上完全一致,可以通用互換。變頻功率單元的基本拓撲為交—直—交三相整流/單相逆變電路,主要由控制電路、驅動電路、故障檢測電路、通訊電路、顯示電路、整流電路及逆變等電路組成。

控制柜由高速單片機、工控PC機和PLC共同構成。單片機用于實現開環或者閉環控制、PWM波生成控制、工控PC提供操作界面,同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC則用于開關量信號的邏輯處理,控制柜與變頻功率單元之間采用光纖傳導技術。

系統采用WKLF-11型微機全控勵磁裝置。勵磁系統受控制柜內的PLC控制,輸出的勵磁電流隨著變頻器的頻率改變而改變。

礦井出現問題或者變頻故障?;な?,為了保障井下的正常通風,需要倒到工頻運行。當變頻發生故障時,能夠對故障代碼單元號進行記錄。

這種高壓變頻器可以實現對高壓電動機的無級調速,滿足生產工藝過程對電動機調速控制的要求。應用多年來,頻率穩定率在37.5Hz左右,設備運行正常,沒有出現故障。按照節能1/3計算,年減少耗電198.56萬kW·h,年節約費用100萬左右,同時還提高了通風機的裝備水平,使通風機控制更加可靠、故障率大為降低,在同等類型的煤礦具有推廣意義。

2  礦井高壓變頻提升機電控安全回路研制

山東魯泰煤業有限公司鹿洼煤礦對高壓變頻提升機電控的安全回路進行研究,運用計算機總線技術,使提升機電系統中主控機和監控機相互通訊,實現安全回路雙線制,增加提升機電的安全性和可靠性。

TKD提升機電控系統中的安全回路

在這個回路中,將主令零位?;?、工作閘零位?;?、監視繼電器、轉子加速返回點、等速段過速?;?、減速段過速?;?、高壓油?;ざ系縉?、高壓油斷路器、閘瓦磨損、松繩?;?、錯向?;?、機械減速點、解除二級制動、電制動失壓?;ず駝聰蜆肀;さ缺;な涑黿擁憒諞黃?,同時驅動安全輸出線圈。任何1個?;そ詰愣鞫冀鳶踩痰縉魘У?,進而引起高壓換向器掉電?;?、外部機械閘抱閘和信號指示動作,實現緊急制動或二級制動。此安全回路是由大量繼電器節點和2個線圈組成,故障率比較高,加之TKD電控系統自身已經使用較多的繼電器和接觸器,使處理故障難度加大,因此設計1種新型安全回路迫在眉睫。

BTDK提升機系統中的安全回路

新的BTDK提升機系統安全回路是在原有TKD提升機系統安全回路的基礎上進行了改進,計算機技術和先進的控制設備應用到電控系統中。BTDK提升機系統安全回路2個PLC和外部高壓開關柜返回節點組成,即主控機安全回路、監控機安全回路和外部GYD高壓開關;同時,應用計算機總線技術使主控機和監控機能夠相互通訊,實現資源共享,節省硬件設備。主控機使用1個三菱FX2N-64MT可編程控制器,將主令控制器零位、工作閘零位、監視繼電器、轉子返回點、減速段過速、等速段過速、2M/S 限速、正反向過卷、松繩、閘瓦磨損、腳踏急???、深度指示器失效和后備?;ご尤氳街骺鼗陌踩羋分腥?,用其1個輸出接點Y20作為安全回路的1個主機部分;監控機則用1FX2N-32MR可編程控制器,同時也將提升機的所有速度?;?、行程?;ぜ巴馕П;そ尤肟殺喑炭刂破?,用1個輸出接點Y17作為安全回路的監控機部分;GYD則是外部開關柜的節點。該電路工作過程為:正??登?,如果主令和工作閘在零位及各種?;ぞ?,則主控機Y20和監控機Y17均有輸出。主控機Y20控制1個中間繼器,GYD高壓開關在高壓開關柜閉合后由??湮1?,同時主控臺控制面板上的安全條件具備指示燈亮,此時按動1個安全繼電器工作/制動泵啟動按鈕,安全繼電器AC1、AC2得電,安全繼電器亮并開始工作。如果安全?;と魏我幌疃鞫冀賈林骺鼗?/span>Y20或監控機Y17輸出不正常,就會使安全繼電器掉電,通過內部程序控制高壓正、反向接觸器掉電和工作閘抱閘,使提升機安全、可靠地停車。

