变频特性范文

变频特性范文（精选6篇）

变频特性 第1篇

关键词：变频器,维护,检修

0 引言

变频器是应用变频技术与微电子技术, 通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件, 利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置, 从而实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。

1 变频器的组成

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术, 得到广泛应用。

变频器通常分为4部分:整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电;高容量电容存储转换后的电能;逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关, 将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波;控制器按设定的程序工作, 控制输出方波的幅度与脉宽, 使叠加为近似正弦波的交流电, 驱动交流电动机。

2 变频器的维护与检修

2.1 日常维护与检查

变频器应安装于室内, 周围温度为-10℃~40℃。相对湿度为5%~95% (不结露) 。外部应不受阳光直射, 无灰尘、腐蚀性气体、可燃气体、油雾、蒸汽、滴水或振动, 应避免含盐分较多的环境, 不会因温度急剧变化而结露。海拔高度应低于1 000m, 振动应≤3mm。安装还要有足够的空间, 方便装置的拆装和检查维护, 有通风口或换气装置, 以排除变频器产生的热量, 要与易受高次谐波干扰和无线电干扰的设备分开。

对于连续运行的变频器, 可以从外部目视检查运行状态。定期对变频器进行巡视检查, 检查变频器运行时是否有异常现象。检查环境温度是否正常, 根据实验证明, 变频器的使用环境温度每升高10℃, 则其使用寿命减少一半, 变频器的温度要求在-10℃~40℃范围内, 以25℃左右为佳;变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常;显示面板上显示的字符是否清楚, 是否缺少字符;用测温仪器检测变频器是否过热, 是否有异味;变频器风扇运转是否正常, 有无异常, 散热风道是否通畅;变频器运行中是否有故障报警显示;检查变频器交流输入电压是否超过最大值。极限是418V (380V×1.1) , 如果主电路外加输入电压超过极限, 即使变频器无法运行, 也会对变频器线路板造成损坏。

2.2 定期检修

要科学合理的制定检修作业计划, 将定期检查重点放在变频器日常运行时无法巡视到的部位。定期检修时, 操作前必须切断电源, 变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后, 等待4min (变频器的容量越大, 等待时间越长, 最长为15min) 使得主电路直流滤波电容器充分放电, 用万用表确认电容器放电完后, 再进行操作。变频器在检修完毕投入运行前, 应带电机空载试运行几分钟, 并校对电机的旋转方向。

其一, 将变频器控制板主板拆下, 用毛刷、吸尘器清扫变频器线路板及内部IGBT模块、输入输出电抗器等部位。线路板脏污的地方, 应用棉布沾上酒精或中性化学剂擦除;检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹及变色或破损等, 如发现应及时进行处理或更换。

其二, 变频器由于振动、温度变化等影响, 螺丝等紧固部件往往松动, 应将所有螺丝全部紧固一遍。要检查冷却风扇运行是否完好、如有问题则应进行更换。冷却风扇的寿命受限于轴承, 根据变频器运行情况需要2~3年更换一次风扇或轴承。检查时如发现异常声音、异常振动, 同样需要更换。

其三, 检查输入输出电抗器、变压器等是否过热, 变色烧焦或有异味。检查中间直流回路滤波电解电容器小凸肩 (安全阀) 是否胀出、外表面是否有裂纹、漏液、膨胀等。一般情况下滤波电容器使用周期大约为5年、检查周期最长为1年、接近寿命时, 检查周期最好为半年。电容器的容量可用数字电容表测量, 当容量下降到额定容量的80%以下时, 应予更换。

其四, 检查变频器绝缘电阻是否在正常范围内 (所有端子与接地端子) , 注意不能用兆欧表对线路板进行测量, 否则会损坏线路板的电子元器件。将变频器的R、S、T端子和电源断开, U、V、W端子和电机端电缆断开, 用兆欧表测量电缆每相导线之间以及每相导线与保护接地之间的绝缘电阻是否符合要求, 正常时应大于1MΩ。

3 变频器维护中若干问题

安装问题:变频器不要装在有震动的设备上;装设变频器时安装方向有限制, 变频器内部和背面的结构考虑冷却效果, 上下的关系对通风很重要, 因此, 对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位, 尽可能垂直安装。

接线问题:变频器输入端最好接上一个空气开关, 保护电流不能太大, 防止变频器发生短路时烧毁;一定不能将“N”端接地。控制线尽量不要太长;超过2m长的最好用屏蔽线;不要贪图方便, 不要接通起动控制线, 变频器先送电再起动电机;地线应接地良好。

刹车问题:需要依靠变频器本身刹车急停车的, 最好另加刹车电阻或采用机械刹车。

低速运行问题:如变频器经常低速运行 (<15Hz) , 则电机要另加散热风扇。

短路问题:防止雨水淋湿, 对于灰尘与潮湿问题, 最好能将变频器安装在空调房里, 或安装在有虑尘网的电柜里;要定时清扫电路板及散热器上的灰尘;停机一段时间的变频器在通电前最好用电吹风吹一下电路板。

散热风扇坏损问题:变频器的散热风扇要定时清尘, 某些变频器的散热风扇如果有响声或不运转应立即更换。

电压不稳问题:对于电压不稳定, 发电机应加装稳压或过压保护装置。

雷击问题:变频器的使用, 要充分注意采取避雷措施, 防雷电。

变频器干扰问题:变频器旁边不要装有大电流且经常动作的接触器;如果变频器产生干扰, 这时变频器的输入、输出、控制线最好用屏蔽线, 有可能的再用铁管套住, 加装滤波器, 调低载波频率;屏蔽层接线方法不能错, 否则作用相反。

变频器的检测问题:当变频器坏损, 要交给有维修经验的人修理;快熔断了, 一定要检查模块是否有问题, 但模块坏快熔不一定断;绝对不能用铜线代替快熔。不要用一次性的变频器:现在有的品牌的小功率变频器是一体化设计 (输出模块、电源、推动电路固封在一起) , 一旦出现故障难以维修, 而换模块价格又很高。

参考文献

[1]冯胜利.变频器的常见故障类型及日常维护[J].中国科技信息, 2010 (2) .

