曹 昀
(承德鋼鐵集團(tuán)有限公司,河北 承德 067002)
煉鋼廠高壓變頻器以其低能耗的優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域中脫穎而出,受到廣泛應(yīng)用,通過自身具備的無極調(diào)速性能,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)工作的變頻調(diào)試[1]。煉鋼廠高壓變頻器能夠利用內(nèi)部IGBT 實(shí)現(xiàn)對(duì)電頻以及電壓的調(diào)試,在其運(yùn)行過程中,由于產(chǎn)生的電磁會(huì)對(duì)變頻器運(yùn)行造成一定程度的干擾,很容易導(dǎo)致煉鋼廠高壓變頻器故障。因此,分析煉鋼廠高壓變頻器故障是確保煉鋼廠高壓變頻器節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。在我國,針對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障分析并不少見,但普遍分析較為籠統(tǒng),沒有細(xì)致的分析出煉鋼廠高壓變頻器故障發(fā)生的具體原因,導(dǎo)致后期對(duì)于煉鋼廠高壓變頻器的選型工作執(zhí)行困難。為徹底解決煉鋼廠高壓變頻器故障,實(shí)現(xiàn)煉鋼廠高壓變頻器選型優(yōu)化,本文提出煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化研究,致力于在明確煉鋼廠高壓變頻器故障原因的基礎(chǔ)上,通過選型優(yōu)化避免煉鋼廠高壓變頻器出現(xiàn)故障。
本文運(yùn)用疊加原理,確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件。疊加原理指的就是當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器電路中有幾個(gè)故障源共同起作用時(shí),可以讓其中的一個(gè)故障源單獨(dú)工作,其它的故障源不工作[2]。在此基礎(chǔ)上,求出這一個(gè)故障源工作時(shí)在電阻上產(chǎn)生的瞬時(shí)電流值,記為w。再讓第二個(gè)故障源工作,求出這個(gè)故障源工作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流值,記為x。兩個(gè)故障源不接地故障示意圖,如圖1 所示。
圖1 煉鋼廠高壓變頻器兩個(gè)故障源不接地故障示意圖
結(jié)合圖1 所示,讓每一個(gè)故障源分別工作一次,求得這些瞬時(shí)電流值相加就是所有的故障源共同工作時(shí)的電流值,也就是煉鋼廠高壓變頻器故障的邊界條件。假定煉鋼廠高壓變頻器故障時(shí)的短路電流動(dòng)勢集合為v=1,2,...,n,設(shè)煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件為U,可得公式(1)。
公式(1)中,b 指的是煉鋼廠高壓變頻器故障點(diǎn)電阻值,w、b 均為實(shí)數(shù)。將煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件用U? (w?x)?b來表示,可得公式為:
公式(2)中,IA指的是煉鋼廠高壓變頻器故障時(shí)短路電流最小對(duì)稱分量;IB指的是煉鋼廠高壓變頻器故障時(shí)短路電流最大對(duì)稱分量。通過公式(2),確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件是對(duì)稱分量的概率質(zhì)量函數(shù)最大值與最小值。
在確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件的基礎(chǔ)上,利用饋線終端裝置采集煉鋼廠高壓變頻器故障信號(hào),當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí),將自動(dòng)采集煉鋼廠高壓變頻器電路電流信號(hào),并將采集到的電流信號(hào)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞到控制主站,控制主站將分析上報(bào)的電流信號(hào),確定煉鋼廠高壓變頻器故障區(qū)段[3]。由于煉鋼廠高壓變頻器故障諧振頻率通常在4.0kHz 左右,電流信號(hào)能量主要集中在前二分之一周期,因此將饋線終端裝置故障電流信號(hào)采集頻率設(shè)定在8.0kHz 以上,采集電流信號(hào)數(shù)據(jù)長度為二分之一周期??梢詫⑵渥鳛橥叫盘?hào),以此完成對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障信號(hào)采集。
當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器處于正在狀態(tài)時(shí),線路上所有電流流向一致,波形一致,具有一定的相似性;當(dāng)煉鋼廠高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí),第一部分電流會(huì)流向電路上游,即與母線方向相同,另一部分電流會(huì)流向電路下游,即與母線方向相反,兩部分電流波形差異較大,不具有相似性[4,5]。利用以上電流相關(guān)性原理,分析采集到的煉鋼廠高壓變頻器電流信號(hào)相似性。首先,選取兩個(gè)相鄰的電流信號(hào),對(duì)其相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算公式如下:
公式(3)中,δ指的是煉鋼廠高壓變頻器電路兩個(gè)相鄰電流相關(guān)系數(shù);i1和i2分別指的是兩個(gè)相鄰干擾響應(yīng)信號(hào);n指的是電壓、電流信號(hào)采集序列;n? 1指的是故障發(fā)生時(shí)刻;N指的是電壓、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)長度。利用上述公式計(jì)算出兩個(gè)相鄰電流信號(hào)的相關(guān)系數(shù)δ,如果兩個(gè)相鄰電流信號(hào)波形及流向一致,電流相關(guān)系數(shù)取值為1;如果兩個(gè)相鄰電流信號(hào)波形及流向完全不一致,則電流相關(guān)系數(shù)取值為0。以此為依據(jù),完成煉鋼廠高壓變頻器故障電壓、電流相關(guān)性分析。
本文針對(duì)煉鋼廠高壓變頻器的選型,必須結(jié)合煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩[6]。通過計(jì)算的方式,設(shè)煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)的表達(dá)式為K,則有公式(4)。
公式(4)中,e指的是操作沖擊干試驗(yàn)電壓,單位為V;m指的是工頻,單位為Hz。通過上述公式,可以得出煉鋼廠高壓變頻器轉(zhuǎn)矩修正系數(shù),根據(jù)修正系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的煉鋼廠高壓變頻器選型。
使用上述計(jì)算的轉(zhuǎn)矩修正系數(shù),對(duì)高壓變頻器進(jìn)行最終選型。內(nèi)容如下。應(yīng)在確保設(shè)備運(yùn)行中的額定電壓與負(fù)載電壓相同的條件下,進(jìn)行變頻器支撐電壓的匹配;要求變頻裝置的運(yùn)行額定電流在其可承受最大電流范圍內(nèi),對(duì)于特殊類型的裝置,例如深水泵等,需要從裝置電機(jī)的性能層面考慮,分析參數(shù)屬性,從過載能力與最高負(fù)載電流方面選擇裝置運(yùn)行電路。同時(shí),考慮到高壓變頻器的電抗能力較低,因此在選擇設(shè)備零構(gòu)件過程中,可適當(dāng)選擇變頻裝置驅(qū)動(dòng)力較強(qiáng)的耦合性電容,避免由于驅(qū)動(dòng)力不足導(dǎo)致裝置運(yùn)行出現(xiàn)故障。此外,為了提高裝置在不同環(huán)境下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能,可選擇具備降容的變頻電源作為支撐條件,從而實(shí)現(xiàn)選型與負(fù)載的適配。綜上所述,應(yīng)從多個(gè)角度對(duì)設(shè)備綜合性能進(jìn)行分析,才能實(shí)現(xiàn)度選型行為的優(yōu)化。
設(shè)計(jì)實(shí)例分析,選取某煉鋼廠高壓變頻器作為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象,設(shè)置故障類型,如表1 所示。
表1 煉鋼廠高壓變頻器故障類型表
結(jié)合表1 所示,首先使用本文設(shè)計(jì)方法分析煉鋼廠高壓變頻器故障,通過Matalb 軟件測試分析諧波噪聲比,記為實(shí)驗(yàn)組;而后使用傳統(tǒng)方法分析煉鋼廠高壓變頻器故障,通過Matalb 軟件測試分析諧波噪聲比,記為對(duì)照組。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測試兩種方法下的故障分析諧波噪聲比,分析諧波噪聲比越低證明分析精度越高。設(shè)置實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10 次,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2 所示。
表2 故障分析諧波噪聲比對(duì)比結(jié)果
通過表2 可得出如下的結(jié)論:本文設(shè)計(jì)的方法故障分析諧波噪聲比明顯低于對(duì)照組,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障精準(zhǔn)分析,具有現(xiàn)實(shí)意義。
通過煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化,能夠取得一定的研究成果,解決傳統(tǒng)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型中存在的問題。由此可見,本文設(shè)計(jì)的方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的,能夠指導(dǎo)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化。在后期的發(fā)展中,應(yīng)加大本文設(shè)計(jì)方法在煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型中的應(yīng)用力度。截止目前,國內(nèi)外針對(duì)煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優(yōu)化研究仍存在一些問題,在日后的研究中還需要進(jìn)一步對(duì)煉鋼廠高壓變頻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究,為提高煉鋼廠高壓變頻器的綜合性能提供參考。