BTDK提升機電控系統安全回路在現場的應用

鹿洼煤礦在副井提升機采用了BTDK高壓變頻提升機電控系統。在主控機安全回路中,M109為主控機內的深度指示器失效、軸編碼器失效及反轉?;さ暮銑?。M124為主控機內的2m/s限速、松繩?;?、通訊錯誤、正反向過卷及過卷切換和調繩切換開關閉鎖的合成。監控機安全回路中的各項?;び?/span>主控機的?;ぷ饔沒鞠嗤?,主控機安全回路監控機安全回路組成2套相互獨立的安全回路,共同實現對提升機運行時的?;?。

BTDK提升機電控系統安全回路優點

結構簡單。與TKD提升機電控系統相比,故障率明顯下降。在主控機安全回路及監控機安全回路主控機安全回路中,只使用2個可編程控制器的2個輸出點和外部GYD節點,沒有過多中間繼電器。

維護方便。由于不需要過多的繼電器和接觸器節點,維護時只要看懂程序圖即可,如需增加必要的外部?;ず托薷陌踩羋分鋅亓康謀蘸獻刺?,手持編程器或者筆記本簡單更改監控機安全回路?;び脛骺鼗;ぷ饔眉純?。

故障率低。全部參數及邏輯控制全部都在2PLC內部,通過程序自行處理,共同現安全回路雙線制,因此性能更加安全、可靠。

3  應用高壓變頻器對電廠廠用電動機節能改造

廠用電率大小是反映電廠經濟性的重要指標,降低廠用電是電廠節能降耗的關鍵。兗州礦業(集團)公司南屯煤礦煤矸石熱電廠250MW汽輪發電機組,年設計廠用電率10.18%,年平均廠用電率11%左右;主要生產用輔機基本上都是6kV高壓電動機,其中引風機、進風機和一次風機等全部是通過調節擋板進行運行調節的。調節擋板的開度一般只有30%~60%,節流損失巨大;給水泵容量1600kW,配置該廠容量最大的高壓電動機,其壓力損失高達5MPa。以上電動機的總功率為11850kW,約占全廠用電功率70%左右,每年因此浪費的電能非常巨大。為此,他們對送風機、引風機和給水泵3種設備進行變頻控制技術改造,廠用電將控制在一個比較合理的水平上,對電廠實現經濟運行、節能降耗、提高經濟效益能夠起到重要作用。

變頻調速改造思路

風機、水泵是發電廠的重要輔助設備,且容量大,耗電多,加上這些設備都是長期連續運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態。送風機是用來給鍋爐燃燒提供空氣的輔機設備,引風機則是將鍋爐燃燒產生的高溫煙氣經除塵裝置后排向煙道的輔機設備。由于機組的負荷經常變化,為了保證鍋爐的燃燒和負壓的穩定,需要及時調整送、引風量,一般機組采用調整入口導向葉片的角度風門開度的方式來調節風量,這種風門調節的截流損耗一般為額定容量30%,如果采用變頻調速改造,將完全消除風門和葉片的截流損耗,大大提高節能效果。電廠必須配備的水泵主要有鍋爐給水泵、循環水泵和凝結水泵,是電廠中耗電量最大的一類輔機,提高水泵的運行效率、降低水泵的電耗對降低廠用電率具有舉足輕重的意義。隨著機組負荷和季節的變化,為了保證機組在合理的經濟真空值運行,需要的冷卻水量是變化的。通常冬季單臺泵運行流量偏大,夏季單臺泵流量不足,需要2臺泵運行,而2臺泵的流量又過大。因此,發電機組采用調節閥實現冷卻水流量調節,這種調節方式控制的汽輪機真空度不穩定,不能保證汽輪機的經濟運行,尤其在低負荷運行時閥門的節流損耗大,泵的運行效率也很低。若進行變頻調速改造,既可節能降耗,又能根據機組負荷和季節的變化調節冷卻水的流量,達到汽輪機最有利真空的控制目的,實現汽輪機真空度的高精度控制和經濟運行的目的。理論分析表明:風機、水泵是電廠的主要耗電設備,在運行中有著很大的節能潛力,具有明顯的節能效果。因此在電廠中對風機、水泵進行變頻調速非常有必要。