[2]许朝山, 龚仲华.现代变频器的技术特点与发展方向[J].制造技术与机床, 2010 (1) .

皮带输送机变频启动的运动特性分析 第2篇

1.1 皮带输送机启动中的问题

在工业生产中, 有许多的大转动惯量或者负载启动的机械设备, 如:皮带输出机、刮板运输机、提升机、电梯等等。这些设备在使用过程中会产生较大的启动转矩和启动电流, 此时通过电动机的启动电流会达到额定电流的5～7倍, 因此容易导致电机烧毁。在我国生产一线的皮带机和刮板输送机数量众多, 而随着经济技术的发展还会有更多的类似的设备投入到生产中。据不完全统计, 因启动电流过大而导致电机烧毁的事故占电动机损坏数量的30%左右, 造成了巨大的经济损失。为保护系统的安全和可靠, 技术人员往往通过提高电动机功率来克服这种情况, 但是这些增加的功率只在启动时可以保护电机, 而在正常的运行中却会形成浪费, 数量众多的皮带运输机如果都采用此种方式进行保护, 则对资源将造成巨大的浪费, 而且这样做也不能避免一些皮带输送机启动时存在的主要问题。如:

(1) 功率的增加。大功率和高带速输送机的直接启动, 产生的瞬间张拉力将被提高, 且成倍增长, 这时对静态中的皮带输送机的零部件所产生的冲击很大, 易造成零部件的寿命缩短, 而且还会发生断带的事故。为了提高可靠性必须对零件的性能和指标适当的增加, 加强输送带的质量等级, 这无形中增加了设备的成本投入。

(2) 启动打滑。当负载启动的时候, 皮带机具有的惯性较大, 其载荷的作用将导致静止的惯性大于启动摩擦力, 因为启动的时间被缩短, 所以需要的启动力矩也需要增加, 如不能达到目标就会出现打滑现象。为此需要增加皮带的张紧程度, 为了达到这个目标, 设备支架的刚性也将被增加。

(3) 电动机功率提高, 启动时将会产生较大的启动电流, 这易对为设备供电的网络造成冲击, 从而影响同一供电网络其他设备的正常工作。在停机的时候传统的控制方式是通过瞬时断电的方式来对电网进行保护, 但是这种突然的断电将会使得电动机在短时间内从高转速降低到零, 此时对设备的冲击较大, 这无疑降低了设备的使用寿命, 而且更多的时候是不允许断电的。

为了控制这些情况的发生, 生产中希望对输送机启动和制动进行控制以达到以下效果: (1) 当皮带输送机满负荷启动的时候, 能够实现电机的空载启动; (2) 启动的加速度是可以控制的, 同时有过载保护的功能; (3) 驱动皮带机的系统应当是可调整、平滑、无冲击的启动力矩, 以此减少动应力, 从而改善整个设备受到冲击力的情况; (4) 多台电动机驱动的时候, 控制系统能够具备合理分配驱动功率的能力, 即实现功率的平衡。

1.2 软启动的概念引入

通常的软启动是指机械系统即使在满载的情况下, 能够按照既定的要求达到合理的启动速度, 逐步克服整个系统的惯性而平稳的启动和制动。广义的软启动概念包括了人们对电动机启动的理想状态:对供电网络而言, 软启动的过程中电动机的启动电流对电网的影响达到最小, 以此减少对其他设备的冲击;对大功率的电动机来说, 应可以达到降低启动电流的目的, 缩短启动电流的冲击延时。通常考虑的是将电动机空载启动, 待其达到额定工况后再通过逐步加载的方式逐步提高皮带机的载荷;从传动和机械负载的角度看, 软启动能保证电机在启动和制动过程中对设备的冲击最小, 延长各种零件的使用寿命;从操控角度看, 软启动应当提供多种操控模式, 即软启动、软停车、无极调控、过载保护等等。

2 皮带机变频器的工作原理

2.1 变频器的工作原理

变频器的调速原理是基于电动机的转速公式:

式中, n为电动机的转速 (r/min) ;f为电源的频率 (Hz) ;p为电动机的磁极对数;s为电动机的转差率。

从公式中可以得知, 电动机的旋转速度主要取决于电动机的磁极对数和电源频率。由电动机的工作原理不难看出, 电动机的磁极对数通常在生产完成后就会是一个定值, 因此可以看作是常数。因而要对电动机进行控制只有通过对其频率的改变来完成, 即改变电动机的电源频率就可以对电动机的转速进行调节。在异步电机恒转矩变频调速系统中, 随着变频器输出的频率的变化, 必须相应地调控输出电压, 这主要是由三相异步电动机本身的功率关系决定的。如果只改变频率而不调整电压就会引起电动机烧毁。特别是在频率下降的时候这个问题更加突出。为了防止变频中烧毁电动机的事故, 变频器在改变输出频率的时候也会相应的调整电压。例如:为了满足电动机的转速减半, 这时就会将原来的输出的60 Hz电流变为30 Hz, 这时输出的电压也会相应的减半。

2.2 变频控制的原理

目前的变频器主要采用的是PWM脉冲宽度调制和矢量控制技术来达到变频控制的实现。PWM即脉冲宽度调制技术, 下面以PWM中最常用的SPWM对该技术进行说明。PWM的变频原理:SPWM主要是指按照正弦波规律调制输出电压中各种脉冲宽度, 使得其平均值为正弦波。SPWM含有载频信号和基准信号, 载频信号为等腰三角形波, 基准信号为正弦波。通过正弦波与三角波的相互叠加, 确定各个分段矩形脉冲的宽度, 因为三角波的相邻两腰的宽度随着其高线性变化, 因此任何一条不超过可调范围的光滑曲线与三角波向交的时候, 都会得到一组等幅值、等距、脉冲宽度正比于该曲线值的矩形脉冲。用正弦波为基准信号的时候, 可以获得脉宽和正弦波向对应的矩形脉冲序列。这个脉冲的序列信号对于可逆变电子开关的开和关形成控制的时候, 改变正弦波基准信号的幅值和频率就可以改变逆变器所输出的电压和频率。这种控制方式可以达到对定子电流矢量的调控, 因此称之为矢量控制方式。矢量控制可调整变频器的输出电压, 使得电动机的输出转矩和电压的平方成正比, 从而改善了电动机的输出转矩。利用矢量控制可以使得电动机在低速转动的时候也可输出较高的转矩, 从而满足负载启动的需求。

