特約撰稿人:江蘇國信靖江發(fā)電有限公司 陳俊

巧用電廠輸煤皮帶機(jī)變頻器

特約撰稿人:江蘇國信靖江發(fā)電有限公司 陳俊

變頻器具有調(diào)速范圍寬、精度高,調(diào)速平滑、穩(wěn)定可靠、電機(jī)調(diào)速特性硬,節(jié)能效果顯著等特點(diǎn),很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn),延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命,使操作和控制系統(tǒng)得以簡化,有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范,從而提高整個(gè)設(shè)備的控制水平,本文主要分析電廠輸煤皮帶機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)用的可行性.

目前,絕大多數(shù)燃煤電廠的皮帶輸送機(jī)都采用工頻拖動(dòng),較少使用變頻器驅(qū)動(dòng),由于電機(jī)長期工頻運(yùn)行加之液力耦合器效率等問題,造成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行起來非常不經(jīng)濟(jì);同時(shí)由于皮帶機(jī)不能軟起軟停,在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊,加速機(jī)械的磨損;還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問題,都會(huì)給發(fā)電企業(yè)帶來很大數(shù)額的生產(chǎn)費(fèi)用問題.

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷成熟和提高,調(diào)速范圍寬、精度高,調(diào)速平滑、穩(wěn)定可靠、電機(jī)調(diào)速特性硬,節(jié)能效果顯著等特點(diǎn),已在電廠的凝結(jié)水泵、一次風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)等廣泛運(yùn)用,但在輸煤皮帶機(jī)上仍顯得信心不足和步履維堅(jiān),除擔(dān)心粉塵大環(huán)境相對惡劣外,還涉及電網(wǎng)電壓及電廠電壓的波動(dòng)產(chǎn)生很大的壓降,導(dǎo)致變頻器停機(jī).通過收資調(diào)研,這些問題都能得到很好的解決,不能因噎廢食.下面通過國信靖江煤碼頭項(xiàng)目中的皮帶機(jī)方案,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上說明變頻器(本方案采用ATV71變頻器)在輸煤皮帶機(jī)上運(yùn)用的可行性.

圖1 基本結(jié)構(gòu)圖

從圖1可見,2個(gè)電機(jī)之間的聯(lián)系僅僅靠皮帶,這是典型的柔性連接,為了保證整條皮帶有合適的張緊度,皮帶中間的一處或多處會(huì)設(shè)置張緊裝置,以方便進(jìn)行調(diào)整,皮帶的邊沿會(huì)安裝各種的傳感器來檢測各種異常情況,以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行;皮帶機(jī)通過驅(qū)動(dòng)輪鼓,靠摩擦牽引皮帶運(yùn)動(dòng),皮帶通過張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng);皮帶是彈性儲(chǔ)能材料,在皮帶機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存大量勢能,皮帶機(jī)在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)采用軟啟動(dòng),通過液力耦合器實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng),在啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零,使電機(jī)空載啟動(dòng);同時(shí)采用液力耦合器軟起皮帶時(shí),由于啟動(dòng)時(shí)間短、加載力大,容易引起皮帶斷裂和老化,要求皮帶強(qiáng)度高,加之液力耦合器因長時(shí)間工作引起內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動(dòng)等問題的發(fā)生,不僅加大維護(hù)難度和成本、污染環(huán)境,還會(huì)使多機(jī)驅(qū)動(dòng)同一皮帶時(shí),難以解決功率平均和同步的問題.

變頻器皮帶機(jī)基本工作原理

電動(dòng)機(jī)四象限動(dòng)態(tài)運(yùn)行分析:電機(jī)運(yùn)行在第一、第三象限內(nèi)時(shí)為電動(dòng)態(tài),其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向,電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力矩,此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能,將大部分由電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上,以機(jī)械能形式輸出;電機(jī)運(yùn)行在第二、第四象限內(nèi)時(shí)為再生態(tài),由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向發(fā)生了改變,故電機(jī)作用到轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生改變,成為轉(zhuǎn)子的制動(dòng)阻力力矩;此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著,以超過同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動(dòng),負(fù)載作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上的機(jī)械能,由電機(jī)反饋回電網(wǎng),是否選用四象限帶能量回饋的變頻器,要根據(jù)生產(chǎn)工藝情況做具體分析,這是一種適用于連續(xù)的生產(chǎn)線,如造紙生產(chǎn)線、煉鋼生產(chǎn)線,如果用在燃煤電廠分時(shí)工作皮帶機(jī)上,會(huì)帶來投資的浪費(fèi),因?yàn)閹Щ仞伒亩鄠鞣桨该黠@比單傳動(dòng)投資成本高.

