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北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 供稿
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在北京利德華福的高壓變頻應(yīng)用中并不少見，但電廠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(yīng)用在以前的調(diào)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(yīng)用調(diào)試就存在很大風(fēng)險，調(diào)試不好很有可能損壞電機或者變頻器，甚至造成廠用電供電事故。
關(guān)鍵詞：大功率電機變頻緊急切工頻
一、 現(xiàn)場情況概述
電機參數(shù)：
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型號
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SPKK900-6
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額定頻率
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50Hz
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額定功率
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6900kW
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功率因數(shù)
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0.87
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定子電壓
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6000V
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定子電流
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789A
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調(diào)頻范圍
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25 Hz-50 Hz
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出廠日期
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2013.6
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生產(chǎn)廠家
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湘潭電機股份有限公司
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變頻器參數(shù)：
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型號
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HARSVERT-VA06/850
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額定容量
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8875kVA
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輸入電壓
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6kV
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輸出電壓
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6kV
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輸入頻率
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50Hz
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出廠日期
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2013.7
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生產(chǎn)廠家
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北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
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現(xiàn)場設(shè)計結(jié)構(gòu)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延時自動合閘，抑制變頻器上電瞬間的勵磁涌流。
變頻器啟動后電機變頻運行，但當(dāng)變頻器發(fā)生重故障跳閘時，自動分開QF2、QF3,變頻器判斷是否可以切工頻，如果非電機過流故障，非電機接地故障，發(fā)出合工頻允許信號，DCS根據(jù)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(zhuǎn)換時大多會遇到過這樣的情況：電機由變頻運行狀態(tài)直接向工頻運行狀態(tài)切換時有時會產(chǎn)生特別大的沖擊電流，能達到其直接啟動電流的兩倍，約 為其額定電流的十四五倍，但有的時候卻幾乎沒有電流沖擊；而斷開變頻一段時間后再轉(zhuǎn)向工頻時就不會再出現(xiàn)太大的沖擊電流，延時的時間越長出現(xiàn)的沖擊電流的 峰值就會越小。但時間越長容易導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降，爐膛正壓造成危險，所以具體多長時間切是個關(guān)鍵問題。
二、問題的分析
三相電動機正常運行時，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)對稱的三相電動勢。若斷開電源后，主磁場消失，但曾經(jīng)被主磁場磁化的轉(zhuǎn)子鐵芯依然存在剩 磁，與此同時由于慣性轉(zhuǎn)子依然高速旋轉(zhuǎn)，在定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢并不會在極短的時間內(nèi)消失，只是有所衰減。圖2是電機兩相之間,在斷開變頻器輸出前、后的的定子繞組的電壓波形，由此可看出，斷開電源后定子線圈的感應(yīng)電動勢逐漸衰減的過程。圖3是圖2的展開，仔細觀察該圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)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，其相位不易觀察，測得在工頻狀態(tài)下的電壓波形進行進一步的分析。因為變頻器50Hz時的輸出電壓與工頻電壓作用在電機上基本時等效的，并不影響分析結(jié)果。圖4是電機在工頻電源下突然斷開電源后的電壓波形圖，由該圖可以看出，電壓波形沒有跳變，所以斷開瞬間感應(yīng)電動勢與電源電壓是 同相位的,其幅值也是基本相等的。隨著剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時伴隨著轉(zhuǎn)速的降低感應(yīng)電動勢的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開。頻率越低，單位時間內(nèi)拉開的相位差也就越大。