具体分析:矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机的定子电流矢量来完成的, 根据磁场的定向原理分别对异步电动的励磁电流和转矩电流进行控制, 从而实现对异步电动机转矩的控制。具体过程是将异步电动机的定子电流矢量进行分解, 产生电流分量和转矩分量, 即励磁电流和转矩电流, 分别进行控制, 并控制2个分量的幅值和相位, 即完成控制定子电流矢量的目的。

3 带式输送机的软启动研究

带式输送机在启动过程中除了受静张力作用外, 还受附加动张力的作用。动张力与静张力叠加, 引起输送带张力的重新分配, 并可能导致输送机的不平稳运行甚至引发输送带接头的失效及滚筒、托辊轴承及其他部件的损坏, 从而破坏输送机的正常运转。设计大型输送机系统时, 应采用动态分析方法, 分析带式输送机的动态特性方程, 以建立合理的启动方案。

3.1 输送带的动态特性

从带式输送机的连续模型出发, 分析带式输送机的动态特性, 对输送带作如下假设: (1) 输送带沿纵向的力学性能相同; (2) 物料在输送带上是均匀的; (3) 支撑输送带的托辊是均布, 且阻力系数与带速无关; (4) 输送带视作沿输送机长度方向的一维杆件; (5) 将转向滚筒看作是刚性的; (6) 起制动时, 输送带的横向振动对纵向振动影响很小, 可忽略不计。输送带系统的力学模型如图1所示。

考虑输送带的挠度、沿线阻力、运行速度等条件, 并忽略垂度对带式输送机动态影响, 可以得出输送机动力学方程为:

式中, A为输送带的横截面积 (m2) ;qh为被研究分支输送带的每米等效质量 (kg/m) , 承载分支:qh=q+qd=qt′, 回程分支:qh=q+qd=qt″[q为单位长度上物料的质量 (kg/m) ;qd为单位长度输送带的质量 (kg/m) ;qt′为单位长度承载托辊的等效质量 (kg/m) ;qt″为单位长度回程托辊的等效质量 (kg/m) ];w (x, t) 为输送带单位长度所受的阻力 (N) 。

初始条件为:

(1) 在带式输送机启动初始时刻, 输送带的每一点都处于静止状态, 即有:

(2) 在带式输送机启动终了时刻, 输送带的每一点都处于额定速度状态, 即输送机处于稳定工况状态, 此时有:

(3) 在拉紧装置处, 采用液压拉紧时, 有:

根据以上力学模型、动力学方程、边界条件和初始条件, 得出带式输送机的解析解为:

式 (5) 中U (0, t) 有如下3种形式:

求得u (x, t) 后, 对于输送带的张力可由式 (6) 求得:

综上带式输送机的动力学分析, 上述建模进行解析计算仿真, 可得出结论: (1) 采用阶跃激励引起的动态很大; (2) 斜坡激励引起的动态冲击较小; (3) 正弦激励产生的输送带的总张力较斜坡激励小, 可延长带式输送机的使用寿命, 降低投资, 且动态冲击也不大, 推荐采用。

3.2 理想的启动速度曲线

国内外公认长距离、大运量、大功率的带式输送机采用如图2所示的S形启动曲线为最好, 可以大大降低动应力, 延长输送带及整机的寿命。

S型启动曲线的速度方程为:

式中, v (t) 为某一时刻驱动滚筒的线速度或带速 (m/s) ;v0为输送带的稳定运行速度 (设计带速) (m/s) ;T0为起、制动时间 (s) , T0≈0.06L, L为带式输送机长度 (m) ;t为起、制动过程中的某一时间 (s) 。

加速度为:

启动开始时, 加速度为零, 速度平稳增加;到T0/2时, 加速度达到最大值, 速度达到v0/2;然后, 加速度逐渐对称降低, 速度继续增加;达到设计带速时, 加速度降为零, 完成启动过程。

输送带在启动之前, 输送带处于松弛状态, 为避免输送带的冲击, 将输送带拉紧后启动, 可进一步改善启动性能。因此, 在启动开始阶段加入一个时间延迟段, 如图3所示, 延迟段的速度一般取为设计带速的10%。

4 皮带输送机变频启动的运动特性分析

在软启动的情况下, 电机从启动直至达到额定功率再到停车的过程, 可以分为5个阶段, 即0～t5对整个运动特性进行分析。

4.1 0～t1段

从调速电动机开始启动到调速电动机达到既定的转速, 也就是t1时间点, 这是预启动时段。PLC会通过变频器控制调速电机, 使其按照预定的启动曲线进行程序化启动。但是由于减速其输出轴上的负载远远大于主电动机相关联的惯性载荷, 调速电机的驱动力无法驱动减速轮系而转动, 所以传动轮系即变成减速机相对固定, 同时具有一定自由度的定轴轮系, 调速电机的驱动力经过传动蜗轮和蜗杆, 以及传动轮系驱动主电机的转子产生转动, 并且使其达到主电机的空载额定转速n2。

4.2 t1～t2段

当调速电机带动主电动机的转子到达额定的转速后, 接通与主电动机相连的电源, 此时主电动机的转速已经达到了额定, 不需要另行加速, 所以给主电动机通电后, 启动电流将达到较低的水平, 理论上应当为理想0值, 即实现了电动机的空载启动。此时, 主电动机和调速电机都处在空载状态下, 传动轮系变为输出转速为零的双输入单输出差动轮系。

然后, 通过PLC控制变频器的输出频率, 使得控制电机按照预先编辑的工作曲线缓慢减速, 通过减速机的转动, 控制齿轮圈地转速, 将主电机的动力逐渐施加到与行星架输出轴相连接的皮带输送机上, 随着调速电机速度的降低, 传动系统输出轴的转速按照事先设定的曲线而进行平稳的输出, 最终达到额定的工作转速n3。

