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1．概述

    變頻器不僅能夠節(jié)約大量能源，而且可以解決生產(chǎn)工藝上能源的合理可靠應(yīng)用，近幾年我單位因工藝和節(jié)能需要，新上了不少高低壓變頻器，而在我公司水處理中心泵站新上的1臺北京合康公司生產(chǎn)的10kV高壓變頻器，在節(jié)約能源和穩(wěn)壓控制上起到了關(guān)鍵作用，滿足了軋鋼生產(chǎn)對水壓的需求。該項(xiàng)目在設(shè)備選型以及電氣設(shè)計(jì)中可以作為一個(gè)典型的事例。

2．改造對象的描述

    該泵站有兩臺水泵機(jī)組（一用一備），共用一個(gè)母管向軋鋼不間斷供高水壓冷卻水。該水泵機(jī)組的電機(jī)采用高壓10kV、710kW普通電機(jī)，兩臺分別接在不同母線段上；兩臺水泵的開、停由值班人員根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度的要求進(jìn)行正常的開、停泵操作；該水泵機(jī)組的母官水壓要求為1.2Mpa，流量1100m3/h左右；但由于用戶用水情況不穩(wěn)定，經(jīng)常產(chǎn)生突變，流量變化為100m3/h—1300m3/h，這樣該泵組的水壓變化很大，母管壓力太高時(shí)都可能出現(xiàn)超壓力，值班人員緊急通過調(diào)整出水閥門開度來控制母管壓力，水泵內(nèi)部的壓力就更高，這樣造成能源大量浪費(fèi)，而且這種情況容易造成水泵和母管的損壞，特別是母管上的卸壓閥動(dòng)作頻繁經(jīng)常損壞每年維修費(fèi)用就在20萬元以上。由于用戶的用水變化的特點(diǎn)無法改變，因此只有用變頻調(diào)速以滿足用戶供水的要求，同時(shí)使供水設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

    該中心泵站高壓水泵電機(jī)變頻改造范圍為1#機(jī)和2#機(jī)，采用一拖二方式進(jìn)行變頻改造。電機(jī)參數(shù)如下：

    型    號：Y500-4 額定功率：710kW

    額定電壓：AC10kV 額定電流：49.6A

    額定轉(zhuǎn)速：1484rpm/min 頻    率：50Hz

    絕緣等級：F 功率因數(shù)：0.87

    接    法：Y 冷卻方式：IC01

3．變頻改造方案說明

    高壓變頻器應(yīng)滿足該泵站兩臺電機(jī)變頻改造的技術(shù)要求，變頻器采用一拖二帶旁路方案，變頻器可分別帶1#或2#電機(jī)，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)切換到另一臺電機(jī)工頻旁路運(yùn)行。高壓變頻器基本要求如下：

    1） 要求直接高壓的高高變頻器；

    2） 要求變頻器整流脈沖數(shù)在18脈沖以上（含18脈沖整流）；

    3） 如果帶隔離變壓器要求一定為干式變壓器；變壓器盡量在變頻柜內(nèi)布置。

4．對于變頻改造的基本要求

    按照改造要求，電機(jī)變頻將采用如下控制方式：

    1） 一套變頻器裝置通過切換可以分別控制兩臺電機(jī)，即變頻器可在1＃、2＃電機(jī)之間手動(dòng)切換運(yùn)行。變頻器兩臺出線開關(guān)之間、工頻開關(guān)之間以及工頻與變頻開關(guān)之間具有完善的硬接線閉鎖功能。

    2） 當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障，自動(dòng)切換到工頻旁路運(yùn)行，保持生產(chǎn)的連續(xù)性，同時(shí)切換動(dòng)作報(bào)警信號送監(jiān)控后臺。

    3） 變頻器頻率可在0—50Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。變頻器單獨(dú)設(shè)置高精度PI調(diào)節(jié)功能，4～20mA壓力信號直接來自現(xiàn)場總管壓力變送器的4～20mA壓力信號，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速達(dá)到恒壓閉環(huán)控制水管壓力的要求。

    4） 變頻器電源柜、工頻柜、變頻出線柜間的啟動(dòng)停止及閉鎖等邏輯需進(jìn)入現(xiàn)場已有的PLC監(jiān)控后臺。

    5） 可在變頻器操作鍵盤上方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、速度給定及參數(shù)調(diào)整等。

    6） 在操作室PLC后臺系統(tǒng)中可以對變頻器的壓力、電流、轉(zhuǎn)速、起/停等進(jìn)行監(jiān)控。

    7） 變頻器故障、保護(hù)動(dòng)作、自動(dòng)切換等需在監(jiān)控后臺進(jìn)行報(bào)警顯示。

    8） 系統(tǒng)零速至全速起動(dòng)時(shí)間不大于10s

    9） 變頻器輸入輸出達(dá)到完美無諧波，諧波分量完全滿足GB/T14549-93國標(biāo)及IEEE519-1992國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