為了確定QF4的合閘時機，必須等待一定的時間，保證反電動勢足夠小，這樣沖擊電流才會被限制在預(yù)期范圍以內(nèi)，保證投切可靠，否則會使沖擊電流過大QF0速斷保護跳閘而投切失敗。但時間越長電機失速越大，QF4合閘后長時間不能到達額定轉(zhuǎn)速，電機加速時電流過大并持續(xù)時間過長，超過綜合保護裝置中設(shè)定的電機啟動時間導(dǎo)致過流一段動作跳閘而投切失敗。其次電機功率比較大，啟動時間過長，電機大電流導(dǎo)致廠用電母線電壓拉低，其他設(shè)備運行失�；蚬收稀Ｋ源_定合閘時機是一個很重要的問題。
圖4 電機在工頻下斷開電源后的電壓波形
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實驗，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(shè)定切換時機和保護定值。
3.1不帶高壓邏輯驗證實驗
空載模擬實驗主要是驗證切換邏輯的正確性和可靠性，根據(jù)變頻器程序設(shè)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足以下幾個條件：
· 沒有輸出接地故障
· 變頻器參數(shù)設(shè)定為允許切工頻
· QF2、QF3確實已經(jīng)分閘
· 變頻器并非停機減速過程中
· 變頻器重故障并非過流故障
當(dāng)條件都滿足時會在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，突然切至工頻時負壓突然急劇上升會導(dǎo)致鍋爐熄滅，所以僅將允許和QF4信號發(fā)給DCS，DCS根據(jù)鍋爐運行情況，關(guān)小出口風(fēng)門后發(fā)出QF4合閘指令，切至工頻，還可以根據(jù)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際動作情況是否與設(shè)計邏輯相符合，實驗過程中一定要認真仔細，將高壓開關(guān)搖至試驗位，變頻器設(shè)置為調(diào)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)生我將開柜門設(shè)置為重故障，由于邏輯變化都是秒級動作，眼睛監(jiān)視精確度不夠，所以我用手機的攝像功能監(jiān)視PLC狀態(tài)指示燈，一切準備就緒后將柜門開一個小縫，至開柜門跳閘邏輯動作，經(jīng)過多次驗證邏輯正確可靠。
3.2反電動勢測量實驗
反電動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(shè)備對互感器的二次側(cè)的電壓進行錄波，從而形成一個電壓相對時間的曲線組，根據(jù)電壓的大小選擇合適的合閘時機。
本實驗要在變頻器的輸出開關(guān)柜上加裝電壓互感器，開關(guān)柜的后柜門就無法關(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關(guān)柜的輸出端與一組電壓互感器小車連接，并將高壓軟電纜固定牢靠，用高壓絕緣膠帶包扎完好，接二次線時要注意互感器的極性，二次側(cè)要做好可靠接地。
確認接線正確，做好安全防護工作后，準備就緒我們使用變頻器將風(fēng)機拖動至700-800轉(zhuǎn)/分鐘，模擬出一個重障故變頻器跳閘，變頻器輸出斷路器QF3斷開，電壓偵測設(shè)備在電機端測出了電壓反電動勢電壓波形。
根據(jù)實驗結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，由于是變頻拖動，輸出斷開后反電動勢并不是很大，大約16S后反電動勢基本為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(yīng)該不會造成很大沖擊。
3.2變頻切工頻實際驗證實驗
根據(jù)反電動勢試驗的結(jié)果，而確定了合閘時機，下一步就要驗證在這個合閘時機的條件下，沖擊電流以及大電流持續(xù)的時間，是否能躲過保護定值。
試驗方案：在電源側(cè)高壓開關(guān)QF0的電流二次側(cè)將電流偵測設(shè)備串接其中，檢測變頻切工頻瞬間電流的變化情況。
試驗數(shù)據(jù)：
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項目
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空載
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負載
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備注
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工頻啟動
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手動盤車工頻啟動
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飛車啟動
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飛車啟動
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啟動電流最大值
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20.7A
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19.9A
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16.88A
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19.47A
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變比：1000/5
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啟動時間
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5s
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4.8s
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3s
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4s
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電流波動至穩(wěn)定時間
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由于帶負載工頻直接啟動電流過大，時間較長，經(jīng)過商議認為比較危險，并且以后的工況也不可能允許工頻直接啟動，最終決定工頻直接啟動試驗就不做了，變頻飛車啟動工頻效果也比較理想就按照既定方案，正常時使用變頻運行，當(dāng)變頻發(fā)生故障并且工況運行的情況下能夠及時切換成工頻。
四、結(jié)束語
通過上述實驗證明北京利德華福高壓變頻器在較大功率電機上應(yīng)用的工況中，正常情況下既實現(xiàn)了調(diào)速的功能，達到增能減耗的效果，還可以起到軟啟動的作用，減少大功率電機啟動時對電網(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(shè)備運行的可靠性。
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