4.3 t2～t3段

这个阶段是皮带机正常工作的阶段, 输出轴的转速为额定功率下的转速。因为涉及蜗杆的传动角度小于其当量摩擦角度, 即蜗杆蜗轮可以反向锁定, 因此调速电机断电的时候, 仍可保持内齿圈不动, 主电机的输入功率经多级减速机传递给齿轮系统带动皮带输送机工作。

4.4 t3～t4段

此时是皮带运输机的软停车过程, 相当于t1～t2过程的逆向运行。首先是PLC发出指令, 将调速电机按照预先设计的速度曲线进行启动, 齿轮系的速度输出是整个减速系统的合成。在t4的时候, 即当调速电机达到既定的转速时, 整个驱动轮系输出为零。在无需停止主动电机的情况下, 皮带机就会完成软制动。

4.5 t4～t5段

此阶段为系统停车阶段, 首先切断主电机的动力电供应, 系统变回到t1时刻, 这个时候按照设定的速度曲线降低调速电机的转速直到归零, 然后断开调速电机的电力供应, 这就完成了整个系统的停机。

5 结语

综上所述, 因为工作环境的复杂性和载荷变化的影响, 皮带输送机在工作中会遇到启动和运行控制的困难。采用传统的对电源的控制方式容易造成启动电流过大而烧毁电机的事故, 同时在应对过载启动的时候也会对设备造成较大的冲击, 从而减少设备的使用寿命。因此在皮带输送机的使用中需要采用灵活且更加优化的方式对其进行控制, 这时变频技术就成为了对其实现优化控制的重要技术手段。

变频技术是在电流矢量控制的原理基础上, 通过对电流的频率和电压调整而达到电动机转速和转矩控制的目的。在这个过程中通过调速电机和传动装置的共同作用可以完成对电动机的变频启动, 从根本上看就是利用电动机和传动装置的结合, 降低皮带输送机的启动和制动电流的突然增加, 以此减低对电机和设备的冲击。这种方式在很大程度上改变了传统的机械控制技术, 使得皮带输送机的启动和调速进入到了变频无极的时代。

从其启动的运动特性上看, 在每个变速调节阶段通过PLC与调速电机、传动装置的配合达到了对主电机速度调控的软性控制, 即通过变频技术的核心技术, 对电动机的转速和转矩进行持续的释放和回收, 也就完成了软启动和软停机。这样的系统改变了原有的启动运动特性, 进而提高了电动机的可控性, 以此满足了皮带输送机在复杂情况下的各种运行模式的变化和调整。

参考文献

[1]李志龙, 田斐, 王津乐.门架皮带机的变频驱动改造[J].电气技术, 2008 (9)

[2]陈静, 雷晓娟.浅谈变频器的发展与展望[J].科技信息, 2008 (30)

[3]霍晓辉, 冯叶亮.E350-4T1850变频器在风机上的应用[J].电机与控制应用, 2009 (10)

[4]李德林.变频器在节能方面的应用和节能原理[J].电气开关, 2006 (1)

[5]徐成文.变频器在水泥生产中的应用[J].建材技术与应用, 2006 (5)

[6]肖祥明.变频调速器应用中的若干问题探讨[J].节能技术, 2003 (6)

变频特性 第3篇

在世界范围内,整体煤气化联合循环发电(Intergrated Gasification Combined Cycle,IGCC)是一种新一代先进的洁净煤燃烧发电技术。它主要由煤的气化与净化部分(气化炉、空分装置、煤气净化设备)和燃气- 蒸汽联合循环发电部分(燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统) 组成。由于IGCC电站项目在节水、环保、发电效率等方面具有突出的优越性,所以目前正在我国大范围的推广和应用[1]。

燃气轮机与常规的发电机组不同,整个燃机透平在运行中产生的功率有约1/2 消耗在压气机中,燃机从启动、点火、加速到自持转速的过程,燃机透平自身做功不足以满足启动的要求,必须外加能量拖动转子转动。随着燃气机组容量的增加,启动装置的型式也有很大的不同,小型燃机一般有柴油机启动式、启动马达式和蒸汽冲动式;大型燃机,如GE 和西门子的E级燃机均用变频启动方式,即通过静态变频器(SFC) 带动同步发电机为同步电动机提供驱动力矩[2]。

华能天津IGCC电站示范工程项目是国家“十一五”863计划重大项目的依托工程,根据气化炉的容量,配套使用“E”级燃机,主机采用西门子公司SGT5-2000E(V94.2) 型燃机,其中静止变频启动装置SFC(Static Frequency Converter)由CONVERTEAM公司提供。本文结合天津IGCC工程的实际情况,介绍机组变频启动的全部过程,并分析运行中的一些特点,以期与同行进行交流与探讨。

1 静态变频启动装置的组成

华能绿色煤电天津IGCC电厂一期工程燃机发电机组其配套的SFC系统如图1所示。

系统由一台变压器,一个直流电抗器,一台整流器和一台逆变器组成。各设备功能如表1所示。

2 静态变频启动装置的原理

静态变频器的作用是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电。变频调速的依据是公式n=60 f/p。其中n为同步速度;f为电源频率;p为电机极对数。即电机的旋转速度同频率成比例。电机在工频电源供电时会产生一个大的启动电流,启动和加速冲击很大,而当使用变频器供电时,变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的,这些冲击就要弱一些。如果仅改变频率而不改变电压,频率降低时发电机定子容易因过电流而损坏,因此变频器在改变频率的同时必须改变电压[3]。

2.1 静态变频启动装置的工作过程

通过SFC 向发电机定子绕组施加电压,同时利用静态励磁装置(SEE)向发电机转子绕组提供励磁,使此时作为同步电动机运转的发电机产生同步力矩,带动转轴使燃机升速至约70%额定转速[4]。燃机在此时被点火运转,拖动电机到额定转速,此时电机作为发电机运行且断开励磁供应。发电机组升速至接近额定转速时,燃机尾气在余热锅炉中产生的蒸汽将汽轮机的转速升速至接近额定转速,此时离合器动作,将燃机、发电机和汽轮机轴系联成一个整体,在转速达额定时,SEE向发电机转子绕组通励磁电流,控制发电机电压最终并入电网。

