变频器在设备改造中的应用和研究

2023-11-09史恒亮赵宝亮李文博

纯碱工业 2023年5期

史恒亮,赵宝亮,李文博

(山东海化集团有限公司,山东潍坊 262737)

山东海化股份有限公司是一家大型综合性海洋化工企业,1998年5月在深圳证券交易所上市,是全国重要的基础化工原料制造企业和全国最大的纯碱制造企业,纯碱、原盐、溴素、纯碱等众多产品广泛应用于化工、冶金、建材等行业和领域,多种产品产能位居全国前列。

1 项目概况

火电厂1#、2#炉一、二次风机电机高压变频器2015年投运,随投运时间增长,运行过程中多次出现功率模块故障, 严重影响锅炉设备的安稳长满优运行。功率单元和主控系统的板件是高压变频器的核心部件,内部具备多种电力电子元器件,一定时间的运行后,受到环境中磁场、温度和灰尘以及其他不确定的因素影响,其电力电子元器件和PCB电路板等会发生功能老化,导致故障频发,严重影响设备运行,大大降低变频器投用率。

2 GD5000系列变频器总体系统构成

2.1 系统功能介绍

切换柜:根据不同的需求通常有三种形式,分别为手动开关柜、自动开关柜、隔离式自动开关柜;完成变频、工频转换、工频切换等动作。

移相变压器柜:由移相变压器与上电缓冲电路构成(100 A以下不设缓冲回路,利用变压器漏感缓冲,100～245 A设缓冲部分,290 A以上独立成柜)。高压四象限变频器功率单元整流侧采用IGBT取代传统两象限高压变频器的二极管,由于IGBT反并联二极管抗冲击能力没有整流二级管强,因此高压四象限变频器(不管多大功率)输入侧均设置上电缓冲环节,减小上电瞬间对电网冲击。

功率单元柜主要存放功率单元,按照标准配置6 kV每相5个单元,10 kV每相8个单元。

控制柜为整个变频器的核心部分,完成对变频器各组成部分的逻辑控制集成变频器的输入、输出电压和电流的讯号信息,完成电机控制算法等。

2.2 变频器工作原理介绍

图1 变频器的主拓扑结构

变频器的主拓扑结构采用单元串联方案,单元串联多电压源高压变频器采用低压单相变频器串联,以补偿功率器件IGBT的耐压能力不足。多重性是指每相中几个低压电源单元的串联,每个单元由多绕组移相隔离变压器供电。隔离变压器为三相干式整流变压器,风冷,具有使用寿命长、免维护等优点。变压器次级绕组的数量取决于逆变器的电压等级和结构。6 kV系列有15个,10 kV系列有24个。扩展的三角形连接为每个电源单元提供三相电源输入。为了最大限度抑制输入侧谐波含量,15组绕组分为5大组,24组绕组分为8大组,3个功率单元作为一组,组内相位相同,同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相,从而形成了5组移相30脉冲,8组48脉冲的多重化整流方式。

3 方案实施与改造

3.1 主回路方案的改造

为确保设备运行稳定,改造期间通常保留工频运行回路,简单说就是增加工频或在变频旁路增加切换柜,通过系统控制自由切换到工频运行或变频运行,检修时系统可继续工频运行,以避免生产中断。英威腾提供的GD5000系列高压变频器拖动控制方案有几种供用户选择,分别为手动切换方案和带隔离自动切换方案,针对本项目需求,方案如下:

2#LF炉除尘风机选择一拖一手动旁路方案;

1#、2#连铸机二冷蒸排风机选择一拖一手动旁路方案;

1#、2#转炉高压热水循环泵选择一拖三手动旁路方案;

1#、2#转炉高压给水泵选择一拖二手动切换方案。

图2 一拖一手动切换方案

一拖一手动旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS2、QS3组成。手动旁路柜严格按照“五防”的联锁规范要求进行设计,变频器输出端QS2和旁路高压隔离开关QS3机械闭锁,能确保变频调速系统安全稳定的运行。在变频运行的状况下,QS1、QS2闭合,QS3断开。若由手动切换至工频运行,先暂停变频器正常输出,断开用户开关,同时通过机械操作依次断开QS1、QS2,再将机械操作闭合QS3,使电机切换至工频侧,合上用户开关,达到电机工频运行;在工频旁路运行状况下,QS3闭合,QS1、QS2断开。如需手动切换至变频运行时,系统先断开用户开关,由机械操作断开QS3,然后由机械操作依次闭合QS2、QS1,使电机切换至变频侧,再合上用户开关。此时需要注意,在变频器变频切工频模式运行后,并不代表变频器能完全实现与工频电源的安全隔离,故在未脱开工频电源前,严禁对变频器进行维护检修,以免发生安全事故。

3.2 电机侧的改造

1)施工说明

①现场进行变频改造代替液耦调速方式,由于液力耦合器自身种种弊端,考虑到长期运行稳定性,因此需拆除液力耦合器将电机移位与负载采用直接连接方式:

