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、電機調(diào)速特性硬,節(jié)能效果顯著等特點,很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn),延長設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,從而提高整個設備的控制水平,本文主要分析電廠輸煤皮帶機變頻調(diào)速運用的可行性.

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

隨著變頻調(diào)速技術的不斷成熟和提高,調(diào)速范圍寬、精度高,調(diào)速平滑、穩(wěn)定可靠、電機調(diào)速特性硬,節(jié)能效果顯著等特點,已在電廠的凝結水泵、一次風機、增壓風機等廣泛運用,但在輸煤皮帶機上仍顯得信心不足和步履維堅,除擔心粉塵大環(huán)境相對惡劣外,還涉及電網(wǎng)電壓及電廠電壓的波動產(chǎn)生很大的壓降,導致變頻器停機.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目中的皮帶機方案,從技術和經(jīng)濟上說明變頻器(本方案采用ATV71變頻器)在輸煤皮帶機上運用的可行性.

圖1 基本結構圖

從圖1可見,2個電機之間的聯(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設置張緊裝置,以方便進行調(diào)整,皮帶的邊沿會安裝各種的傳感器來檢測各種異常情況,以保證整個系統(tǒng)的安全運行;皮帶機通過驅(qū)動輪鼓,靠摩擦牽引皮帶運動,皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動;皮帶是彈性儲能材料,在皮帶機停止和運行時儲存大量勢能,皮帶機在啟動時應采用軟啟動,通過液力耦合器實現(xiàn)皮帶機的軟啟動,在啟動時調(diào)整液力耦合器的機械效率為零,使電機空載啟動;同時采用液力耦合器軟起皮帶時,由于啟動時間短、加載力大,容易引起皮帶斷裂和老化,要求皮帶強度高,加之液力耦合器因長時間工作引起內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等問題的發(fā)生,不僅加大維護難度和成本、污染環(huán)境,還會使多機驅(qū)動同一皮帶時,難以解決功率平均和同步的問題.

變頻器皮帶機基本工作原理

電動機四象限動態(tài)運行分析:電機運行在第一、第三象限內(nèi)時為電動態(tài),其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向,電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力矩,此時電機從電網(wǎng)吸收的電能,將大部分由電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上,以機械能形式輸出;電機運行在第二、第四象限內(nèi)時為再生態(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)子的制動阻力力矩;此時電機轉(zhuǎn)子被負載的合成力矩拖著,以超過同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動,負載作用在皮帶機驅(qū)動輪轂上的機械能,由電機反饋回電網(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工作皮帶機上,會帶來投資的浪費,因為帶回饋的多傳方案明顯比單傳動投資成本高.

圖2 三相異步電動機在四個象限運行的特征曲線

圖3 變頻驅(qū)動三相異步電動機在4個象限運行的特征曲線

變頻器驅(qū)動皮帶電動機的啟動情況可以分為電動態(tài)啟動、再生態(tài)啟動和空載啟動.為防止啟動時拖動系統(tǒng)速度不為零而造成皮帶機和變頻器發(fā)生過載的問題,變頻器在電機啟動前,預先輸出零赫茲的力矩電流,即對電機預先輸出一個直流力矩TL與負載力矩相平衡,保證拖動系統(tǒng)在啟動時初速度為零,這樣變頻器啟動后逐漸升高輸出頻率,并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變(視啟動后負載力矩情況而定),實現(xiàn)電機的帶載啟動.當變頻器輸出頻率到達設定頻率后,電機按該頻率下的特征曲線運行.

圖4 變頻器驅(qū)動三相異步電動機電動態(tài)啟動和再生態(tài)啟動時,電機的特征曲線變化圖

國信靖江煤碼頭皮帶驅(qū)動方案

通過降壓變壓器把工廠高壓電網(wǎng)側的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,因為6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,變頻器的進線側配置交流電抗器,以增大變壓器的電源阻抗,從而可有效抑制電源波動對變頻器造成的影響.

圖5 皮帶的驅(qū)動方案

變頻器的直流母線電壓高達1kV,其逆變器的輸出電壓的峰值有時能達到2kV以上,其電壓變化率du/dt對電機電纜和電機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,最遠距離能達到250m.