2.2 转子位置检测,机械角频率和电机电压相角的确定

当同步电机旋转和励磁时,在定子绕组感应出三相电压[5]。用三相相角ωt计算出转子相对于定子的位置。当电机静止时,定子绕组没有感应电压。因此不可能确定转子位置。当电机位于静止状态建立励磁时,通过励磁电流或者磁通量的变化,定子绕组电压发生改变。定子两极相电压确定了转子相对于定子绕组的位置。发电机定子电压L1-L2,L2-L3的测量是由两个直流电压互感器来测量的。电压互感器把测量电压按比例转换成电流,进入ICP232分流电阻和模拟变信号变压器,作为一个等效电压USYN Machine 2。高频高压下,测量值用来生成触发脉冲。第三定子电压L3-L1通过其他两相计算得出。积分电路判断三相电压的极性。在此基础上,当有触发信号时,发电机侧变换器的两个晶闸管桥臂在给定旋转方向提供了最大的转矩。存储结果直到电源侧变换器和发电机侧变换器释放。在等待时间期间,此时电机磁通量达到它的稳态值[6],如图2所示。

当转子开始低转速时,转动动作在定子上感应出一个非常低的电压。每一次检测到零序电压,转子旋转到下一个60°。当前电机频率和/或角频率ω(t)和相位角φ(t)=ωt发送到发电机侧变换器控制器触发装置(32)时, 这个模式叫作滑动-积分模式。

随着电机频率增加,电机终端电压也会增加。当电机频率达到一定高频时,PLL可以直接判断定子电压。在这种情况下,PLL1{31.2}确定电机电压的相位角φ(t)=ωt和角频率ω(t),同时传输到发电机侧变换器控制器触发装置。PLL2与PLL1目的相同。PLL2同样也接受和判断相电压L1-L2和L2-L3。

3 变频启动的步骤

华能天津IGCC电站示范工程SFC的工作步骤包括:启动升速、吹扫、降速点火和升速4个阶段,如图3所示。启动过程中发电机电流和转速的关系如图4所示。

3.1 启动升速阶段

同步发电机先由盘车装置带到一定的转速,然后按照要求依次合上SFC隔离刀闸、电源侧断路器。当逆变器启动时,首先切换SFC电源侧变换器断路器;然后执行初始触发,释放励磁电流控制器,建立转子磁场ΦF,从而在定子绕组上感应出电压。从极性中测量定子感应电压和确定转子位置,这样确定了发电机侧变换器的触发顺序。然后依次出发,使发电机升速。

3.2 吹扫阶段

燃气机组启动过程中,为防止点火时发生爆燃损坏机组,需要在点火前维持约900 r/m的转速进行吹扫,该阶段SFC的输出电流和转速不变。

3.3 降速点火阶段

燃气机组吹扫阶段完成后,SFC装置降低转速至480 r/m配合燃气机组点火启动。该阶段发电机的电流和电压降为0,转子的转速由900转开始下降,达到480转后由TCS(燃机控制系统)发点火令。

3.4 升速阶段

燃气机组点火成功后,SFC和燃气机组共同带动发电机进行升速。虽然SFC的输出电流保持不变,但是随着燃料量的增大,发电机平稳升速。当发电机转速达到2 250 r/m时,SFC输出电流和励磁电流全部降为0。此时跳开相应开关,将SFC和励磁退出,然后由燃气机组拖动升速至额定转速[7]。

4 结论静态变频启动装置和同期系统的配合

同期并列是发电机组开机电气试验中的最后一环,也是最重要的一步。长期的不良操作,会给发电机组带来严重的累积损伤。因此,必须确保同期系统的正确性、可靠性,提高机组的并网操作质量。发电机组非同期并列时,将产生很大的冲击电流和电磁转矩,冲击电流将对发电机定子端绕组产生强大的应力;电磁转矩则对轴系统产生强大的扭应力,轻则轴系扭振形成疲劳损耗,缩短使用寿命,重则大轴即时断裂[8]。

发电机组只有与系统并网后,才能向电网输送有功和无功,其准同期并列必须满足以下条件,如表2所示。

燃气机组由于静态变频启动装置的存在,在SFC的启动过程中,发电机的定子上存在电压和电流,转子上也存在励磁电流,这样燃机的同期系统就不能简单地考虑自动准同期的并列条件。在燃机的并网过程中还要加入与SFC隔离开关的闭锁条件。

在国内燃机的常规设计当中,通常的设计分工是:燃机由一家设备制造厂提供,包括发电机保护、同期、励磁和SFC等系统;而主变压器和并网断路器等设备则由另外一家设计院设计。两者的单独设计就导致了两者的接口部分往往容易被忽视[9]。例如华能IGCC电厂燃机的设计当中就忽略了SFC隔离开关和并网断路器之间的联锁;电力设计院对并网断路器的合闸只考虑到了并网断路器的同期条件;西门子设计的SFC隔离开关合闸条件也只考虑到了SFC本身的要求。很明显,这样的考虑是不妥当的,一旦在机组并网运行期间误合SFC隔离开关,会造成系统电压串入到SFC系统的危险。通常发电机封闭母线的电压为18 kV,远远高于上面提到SFC的输出电压,这会对SFC系统造成毁灭性的伤害。经过与设计院及西门子方面的沟通,在并网断路器的合闸回路中增加了SFC隔离开关的常闭节点闭锁。在SFC隔离开关的合闸条件中增加了并网断路器分闸以及母线电压低于5%两个条件,在硬件上有效避免了误操作的发生。修改后的条件如表3所示。