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行的特征曲線

圖3 變頻驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)在4個(gè)象限運(yùn)行的特征曲線

變頻器驅(qū)動(dòng)皮帶電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)情況可以分為電動(dòng)態(tài)啟動(dòng)、再生態(tài)啟動(dòng)和空載啟動(dòng).為防止啟動(dòng)時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)速度不為零而造成皮帶機(jī)和變頻器發(fā)生過載的問題,變頻器在電機(jī)啟動(dòng)前,預(yù)先輸出零赫茲的力矩電流,即對電機(jī)預(yù)先輸出一個(gè)直流力矩TL與負(fù)載力矩相平衡,保證拖動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)初速度為零,這樣變頻器啟動(dòng)后逐漸升高輸出頻率,并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變(視啟動(dòng)后負(fù)載力矩情況而定),實(shí)現(xiàn)電機(jī)的帶載啟動(dòng).當(dāng)變頻器輸出頻率到達(dá)設(shè)定頻率后,電機(jī)按該頻率下的特征曲線運(yùn)行.

圖4 變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)態(tài)啟動(dòng)和再生態(tài)啟動(dòng)時(shí),電機(jī)的特征曲線變化圖

國信靖江煤碼頭皮帶驅(qū)動(dòng)方案

通過降壓變壓器把工廠高壓電網(wǎng)側(cè)的6kV電壓降至690V;考慮到大功率6脈波變頻器對電網(wǎng)的諧波影響,選擇12脈波整流變頻器,因?yàn)?脈波整流變頻器的諧波電流總畸變率(THDi)值一般都在35%左右;而12脈波整流變頻器的THDi值在12%左右,將大幅度降低諧波含量.

由于本方案推薦采用大容量的12脈移相整流變頻器,變頻器的進(jìn)線側(cè)配置交流電抗器,以增大變壓器的電源阻抗,從而可有效抑制電源波動(dòng)對變頻器造成的影響.

圖5 皮帶的驅(qū)動(dòng)方案

變頻器的直流母線電壓高達(dá)1kV,其逆變器的輸出電壓的峰值有時(shí)能達(dá)到2kV以上,其電壓變化率du/dt對電機(jī)電纜和電機(jī)繞組的絕緣造成損傷.在不加輸出電抗器的情況下,非屏蔽電機(jī)電纜的長度也就是30m左右.為此,一般推薦選配出線電抗器,最遠(yuǎn)距離能達(dá)到250m.

現(xiàn)場電動(dòng)機(jī)的額定功率為400kW,選擇施耐德電氣提供的高精度重載型ATV71系列變頻器來驅(qū)動(dòng),其具體型號(hào)ATV71HC50Y,過載能力為150%額定電流持續(xù)1min,過轉(zhuǎn)矩能力達(dá)到170%持續(xù)1min.該款變頻器標(biāo)配12脈整流橋,可以滿足工廠對電網(wǎng)的諧波要求.

圖6 變頻器的控制示意圖

控制方式如下:通過模擬量接口、操作面板電子電位器或通訊接口來接受外部的速度信號(hào),通過數(shù)字量輸入接口、操作面板按鈕或通訊接口來接受起/停、復(fù)位及外部故障等信號(hào).電機(jī)控制方式選擇無傳感器矢量方式,為了提供動(dòng)態(tài)精度,也可以選擇閉環(huán)矢量方式,其特點(diǎn)是控制簡單,操作方便.

圖7 施耐德電氣ATV71變頻器的負(fù)載平衡的原理

一條皮帶的2套變頻器之間的負(fù)載分配的控制原理如下:通過調(diào)整2臺(tái)傳動(dòng)裝置的滑差補(bǔ)償率,使得變頻器的速度調(diào)節(jié)器特性軟化,也讓承擔(dān)負(fù)載相對較重的這臺(tái)電機(jī)適當(dāng)?shù)亟档瓦\(yùn)行速度,減少負(fù)載承擔(dān),而去讓另外一臺(tái)電機(jī)能多承擔(dān)些負(fù)載,從而使2臺(tái)電機(jī)在速度不完全相同的情況下,保證兩者的負(fù)載承擔(dān)量基本相同,只需要使能負(fù)載平衡功能,并設(shè)置負(fù)載修正死區(qū)寬度及其頻率上、下限,即可使用.

變頻調(diào)速原理

三相高壓電輸入移相隔離變壓器,經(jīng)移相隔離降壓多路交流輸出后,輸入到功率單元IGBT整流經(jīng)濾波成直流,再經(jīng)IGBT逆變輸出到電機(jī),電機(jī)的位置速度傳感器反饋的信號(hào)經(jīng)串行編碼傳輸方式,傳送給主控板及DSP數(shù)據(jù)運(yùn)算處理,電流反饋經(jīng)霍爾傳感器采樣通過信號(hào)板經(jīng)模擬信號(hào)電路濾波處理后,傳給DSP主控板的AD采樣并運(yùn)算;主控板與上位機(jī)的人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信,并上報(bào)系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和故障狀態(tài);輸入輸出信號(hào)單元板與主控制器進(jìn)行通迅,處理外部輸入輸出信號(hào)的控制功能.