變頻調速改造實踐

變頻裝置與電動機的連接方式。次回路由進線柜、手動切換柜、變頻器、電動機組成,其中進線柜和電動機由用戶自備。旁路柜的作用是在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時將電動機投入到工頻電網運行,保證生產不受影響。進線柜為工頻運行時的電動機同時也為變頻運行時的變頻器提供電氣?;?,?;さ惱ㄖ狄員;さ綞?。變頻運行時,變頻器為電動機提供全面?;?,但變頻器本身的?;?/span>主要是過電壓?;?、速斷?;?/span>由進線柜負責,其整定值保持為電動機的?;ふㄖ擋槐?。旁路柜必須與上級高壓斷路器連鎖,旁路柜隔離開關未合到位時不允許高壓斷路器合閘,高壓斷路器合閘時絕對不允許操作隔離開關,以防止出現拉弧現象,確保操作人員和設備的安全。

變頻調速的工作原理。采用變頻調速時可以按需要升降電動機轉速,改變風機的性能曲線,使風機的額定參數滿足工藝要求。根據風機的相似定律和變速前后風量、風壓、功率與轉速之間的關系,轉速降低50%則功率只需1/8。降低轉速能極大降低軸功率,達到節能的目的。轉速下降時風機的額定工作參數風量、風壓、功率都降低,但從效率曲線看,降速前后的效率值基本是一樣的。也就是說,轉速降低時額定工作參數相應降低,但是效率不會降低有時甚至會提高,因此在滿足操作要求的前提下,風機仍能在同樣甚至更高的效率下工作。

體會

這個廠的應用實踐表明:采用高壓變頻調速控制技術對風機和水泵的電動機進行變頻控制,實現了進風風量和給水流量變負荷調節的最佳效果,可以根據流量或者壓力的變化來調節電動機的轉速,降低電能的損耗、節約生產成本、延長設備使用壽命、減少維護量,短期即可收回全部投資,為降低熱電廠廠用電率提供了良好的途徑。

4  高壓變頻技術在熱電廠給水泵的應用

熱電廠的電力、熱力負荷波動較大,給水泵采用工頻運行,供水需求量與供給量的不平衡造成鍋爐給水不穩定,長期運行輕則損壞設備,重則導致安全事故。兗州礦業(集團)公司濟寧二號煤礦煤矸石熱電廠采用高壓變頻技術有效地解決了此問題。

原先存在的問題

該廠總裝機容量4.5MW,31.5MW機組,375t/h燃中煤、煤泥為主的循環流化床鍋爐,配備3臺電動高壓給水泵、1臺汽動給水泵。給水泵入口側的取水均取自除氧器出口的公用母管,給水泵出口側均匯入同一母管。鍋爐的給水量靠水位調節門進行控制。系統根據機組負荷高低,控制主給水調整門開度調節主給水流量,從而達到穩定汽包水位的目的。給水量偏差大時需要開給水再循環門,部分水量再回到除氧器,形成自循環。在這種調節方式下,系統主要存在以下問題:采用給水泵定速運行,閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低,造成能源浪費;流量降低閥位開度減小時調整閥前后壓差增加,工作特性變壞,壓力損失嚴重,造成能耗增加;長期的40%~70%閥門開度加速閥體自身磨損,導致閥門控制特性變差;管網壓力過高威脅系統設備的密封性能,嚴重時導致閥門泄漏,不能關嚴等情況發生;設備使用壽命短、日常維護量大,維修成本高,造成各種資源的極大浪費。解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術。