经过修改后的并网逻辑很好地保证了燃机同期系统安全稳定的运行,如图5所示。燃机系统的假同期波形非常的完美[10],合闸时压差0 V,发电机超前系统1.0°,频差为0.04,压差、频差、角差都很好地控制在并网定值以内,燃机经过几十次的启动,每次的同期并网均一次成功,没有出现过异常情况。

(1) 在变压器冲击过程中,变压器保护的定值整定应该能可靠地对变压器起到保护作用,但也要保证在正常冲击过程中,存在励磁涌流和负序电压的情况下,保护不误动。因此在定值的整定过程中要考虑励磁涌流的幅值,谐波含量和衰减时间以及负序电压的幅值和衰减时间。

(2) 变压器定值的整定计算过程中,不仅要遵循理论计算和经验,也要结合现场一次设备的具体情况,这样二次保护装置才能有效地保护一次设备的正常运行。

5 结 语

静态变频器启动装置作为大型燃气轮发电机组的启动设备,不仅启动容量大,满足机组频繁启动的要求,随着我国静态变频系统在燃气轮机中的广泛应用,应对其启动特性等技术做进一步研究,并深入理解静态变频系统原理,系统掌握启动步骤及特性,从而更加有效地保证静态变频启动的顺利完成,是很有必要的。在实际工程运用当中,一定要注意静态变频启动过程中的特点,做好与同期系统以及保护系统的配合, 有效地保护设备安全和保证变频启动顺利完成。

摘要：为了对大型IGCC电站燃机变频启动调试工作提供指导,结合华能天津IGCC示范电站燃机项目实例,通过对IGCC电站示范项目静态变频装置的阐述,分析了静态变频装置的工作原理、工作过程以及特点。依据燃气机组现场调试过程的实验记录,分析了燃气机组同期系统可能出现的问题,讨论了同期系统的逻辑,并给出了修改意见,使静态变频装置和同期系统能很好的配合。

关键词：燃机,静态变频启动装置,同期系统,IGCC

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变频特性 第4篇

在宝钢1580生产线除鳞变频改造的调试过程中发现, 罗宾康G3E变频器输出从低频升至高频时, 电动机转速需要的加速时间为40 s, 虽然相对于初始设定值70 s已有很大改观, 但仍不能快速提高除鳞系统压力和流量, 不能满足宝钢1580生产线生产工艺的需要, 甚至出现板坯表面氧化铁皮除不干净被轧入钢卷而影响成品表面质量的现象。在优先满足生产工艺需求的前提下, 实现节电节水的降耗目标, 需要进一步优化变频器的软特性 (Droop) 功能和修改速度斜坡函数来提高设备的响应能力。另外, 还要综合考虑到设备的承受能力, 降低相关设备的维护成本。速度软特性功能是线性的, 并且软特性数值直接与负荷 (扭矩) 电流成比例。软特性功能可以在所有速度值范围内应用。将速度软特性增益修正从速度斜坡函数前移到该函数后, 可以针对负荷变化提供更快的负荷分配, 该功能参数设置完全独立。在提高除鳞系统响应能力的过程中, 优化变频器的软特性功能, 实际上是减小软特性增益来修改速度调节器的PI参数使该功能变“硬”。另外, 我们也可以通过修改速度斜坡函数来改变速度计算值, 从而提高系统的响应时间。在罗宾康G3E变频器, 可以通过修改加速时间设定来改变速度斜坡函数的输出。修改该参数时, 必须考虑到加速时间设定要求将加速电流限制在变频器过电流容量以下, 防止过流失速而引起变频器跳闸。经过大量现场生产实验, 我们将加速时间设定由40 s降至35 s, 显著提高了设备的响应能力。从而保证板坯到达相应的除鳞点之前数秒, 变频器输出从低频40 Hz升至高频50 Hz, 使得除鳞系统的压力和流量迅速提高并能满足生产工艺的要求。减速时间设定的修改方法与加速时间设定的修改方法类似, 但需要注意的是减速时间不能设定太短以防止直流滤波电路电压过高, 导致过压失速而使变频器跳闸。另外, 还要考虑变频器频繁加减速对电动机转子、泵本体以及频繁开闭的单向阀等阀体动作机构会造成磨损。2010年4月20日, 通过大量的模拟试验和实际生产检验证明, 该优化可以有效提高设备的响应能力, 快速提高除鳞系统的压力和流量, 消除了板坯表面氧化铁皮除不干净的现象, 使得高压水除鳞系统控制准确, 泵启动及运行平稳, 除鳞压力调整范围宽, 同时节约水电, 减少设备磨损, 大大降低企业的运行成本和吨钢成本。

变频特性 第5篇

1 电路结构

1.1 高压三电平电压源型变频器

高压三电平电压源型变频器的典型电路结构如图1所示。其整流电路采用的是12脉的二极管不可控整流结构，由2个完全相同的6脉二极管整流器串联，且它们分别由移相变压器二次侧2个三相对称绕组供电。移相变压器是多脉二极管/晶闸管整流器不可缺少的组成部分。在图1中，移相变压器的一次侧绕组为星形(Y)接法，二次侧绕组有2个绕组，2个绕组分别为Y接法和三角形(△)接法。

高压三电平电压源型变频器逆变电路采用的是12只可关断功率器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)与钳位二极管构成的带中性点(Z)的结构，连接到中性点的二极管D1和D2为钳位二极管。每个桥臂由4个开关器件IGBT(V1,V2,V3,V4)串联而成，V1和V3互补，V2和V4互补。假设每个整流桥整流输出电压为E，通过控制每个桥臂上4个开关器件的导通、关断，能够使每相输出对中性点Z的电压有+E,0,-E 3个状态，输出线电压有+2E,+E,0,-E,-2E5个电平状态，输出电流为正弦锯齿波。

1.2 单元级联多电平变频器

单元级联多电平变频器是采用多个独立的低压功率单元串联实现高压输出。以单元级联七电平变频器为例进行研究，其电路结构如图2所示。该变频器同样采用了移相变压器。该移相变压器有3组二次侧绕组，每组又包括3个相同的绕组，每个绕组都采用延边△接法，使其二次侧每组绕组的输出线电压与一次侧的输入线电压的相位差依次为-20°，0°，20°。且每组都相互隔离，分别为一个功率单元供电，形成多脉冲整流方式，使得功率单元之间相互绝缘，互不影响。输入的谐波电流折算到变压器一次侧时相互抵消，从而大大改善了网侧的电流波形，基本上消除了变频器对电网的谐波污染。