②为确保设备投运后的安全、稳定,对电机移位后与负载直联的磨擦片接手必须重新定制;

③底脚孔要采用钻孔成型,底脚螺栓要用聚合环氧树脂浇注工艺;

④完毕后需要重新进行电机的动平衡试验。

2)变频运行

按变频正常操作步骤带负载运行即可。

3)工频运行

当变频器出现设备故障或检修时,通过变频器旁路切换到工频运行。采用原来的启动方式。此时工频运行无液耦,要充分配合挡板,以达到调节风压、流量的目的。

4)突出优点

变频改造得彻底,节电效果最明显。

3.3 控制系统的改造(变频器的控制方式)

高压变频器采用远程(上位机)进行启动、停止操作、运行频率设定和运行状态实时监控,实现了根据炉膛压力来进行转速精细、微调控制功能。

4 现场实施

4.1 安装基础及现场改造

变频器柜体必须竖直安装在混凝土浇注平整槽钢地基架上,表面整体不平整度小于5 mm。基础必须由不燃材料制成,表面光滑、无磨损、防潮,并能承受变频调速系统的重量。电缆铺设管道必须由不可燃材质制成,表面光滑、无磨损,要防潮、防尘,并且具备防止动物进入的措施。详见图3、图4。

图3 基础要求示意图-接地要求

图4 基础要求示意图-地沟及预埋件

1)并柜的要求简单来说就是正面、背面对齐,柜子之间的缝隙要尽可能小;单面维护的尽量把柜顶上的角钢连接安装好。

2)把变频器的底座和支架或预埋件做焊接处理,一般单个柜子保持有4个焊接点就行。

3)线路连接-移相变压器的接线,变压器二次侧连接方式,线路连接-功率单元接线,单元上的输入电缆在安装时注意不要碰到单元导轨,以防时间长了损坏电缆绝缘。

4)线路连接-无感盘上的接线在出厂时其他线路都已经接好,现场只需要接隔离变压器的电源输入线、通讯光纤。

5)移相变压器温度控制仪上的接线就按照电气原理图连接就可,如下图5所示;

图5 移相变压器温度控制仪电气原理图

6)门禁、旁路柜、风机线路按电气图纸连接。

4.2 上电调试过程

4.2.1 常规检查和测试

做常规检查、确认。调试前检查柜体外观,表面不应有刮伤痕迹,整机装配要完好,不存在变形、磕碰等不良现象;柜体内无杂物,柜体上铭牌的型号要与设备一致;要检查靠近主控柜的功率单元柜中引出的电压检测板输入、输出屏蔽线的屏蔽层单端接地,转速追踪板的输入、输出屏蔽线单端接地,系统接地等情况;要确认移相变压器与功率单元之间的连接线牢靠程度,接线顺序;要核实控制板、光纤驱动板和每个电源单元之间的光纤跳线连接情况;触摸屏的屏蔽线一端接地,开关柜的输入电流检测线的屏蔽线另一端接地;明确检查控制系统的接线是否与电气接线图一致。

4.2.2 变频器耐压测试

变压器到现场时最少已做过2次耐压测试,属于破坏性试验。建议以变频器额定电压的1.8倍;再做一次耐压测试。测试时注意连接电缆,拆除避雷器,变压器二次侧需要全部短接接地。检查接线是否正确且无短路后,打开控制电源。检查门禁信号、柜顶风机运行方向(风机外壳上有转向标志);和厂家进行模拟信号对接工作,选择一个空余S端子与COM短接,设置功能为45:调试信号输入,可以进行模拟运行以及除模拟量反馈信号外的用户需要的信号进行测试。变频器与高压断路器互锁测试:此时要注意,在进行工变频切换操作时,切换前,需在触摸屏上的“指令扩展”点“切断高压电”,否则会报“旁路柜操作错误故障”。分合刀闸时,必须确认设备已经停止,高压电源已经切断,以防范安全事故。

4.2.3 控制电源测试

JTC1、JTC2 串联接入高压断路器合闸线圈,JTO1、JTO2并联接入高压断路器分闸线圈;此时注意,如果工艺允许,可以将变频器的故障输出并入分闸回路,接这个电路时需要把端子矩阵X40-1、X40-2之间的短接片去掉。X40-2上有接入交流电源,高压断路器的控制回路为DC220V电源上高压电源测试。首次上高压电时要保证柜门关好,相关人员站位须距离柜体5 m,无关人员离开房间,送电操作员和现场观察的人员需有人陪同,穿戴好相关防具,送电后观察变频器在充电过程中有无异常,有异常需及时断电,逆变器准备就绪后通过触摸屏观察输入电压是否正常。带载试机,先手动点动运行,确认电机方向,频率慢慢往上加,随时观察电机运行是否异常,如电磁噪音、机械噪音、振动等;直至额定频率运行。