    10） 功率因素可以達(dá)0.95以上，效率可達(dá)97％以上（含輸入隔離變壓器）。 

    11） 控制電源：兩路交流電源互為備用+UPS電源，大大提高控制電源可靠性。

    12） 正常電壓波動(dòng)范圍：10.5kV±10%。

5．電氣設(shè)計(jì)幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

1）地刀問題

    大多數(shù)高壓變頻器均為改造項(xiàng)目，原工頻回路的開關(guān)柜均為已有，且原開關(guān)柜均已加裝地刀。在變頻器改造中將該地刀取消拆除，否則容易造成誤操作而發(fā)生事故。工頻柜地刀是與本柜斷路器實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械聯(lián)鎖的，與新增加的變頻柜不實(shí)行聯(lián)鎖，在電機(jī)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，工頻柜下柜是帶電的，因此地刀必須處于斷開位置。特別是在變頻器調(diào)試前是非常值得關(guān)注的安全問題，最可靠的辦法是將該地刀拆除，以徹底杜絕誤操作事故的發(fā)生。

2）聯(lián)鎖問題

    對于高壓變頻器一拖二的方案，整個(gè)變頻系統(tǒng)上的開關(guān)柜必須采取聯(lián)鎖保護(hù)，采取的聯(lián)鎖措施如下：

    1#機(jī)變頻出線柜斷路器3DL和工頻回路斷路器1DL之間的聯(lián)鎖；

    2#機(jī)變頻出線柜斷路器4DL和工頻回路斷路器2DL之間的聯(lián)鎖；

    變頻器輸出斷路器3DL和4DL斷路器之間的聯(lián)鎖；

    整個(gè)系統(tǒng)確保只能由一路電源給電機(jī)供電，并保證工頻電源不會(huì)倒送至變頻器輸出端造成變頻器功率器件的損壞。為確保斷路器之間的聯(lián)鎖能夠可靠，必須通過試驗(yàn)手段來檢驗(yàn)。

3）保護(hù)設(shè)置問題

    新訂購的兩臺變頻器出線柜即3DL和4DL柜均加裝了微機(jī)保護(hù)裝置，該兩臺裝置的保護(hù)功能均設(shè)置為退出，該保護(hù)裝置的主要功能為采集電流和控制斷路器分合閘使用，為何采用退出該保護(hù)功能設(shè)置，主要從保護(hù)變頻器本身著想。如果在變頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)該變頻出線開關(guān)先于變頻器或變頻電源柜跳閘，由于功率的突然變化，會(huì)導(dǎo)致變頻器因負(fù)荷IΔ量的突然變化而造成功率單元損壞。因此只需在變頻器本身及其電源柜設(shè)置相應(yīng)的速斷和反時(shí)限保護(hù)即可滿足要求。而工頻柜的保護(hù)設(shè)置則與此相同。

4）保護(hù)設(shè)置引伸問題：

    當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，在控制回路中設(shè)計(jì)為變頻器本體輸出一副變頻器故障信號接點(diǎn)到變頻器電源柜5DL的跳閘回路中去，然后通過5DL常閉接點(diǎn)到變頻器出線柜3DL或4DL的跳閘回路中去，先將5DL再將3DL或4DL跳閘，這時(shí)啟動(dòng)工頻旁路自投回路，將1DL或2DL合上，以保證電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但當(dāng)變頻器輸出電纜或所帶電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器檢測到故障后同樣輸出相同的一副變頻器故障信號接點(diǎn)，這時(shí)變頻器檢測不出是內(nèi)部故障還是區(qū)外故障，以上的動(dòng)作邏輯要照樣執(zhí)行，最后用工頻回路的保護(hù)將故障切除掉。造成的損害就是發(fā)生故障的電氣點(diǎn)再次發(fā)生短路。這是我們所不希望的，但從保護(hù)變頻器的角度來看只能如此。

    有一種情況是另外，就是有冷卻油循環(huán)的離心風(fēng)機(jī)上。如果變頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的離心風(fēng)機(jī)突然接受油壓油溫等儀控信號，必須立即跳閘，否則容易對風(fēng)機(jī)造成損壞，嚴(yán)重的甚至造成燒機(jī)現(xiàn)象。因此在該類型的風(fēng)機(jī)變頻自投切轉(zhuǎn)工頻回路的設(shè)計(jì)上，考慮當(dāng)有油壓油溫等儀控信號出現(xiàn)時(shí)，實(shí)行徹底停機(jī)或自動(dòng)啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想。我們采取的設(shè)計(jì)方案是徹底停機(jī)的方案，在工頻自投的合閘回路中串一副儀控信號的常閉接點(diǎn)，當(dāng)油站正常時(shí)，接點(diǎn)閉合，合閘回路通路；當(dāng)有儀控信號出現(xiàn)時(shí)接點(diǎn)打開，自投切不成功，同時(shí)將信號送PLC后臺進(jìn)行報(bào)警顯示。在改造中這一點(diǎn)往往是容易被忽視的。