功率单元电路结构中，其整流电路采用二极管三相全桥不可控全波整流，中间采用直流电容滤波和储能，逆变侧为4只IGBT和4只二极管组成的H桥逆变器。将3个功率单元的交流输出串联，得到系统三相输出电压中的一相，且每相电压中，有7种不同的电平，输出的电流波形为接近正弦的锯齿波。每个功率单元的主回路相对独立，并工作在低压状态，则功率单元间不存在串联均压问题[2]。

2 输入侧谐波理论分析

随着变频器的广泛应用，变频器所产生的谐波对电网的污染日益严重，给电力系统造成了巨大的危害。谐波产生的原因就是电路中存在着非线性负载，当电流经过负载时，所加电压不呈线性关系，必然产生非正弦电流，从而产生谐波。变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，都大量应用了电力电子装置，这些都是由非线性元件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生谐波。且以输入侧整流器产生的谐波最为严重[3]。

火电厂中常用的高压电压源型变频器的整流电路，一般采用的都是多脉串联型二极管整流器。这种整流器由m组6脉二极管整流器串联而成。为了消除谐波，高压电压源型变频器都采用了移相变压器。每组6脉二极管整流器由移相变压器的二次侧绕组分别供电，移相变压器的二次侧m组绕组输出电压依次移相δ=60°/m，可组成脉冲数为p=6m的串联型多脉冲整流。它所产生的谐波次数为kp±1，其中k=1,2,3，…，且以p±1次为主要谐波[3,4]。

为了说明如何通过移相变压器消除谐波电流，以18脉为例[5]。移相变压器的一次侧绕组为Y接法，二次侧有3个绕组，每个绕组分别接1个6脉二极管整流器，且3个绕组分别为延边△接法、Y接法、延边△接法，对应的相位角δ分别为-20°，0°，20°。二次侧绕组的线电流为：

折算到一次侧为：

一次侧电流为iA=i'1a+i'2a+i'3a，所以只有当(n±1)δ=360°时该次谐波才存在，其余谐波均相互抵消。其中δ=60°/m,m=3，则n±1为18k(k=1,2,3,…)。

由式3可知，电路中的谐波次数为18k±1(k=1,2,3，…)，且17次、19次为主要谐波。结果与上面的分析完全一致。

3 仿真及现场测试结果

为了更好地了解火电厂中典型高压变频器的工作原理及输入侧所产生的谐波，用仿真软件PSIM对高压三电平电压源型变频器和高压单元级联七电平变频器进行了仿真。并测试了某电厂的高压三电平电压源型变频器和单元级联七电平变频器的输入侧电流波形。

3.1 高压三电平电压源型变频器

高压三电平电压源型变频器仿真电路结构如图1所示。变频器的输入电压为3 kV，频率为50 Hz。所带的负载是1台高压异步电动机，该电动机的基本参数如下：p=4,Rs=7.384Ω，Rr=7.402Ω，Ls=0.030 45 H,Lm=1.241 H,Lr=0.030 45 H。电机的额定电压为4 k V，额定功率为90 kW。高压三电平电压源型变频器仿真结果如图3和图4所示。

由图3和图4的仿真结果可知，高压三电平电压源型变频器的输入侧电流谐波次数为11次、13次、23次、25次等，次数刚好为12k±1(k=1,2,3,…)，且11次、13次为主要谐波。高压三电平电压源型变频器现场测试结果如图5所示。由图5可知，基波电流为1.2 A，谐波电流及谐波电流畸变率如表1所示。

由图3—5和表1可知，现场测试结果与仿真结果的谐波次数完全一致。除此之外，由现场测试结果和国标的谐波电流畸变率可知，高压三电平电压源型变频器电流谐波含量超出了国家标准，必须采取治理措施，以减小对电网的影响。

由第二部分的理论分析可知，高压三电平电压源型变频器整流电路是由2个6脉二极管整流器串联而成，是12脉整流，谐波次数应该为12k±1(k=1,2,3，…)，且11次、13次为主要谐波。所以由理论分析、仿真模型和现场测试结果3者的比较可知，3者对高压三电平电压源型变频器输入侧谐波分析完全一致。

3.2 单元级联七电平变频器

单元级联七电平变频器的仿真结果如图6—8所示。高压单元级联七电平变频器现场测试结果如图9所示。

其中单元级联七电平变压器仿真电路结构如图2所示，图中负载和图1高压三电平电压源型变频器负载相同。只是负载中的高压异步电动机参数变为p=4,Rs=0.294Ω，Lr=0.000 74 H,Ls=0.001 39H,Rr=0.156Ω，Lm=0.041 H。电机的额定电压为8 kV，额定功率为360 k W。变频器的输入线电压为6 kV。

由图6—8可知，单元级联七电平变频器的仿真结果是：其输入侧电流波形近似为完美的正弦波，仅含有极少量的17次和19次谐波，谐波次数刚好为18k±1(k=1,2,3，…)。由图9可知，单元级联七电平变频器的现场测试结果与仿真结果完全一致，且由于谐波含量极少，输入侧电流波形基本为正弦波。由第二部分的理论分析可知，单元级联七电平变频器整流电路每相都是由3个6脉二极管整流器串联而成，是18脉整流，谐波次数应该为18k±1(k=1,2,3，…)，且17次、19次为主要谐波。所以由理论分析、仿真模型和现场测试结果3者的比较可知，3者对单元级联七电平变频器输入侧谐波分析所得的结论完全一致。