6kV系列有15個(gè)功率單元,每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相,每個(gè)功率單元在結(jié)構(gòu)上完全一致,可以互換,其電路結(jié)構(gòu)見下圖,為交-直-交單相逆變電路,整流側(cè)為二極管三相全橋,通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制.

圖8 功率單元結(jié)構(gòu)圖

功率柜中每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣,二次繞組采用延邊三角形接法,實(shí)現(xiàn)多重化,以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的.每個(gè)功率單元直接使用大功率器件,器件不必串聯(lián),不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題,結(jié)構(gòu)上完全一致,可以互換,系統(tǒng)為基本的單相逆變電路,整流側(cè)為二極管三相全橋,IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制.

變頻器運(yùn)用的投資效益分析

節(jié)約電能

皮帶機(jī)電機(jī)功率400kW,平均每天運(yùn)行16h左右,日運(yùn)輸煤碳3500t,采用變頻器后,輸煤皮帶機(jī)按實(shí)際需要功率出力,把變頻器輸出頻率設(shè)為39~40Hz,電機(jī)轉(zhuǎn)速比工頻速度適當(dāng)降低,使皮帶運(yùn)行速度與卸船機(jī)卸煤量相匹配,同時(shí)降低了運(yùn)行電壓和電流,減小電能消耗,變頻調(diào)速運(yùn)行比直接工頻運(yùn)行可節(jié)約電能15%,以400kW電機(jī)每天運(yùn)行16h左右計(jì)算,用電6400kW.h,每天節(jié)約電能960kW.h,以發(fā)電成本0.25元/kW.h計(jì)算,每臺(tái)每天可節(jié)約240元,一年每臺(tái)節(jié)約電能35萬kW.h,可節(jié)省8.64萬元.

節(jié)省維修費(fèi)用

采用電機(jī)直接起動(dòng),不能調(diào)速,起動(dòng)過程對電網(wǎng)、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備沖擊較大,加劇了機(jī)械設(shè)備的磨損,縮短了設(shè)備使用壽命和維修周期,增加檢修次數(shù),也造成控制設(shè)備如真空接觸器、開關(guān)等的頻繁更換,增加了維修費(fèi)用.采用變頻器可以實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟啟動(dòng),對電網(wǎng)和機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備基本無沖擊,延長設(shè)備使用壽命.除正常清潔維護(hù)外,停產(chǎn)檢修故障概率低,節(jié)約了維修成本,又保證生產(chǎn)不受損失.

有效減少人力資源

除正常清潔維護(hù),沒有大量的維修工作,不必配備許多設(shè)備維修人員,操作簡單方便,運(yùn)行穩(wěn)定可靠.

變頻裝置電源保護(hù)定值整定計(jì)算

由于變頻器輸入與輸出電流的頻率和相位沒有必然聯(lián)系,不符合基爾霍夫電流定律,所以差動(dòng)保護(hù)不能用在有變頻器的回路中.根據(jù)變頻器在電廠的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),以國信靖江電廠2000kW電動(dòng)機(jī)為例,介紹其電源回路保護(hù)定值的整定計(jì)算,供同行參考.

設(shè)備參數(shù)

保護(hù)型號(hào):7SJ68 ,7UT61;機(jī)端側(cè)CT參數(shù):5P10,300/1A;零序CT變比75/1A;中性點(diǎn)側(cè)CT參數(shù):5P15,300/1A;電動(dòng)機(jī)參數(shù):2000kW,額定電流為218.5A,最大啟動(dòng)時(shí)間15s(典型時(shí)間,應(yīng)以實(shí)測時(shí)間為準(zhǔn)).

最小運(yùn)行方式下,起備變供電時(shí),按兩相短路校驗(yàn),機(jī)端兩相短路電流為:

高壓側(cè)過流保護(hù)

電流速斷高值段(冷負(fù)荷啟動(dòng)I段保護(hù))

躲電動(dòng)機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)電流值:

長啟動(dòng)保護(hù)(冷負(fù)荷啟動(dòng)II段保護(hù))

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間過長,影響電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行,提供長起動(dòng)保護(hù),對電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行保護(hù).經(jīng)驗(yàn)取2倍的電動(dòng)機(jī)額定電流:

電流速斷低值段(定時(shí)限過流I段)

躲外部短路時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大反饋電流整定,經(jīng)驗(yàn)取0.7倍動(dòng)作高值:靈敏度無 需校驗(yàn),滿足導(dǎo)則要求.