高壓變頻調速控制技術的目標與方案

高壓變頻調速控制技術的目標。向變頻系統提供鍋爐獨立汽包水位的反饋信號,實現自動控制;應用高壓變頻調速控制技術改造以后的控制系統獨立于現有的DCSDistributed Control System)分散控制系統,有獨立的檢測、控制、顯示、數據處理系統,在中央控制室能監視供水系統狀態、實時監視系統運行狀態,記錄系統運行數據;實現遠程控制性能,在中控室進行遠程命令控制及系統控制目標參數修改;實現與其它水泵的切換互補運行,并實現完善的故障處理功能,故障?;笞遠舳淥?,保障供水系統安全運行。

高壓變頻調速控制技術的方案。僅對電動給水泵進行改造。變頻控制為一拖一方案,配備1臺變頻器。變頻調速系統接于6kV主動力電源系統。變頻系統增設旁路以增加安全性。這是手動旁路的典型方案。為實現變頻器故障?;?,變頻器對現場高壓斷路器進行連鎖。一旦變頻器故障,變頻器跳開高壓斷路器。電動機工頻運行時,變頻器撤消對高壓斷路器的跳閘信號而允許高壓斷路器合閘,使電動機能正常通過高壓斷路器合閘工頻啟動,同時實現與其它水泵切換互補運行;故障?;笞遠舳淥?,保障供水系統安全運行。

5  高壓變頻器功率單元常見故障分析與維修

濟寧何崗煤礦2010年分別對礦井主、副提升系統進行高壓變頻改造,極大提高礦井主提升系統的安全性、經濟性、可靠性。通過在現場對相應故障進行正確及時維修處理,極大減少因設備故障影響生產的時間,有利于保障礦井安全生產。通過對高壓變頻器功率單元的維修,每年節省十余萬元的返廠維修費用,取得了較好的經濟效益。他們對單元串聯式高壓變頻器使用中常見的故障及對應的現場處理方法進行了總結分析。

功率單元常見輕故障分析與維修

高壓變頻器美中不足的是由于受大功率開關元件IGBT耐壓這一主要技術參數的影響,還無法實現直接逆變,所以現用高壓變頻器采用單元串聯脈寬調制疊波升壓輸出原理。何崗煤礦主、副井提升機高壓變頻器就是基于此種原理。功率單元是單元串聯式高壓變頻器的核心部件,也是承受高電壓大電流沖擊的部件,是該類型變頻器的主要易損件之一。在日常使用中,高壓變頻器熔斷器故障、光纖故障、過電壓故障在現場出現頻率較高。

熔斷器故障與維修。當變頻器人機界面上顯示熔斷器故障時,根據對應單元編號查找,用萬用表檢查對應單元的2只熔斷器,出現熔斷情況時應更換同規格熔斷器,更換完成后送電進行故障復位,一般情況下可以恢復正常運行。如不能恢復正常運行則更換功率單元解決。

光纖故障與維修。出現光纖故障時,應分不同情況進行維修。常見光纖故障有以下3種情況:光纖本身故障,處理方式為更換光纖;因功率單元熔斷器故障,出現光纖故障報警,則更換相應功率單元的熔斷器;光纖板故障,更換對應的光纖板。

過電壓故障與維修。變頻器在運行中,特別是在能量回饋過程中容易出現過電壓故障,一般情況下采取故障復位的方式能夠解決。

功率單元常見重故障分析與維修

功率單元常見重故障IGBT故障、驅動板故障、過電壓不能復位等。這些故障表現在日常維護上具有突發性、現場維修時間長或不易維修等特點,很難通過維護保養等常規方式解決,只能更換備用功率單元恢復設備正常運行。對于功率單元重故障維修,需要在結合功率單元工作原理的基礎上進行分析,然后進行維修。