4 结束语

高压变频器用于火电厂辅机后，能延长电动机、水泵与风机的使用寿命，提高火电厂运行和供电的可靠性，显著地降低厂用电和发电成本。尽管如此，高压变频器的运用也带来了谐波污染问题，严重影响了电力系统的安全性和可靠性，谐波问题不容忽视。由本文中高压三电平电压源型变频器与单元级联七电平变频器输入侧电流谐波特性分析比较可知，单元级联七电平变频器输入侧电流谐波含量更少，但是单元级联七电平变频器中运用的移相变压器更为复杂，且运用的器件更多，相对于高压三电平电压源型变频器而言，成本更高，所以电厂选择变频器时应根据各自的情况综合考虑。

参考文献

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变频特性 第6篇

1 系统组成

一般的压差旁通控制冷冻水泵并联系统如图1所示。将供水压力和回水压力引入压差控制器,根据设定值控制旁通电动阀,通过调节旁通水量,恒定冷水系统供水和回水之间的压差。使冷水系统能够在末端负荷较低的情况下,仍能保证冷冻机等设备的正常运转。

2 压差旁通下单式泵的工作特性

在压差旁通控制系统中,系统的管网曲线并不通过坐标原点,而在压头坐标轴上有一截距,截距值为压差设定值ΔP(图2)。系统管网曲线方程为:

式中ΔH为管路压降,kPa;

ΔP为控制压差,kPa;

S为冷源侧的阻力特性数,kPa/(t/h);

Q为水泵流量,t/h。

在压差旁通控制方式下,工频水泵(性能曲线n)的工作点将一直维持在A点。当末端电动调节阀关小时,供水和回水压差大于设定值,旁通电动阀开大,系统阻力和管网特性曲线保持不变,压差信号等于设定值,水泵的工作点仍然维持在A点。

在压差旁通控制方式下,变频水泵(性能曲线n’)的工作点将沿着系统管网特性曲线变化。当末端电动调节阀关小时,系统冷负荷减小,变频水泵工作频率降低,由设计工况下的A点变化到A‘点。管路阻抗阻力特性曲线保持不变,供水和回水压差信号等于设定值。

3 压差旁通下并联水泵的工作特性

对于水泵并联运行时工作点的确定,多应用叠加原理(横加法)求解,该方法具有直观、简便的优点。以2台水泵并联为例,分析其在压差旁通控制下的工作特性。

3.1 两台同型号泵并联

在(图3)中曲线4表示两台同型号水泵工频并联运行的性能曲线,其工作点为C点。曲线2表示单台水泵工频运行时的性能曲线,A点表示对应于并联工作点C点时单台水泵的工作点。曲线1表示水泵变频时的性能曲线,曲线3表示变频水泵和工频水泵并联运行的性能曲线,A’点和B点分别为对应于并联工作点C’点时变频水泵和工频水泵的工作点。从(图3)中可以看出,当一台水泵变频运行时,另一台工频水泵的工作点将偏离设计工况点(A点),造成工频水泵运行能耗的增加,这种能耗的增加随变频水泵运行频率的减小而加剧。工频水泵能耗的变化量除了受到水泵特性及水泵变频频率的影响,还与冷水系统的冷源侧阻力特性数S’有关,S’值越大能耗的变化量也越大,反之越小。

3.2 两台不同型号泵并联

在(图4)中曲线5表示两台不同型号水泵(一大一小)工频并联运行的性能曲线,其工作点为C点。曲线2、曲线3分别表示小泵、大泵工频运行时的性能曲线,A点、B点表示对应于并联工作点C点时小泵、大泵的工作点。曲线1表示小泵变频时的性能曲线,曲线3表示变频小泵和工频大泵并联运行的性能曲线,A’点和B’点分别为对应于并联工作点C’点时小泵和大泵的工作点。从图4中可以看出,两台不同型号的并联水泵单台变频调节时,工频水泵的能耗除受到变频泵运行频率和特性数S’的影响外,变频泵的选取也很重要。如果选择小泵变频,则其变频范围会受到一定限制,过低时将会出现空转的现象,严重影响水泵的安全。

4 工程实例

某政府办公大楼的空调系统冷源设备有1台型号YEWS170SC50冷水机组(约克),单机额定制冷量598kW;2台型号YSDBCA S35CHE冷水机组(约克),单机额定制冷量1125 kW。2台额定功率为37 kW的冷却水泵,2台额定功率为18.5 kW的冷却水泵。冷水系统为压差旁通控制方式,冷水泵采用了并联运行、单台变频的调节方式,经过多次现场测试得到以下冷水泵运行数据(表1)。

(表1)中的数据表明:当冷水机组开机数从3台减为2台,大泵变频频数同样为35 Hz时,小泵工频能耗从34.06 kW减为33.21 kW;而变频频数为38 Hz,小泵工频能耗从33.58 kW减为32.59 kW。这说明压差旁通控制方式下,并联水泵单台变频调节时,工频水泵的能耗随冷源侧管路阻力的增大而减小。

当冷水机组开机数3台,大泵变频频数从35 Hz升高到38 Hz时,小泵工频能耗从34.06 kW降为33.58 kW,减少了0.48 kW。而冷水机组开机数2台,大泵变频频数从35 Hz升高到38 Hz时,小泵工频能耗从33.2 1 kW降为32.59 kW,减少了0.61 kW。这说明压差旁通控制方式下,并联水泵单台变频调节时,冷源侧管路阻力越小,小泵工频能耗的变化量越小。换而言之,冷源侧管路阻力越小,工频泵运行越稳定。同时变频水泵降频运行时,工频水泵的能耗会随之增加,变频频数越低,工频泵能耗的增加就越大。

5 结论

(1)并联水泵单台变频时,工频水泵的功耗随变频水泵变频频数的降低而增加。

(2)并联水泵单台变频时,冷源侧管路阻力越小,工频水泵能耗变化越小,运行越稳定。

(3)并联水泵单台变频时,工频水泵能耗随冷源侧管路阻力的增大而减小。

摘要：理论分析了压差旁通控制下单台变频的水泵并联工作特性,结合工程实例进行了验证。结果表明,工频泵能耗随变频泵运行频数的降低而增加,随冷源侧管路阻力的增大而减小;冷源侧管路阻力越小,工频泵能耗变化越小,运行越稳定。

关键词：压差旁通,并联水泵,变频,能耗

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