5）變頻器風(fēng)扇控制電源設(shè)計(jì)問題

    高壓大功率機(jī)電設(shè)備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進(jìn)行良好的通風(fēng)散熱，但通風(fēng)和防塵又是一對很難解決的矛盾。

    因受環(huán)境的影響較大，需要保持在一個(gè)干燥以及適當(dāng)溫度的環(huán)境下運(yùn)行，為此我們在變頻器附近安裝了一臺空調(diào)來保證變頻器的運(yùn)行環(huán)境。但當(dāng)變頻器運(yùn)行在一個(gè)濕度較大的環(huán)境，必須慎重考慮變頻器冷卻系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)采用雙路電源接入，兩路電源能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換功能，當(dāng)一路電源失電另一路能夠自動(dòng)投切上去，在電源輸出回路同時(shí)加裝一定容量的UPS電源。并在變頻器的操作步驟上，必須明確規(guī)定，在變頻器運(yùn)行前和停運(yùn)后均必須將風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行10分鐘以上，以避免變頻器內(nèi)部忽冷忽熱而形成淋露，造成單元的損壞。

6）自動(dòng)投切問題

    鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)是連續(xù)性，不容許有停機(jī)的情況發(fā)生，否則會(huì)造成很大的損失，甚至發(fā)生安全事故，因此為保證所帶電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)設(shè)置自動(dòng)投切功能，在變頻出故障的情況下能自動(dòng)投切至工頻狀態(tài)運(yùn)行。但自動(dòng)投切不能采用瞬時(shí)投切，而應(yīng)該躲開電動(dòng)機(jī)停機(jī)后產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢，選擇在電磁衰減基本結(jié)束后進(jìn)行投切。這樣可以避免電動(dòng)機(jī)定子繞組的電動(dòng)勢和工頻電源電壓疊加，對電機(jī)繞組的絕緣造成破壞。

    由電機(jī)學(xué)理論我們知道異步電動(dòng)機(jī)切斷電源后，存在著一個(gè)處于同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)的電磁過渡過程。異步電動(dòng)機(jī)切斷電源瞬間，定子繞組的自感電動(dòng)勢將隨著磁場的消失而消失；轉(zhuǎn)子的自感電動(dòng)勢將阻止電流的消失，轉(zhuǎn)子繞組中的電流將有一個(gè)逐漸衰減的過程，同時(shí)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流磁場。我們在實(shí)際調(diào)試過程中，采用模擬試驗(yàn)的方式來測定。一般電磁過渡時(shí)間約為5s。

    電機(jī)的工作頻率是由工況決定的，因此變頻器發(fā)生故障時(shí)，究竟在多大頻率下工作是無法預(yù)知的；故障切換為非同步切換，因此不考慮變頻器輸出頻率與工頻電網(wǎng)電壓、頻率和相位之間的關(guān)系。

    因此我們對工頻自投回路中的延時(shí)繼電器整定為7s時(shí)限，經(jīng)過測試電機(jī)均以較小的啟動(dòng)電流熱啟動(dòng)，保障了工藝安全，又保證了電機(jī)的安全運(yùn)行。

    通常自動(dòng)投切的情況大致可為兩種情況，一是變頻器本身故障引起的自動(dòng)投切，另一種是外部電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)電壓波動(dòng)造成變頻器跳閘而引起的自動(dòng)投切。鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)是不能完全避免的，但可以采取相關(guān)技術(shù)措施減少因電壓波動(dòng)帶來的停機(jī)事故的發(fā)生。對高壓斷路器采用低電壓延時(shí)1s動(dòng)作時(shí)限來設(shè)置，對低壓接觸器采用雙路切換的方式，或?qū)Φ蛪航佑|器加裝延時(shí)模塊的方式來解決電壓波動(dòng)引起的跳閘。
    
6．結(jié)束語

    變頻改造是一個(gè)系統(tǒng)工程。安裝變頻調(diào)速裝置后，風(fēng)機(jī)可軟啟軟停，減少設(shè)備機(jī)械沖擊，延長設(shè)備使用壽命。由于變頻調(diào)速裝置的頻率控制精度為0.1%，因此壓力控制精度大大提高，保護(hù)管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)投運(yùn)一年來，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)效果顯著，節(jié)約了大量的電能。經(jīng)過測算每年可以節(jié)約60萬元以上的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)利益顯著。