IGBT重故障。主要表現為出現熔斷器故障,更換熔斷器后仍然熔斷,多為IGBT非可逆性損壞或炸管,分析其原因多為IGBT擊穿或高壓變頻器運行中頻繁停送電引起。對炸管故障能夠比較直觀判斷出故障點,但在多數情況下,IGBT損壞后很難從外觀上判斷出故障點。在不具備試驗條件的情況下,常規判斷IGBT??槭欠裾5姆椒ㄈ縵攏?/span>a.判斷極性。首先將萬用表撥在R×1K。用萬用表測量時,若某一極與其兩極阻值為無窮大,調換表筆后該極與其兩極的阻值仍為無窮大,則判斷此極為柵極(G)。其余兩極再用萬用表測量,若測得阻值為無窮大,調換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中則可判斷紅表筆接的為集電極C),黑表筆接的為發射極E)。b.判斷好壞。將萬用表撥在R×10K檔。用黑表筆接IGBT的集電極C),紅表筆接IGBT的發射極E),此時萬用表的指針在位。用手指同時觸及一下柵極(G和集電極C),這時IGBT被觸發導通,萬用表的指針擺向阻值較小的方向,并能指示在某一位置;再用手指同時觸及一下柵極(G和發射極E),這時IGBT被阻斷,萬用表的指針回。此時即可判斷IGBT是好的。c.注意事項。任何指針式萬用表均可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT好壞時一定要將萬用表撥在R×10K檔。因為R×11K檔以下各檔萬用表內部電池電壓太低,檢測好壞時不能使IGBT導通,從而無法判斷IGBT的好壞。但是,在進行逆變側IGBT??榧觳饈庇ψ⒁餛淠謚枚苡胝韃郔GBT??櫸椒ㄉ嫌興煌?。特別需要說明的是,經過測試后,完好的,IGBT??櫚?/span>柵極(G應當進行短路放電,防止因柵極間剩余電壓造成IGBT導通,導致IGBT??樵諼蘚笊系縭匝槭彼鴰?。更換IGBT??槭?,使用的電絡鐵必須進行接地,以防止感應電壓損壞IGBT???。

驅動板常見故障分析與維修。驅動板常見故障主要表現為無輸出驅動脈沖信號。分析其原因多數為驅動電路所對應IGBT柵極已被擊穿。柵極損壞時驅動電路板?;ふぜ奈妊構芤菜嬤鞔┧鴰?,或者在嚴重的情況下損壞整個驅動電路。正常情況下,檢測該電路電阻RG處觸發電平為9.5V,使用示波器檢測波形為驅動電路正常。反之,則應進行相應的維修。

過電壓故障分析與維修。當變頻器在控制面板上顯示過電壓故障并且通過故障復位處理不能恢復正常運行時,應當考慮是功率單元電壓檢測電路出現故障,需在現場更換備用功率單元,先恢復設備運行。更換下來的故障功率單元要檢查其單元控制板的直流母線電壓檢測電路。此電路由降壓電路、電壓傳感器、三運算放大器及外圍電路組成。過電壓一般由兩部分引起。一部分是電壓檢測電路故障。通過對常見降壓及電壓檢測傳感器電路進行分析可知,降壓電阻一般不會出現故障,故障率較高的為LV25-P電壓傳感器。故障后可以直接進行更換。另一部分是傳統AD620三運算放大器及外圍電路故障。根據AD620的工作原理,出現過電壓故障的原因可以分為兩個方面:一是AD620三運算放大器自身故障引起誤報過電壓;二是放大器外部增益控制電阻RG阻值變化,導致誤報過電壓。正常情況下,更換相應元件可以恢復正常使用。

體會

高壓變頻器功率單元的維修是一項低成本高效益的維修工作。購置相對廉價的電子元件進行現場維修,在能夠現場解決設備故障的同時,每年可以節約數萬元返廠維修費用。這項工作要求維修人員具備相應的電工電子理論知識和現場維修經驗。在現場維修后應當進行通電試驗。為了確保試驗安全,應當先進行低電壓導通試驗,正常后再進行上機運行試驗。

 

 
 
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