正序過流保護(hù)(定時(shí)限過流II段)

正序過流保護(hù)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中不投入,在起動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)投入.

電動(dòng)機(jī)母線電壓下降、頻率下降,后續(xù)發(fā)生電壓升高、電流增大的現(xiàn)象,認(rèn)為電動(dòng)機(jī)發(fā)生自起動(dòng).發(fā)生自起動(dòng)后,裝置速斷保護(hù)采用高值,正序過流保護(hù)退出;自起動(dòng)結(jié)束后,速斷保護(hù)采用低值,正序過流保護(hù)投入.

過流保護(hù)其動(dòng)作電流一般整定為1.3~2Ie,動(dòng)作時(shí)間一般可整定為1.2~1.5tstmax,tstmax為電動(dòng)機(jī)實(shí)測的最長啟動(dòng)時(shí)間.

動(dòng)作時(shí)間一般可整定為1.2~1.5tstmax,tstmax為電動(dòng)機(jī)實(shí)測的最長啟動(dòng)時(shí)間.時(shí)間:tdz=22s.

負(fù)序/不平衡保護(hù)

負(fù)序過流保護(hù)作電動(dòng)機(jī)匝間短路、斷相、相序出錯(cuò)、供電電壓較大不平衡的保護(hù),對電動(dòng)機(jī)不對稱短路故障起后備保護(hù)作用.

按照躲過區(qū)外不對稱短路且電動(dòng)機(jī)負(fù)序反饋電流和電動(dòng)機(jī)起備時(shí),由于電流互感器誤差和暫態(tài)特性出現(xiàn)的負(fù)序電流,以及保證電動(dòng)機(jī)在較大負(fù)荷兩相運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部不對稱短路時(shí),有足夠的靈敏度來綜合考慮計(jì)算.

負(fù)序Ⅰ段:按照躲過區(qū)外不對稱短路且電動(dòng)機(jī)負(fù)序反饋電流和電動(dòng)機(jī)起備時(shí)出現(xiàn)的暫態(tài)二次負(fù)序電流,以及保證電動(dòng)機(jī)內(nèi)部不對稱短路時(shí),有足夠的靈敏度來綜合考慮計(jì)算.

動(dòng)作時(shí)限:按躲過相鄰設(shè)備出口兩相短路的負(fù)序反饋電流持續(xù)時(shí)間,t1=0.5s.

負(fù)序Ⅱ段:按照躲過電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),且可能的最大負(fù)序電流和電動(dòng)機(jī)在較小負(fù)荷兩相運(yùn)行時(shí),有足夠的靈敏度來考慮.

電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷保護(hù)

取超常反時(shí)限.啟動(dòng)電流:Igfh= Ip= 1.15 Ie=0.84A .

取瞬時(shí)速斷定值Iop= Isd=7.65A ,跳閘延時(shí)為t =0.3s.

電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)

熱過負(fù)荷保護(hù)用來防止被保護(hù)設(shè)備因熱過負(fù)荷而損壞.此保護(hù)功能,以被保護(hù)設(shè)備熱容量為模型(帶記憶容量的過負(fù)荷保護(hù)).過負(fù)荷熱量積累及散熱的過程,均被加以考慮.

裝置通過在各種運(yùn)行工況下,建立電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱模型,對電動(dòng)機(jī)提供準(zhǔn)確的過熱保護(hù).

4202 K因子:K=1.1;4203熱時(shí)間常量:τth=8min(由廠家提供);熱告警段:θwarm/θtrip=80%;電機(jī)靜止修正因子:kτ=1;緊急啟動(dòng)時(shí)間:

100s;電流告警段定值:I = 1.15 Ie =0.84A .

高壓側(cè)零序過流保護(hù)

零 序動(dòng) 作 時(shí) 間:t0.dz0.2s .

低電壓保護(hù)

不允許停轉(zhuǎn)后,突然上電時(shí)自啟動(dòng),根據(jù)工藝要求,加裝9s的低壓保護(hù),動(dòng)作于跳閘.Uop=45V,top=9.0s.

通過對國信靖江煤碼頭皮帶驅(qū)動(dòng)方案的分析,能夠證明輸煤皮帶機(jī)采用變頻器后可以實(shí)現(xiàn)軟起、軟停運(yùn)行的方式,改變以前電機(jī)工頻恒速運(yùn)行的模式,根據(jù)負(fù)載變化,自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和輸出力矩,具有顯著的節(jié)能效果和控制品質(zhì),節(jié)約了設(shè)備的維護(hù)和維修費(fèi)用,對提高企業(yè)競爭力、降低發(fā)電成本具有積極意義.