現(xiàn)場電動機的額定功率為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,其具體型號ATV71HC50Y,過載能力為150%額定電流持續(xù)1min,過轉(zhuǎn)矩能力達到170%持續(xù)1min.該款變頻器標配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,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、復位及外部故障等信號.電機控制方式選擇無傳感器矢量方式,為了提供動態(tài)精度,也可以選擇閉環(huán)矢量方式,其特點是控制簡單,操作方便.

圖7 施耐德電氣ATV71變頻器的負載平衡的原理

一條皮帶的2套變頻器之間的負載分配的控制原理如下:通過調(diào)整2臺傳動裝置的滑差補償率,使得變頻器的速度調(diào)節(jié)器特性軟化,也讓承擔負載相對較重的這臺電機適當?shù)亟档瓦\行速度,減少負載承擔,而去讓另外一臺電機能多承擔些負載,從而使2臺電機在速度不完全相同的情況下,保證兩者的負載承擔量基本相同,只需要使能負載平衡功能,并設置負載修正死區(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,電機的位置速度傳感器反饋的信號經(jīng)串行編碼傳輸方式,傳送給主控板及DSP數(shù)據(jù)運算處理,電流反饋經(jīng)霍爾傳感器采樣通過信號板經(jīng)模擬信號電路濾波處理后,傳給DSP主控板的AD采樣并運算;主控板與上位機的人機界面進行實時數(shù)據(jù)通信,并上報系統(tǒng)的各項運行參數(shù)和故障狀態(tài);輸入輸出信號單元板與主控制器進行通迅,處理外部輸入輸出信號的控制功能.

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

圖8 功率單元結構圖

功率柜中每個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,實現(xiàn)多重化,以達到降低輸入諧波電流的目的.每個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,結構上完全一致,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.

變頻器運用的投資效益分析

節(jié)約電能

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

節(jié)省維修費用

采用電機直接起動,不能調(diào)速,起動過程對電網(wǎng)、電機和傳動機械設備沖擊較大,加劇了機械設備的磨損,縮短了設備使用壽命和維修周期,增加檢修次數(shù),也造成控制設備如真空接觸器、開關等的頻繁更換,增加了維修費用.采用變頻器可以實現(xiàn)皮帶運輸機的軟啟動,對電網(wǎng)和機械傳動設備基本無沖擊,延長設備使用壽命.除正常清潔維護外,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,沒有大量的維修工作,不必配備許多設備維修人員,操作簡單方便,運行穩(wěn)定可靠.

變頻裝置電源保護定值整定計算

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,所以差動保護不能用在有變頻器的回路中.根據(jù)變頻器在電廠的運用經(jīng)驗,以國信靖江電廠2000kW電動機為例,介紹其電源回路保護定值的整定計算,供同行參考.

設備參數(shù)

保護型號:7SJ68 ,7UT61;機端側CT參數(shù):5P10,300/1A;零序CT變比75/1A;中性點側CT參數(shù):5P15,300/1A;電動機參數(shù):2000kW,額定電流為218.5A,最大啟動時間15s(典型時間,應以實測時間為準).

最小運行方式下,起備變供電時,按兩相短路校驗,機端兩相短路電流為:

高壓側過流保護

電流速斷高值段(冷負荷啟動I段保護)

躲電動機靜態(tài)啟動電流值:

長啟動保護(冷負荷啟動II段保護)

電動機起動時間過長,影響電動機的安全運行,提供長起動保護,對電動機的起動過程進行保護.經(jīng)驗取2倍的電動機額定電流:

電流速斷低值段(定時限過流I段)

躲外部短路時電動機的最大反饋電流整定,經(jīng)驗取0.7倍動作高值:靈敏度無 需校驗,滿足導則要求.

正序過流保護(定時限過流II段)

正序過流保護在電動機起動過程中不投入,在起動結束后自動投入.

電動機母線電壓下降、頻率下降,后續(xù)發(fā)生電壓升高、電流增大的現(xiàn)象,認為電動機發(fā)生自起動.發(fā)生自起動后,裝置速斷保護采用高值,正序過流保護退出;自起動結束后,速斷保護采用低值,正序過流保護投入.

過流保護其動作電流一般整定為1.3~2Ie,動作時間一般可整定為1.2~1.5tstmax,tstmax為電動機實測的最長啟動時間.

動作時間一般可整定為1.2~1.5tstmax,tstmax為電動機實測的最長啟動時間.時間:tdz=22s.

負序/不平衡保護

負序過流保護作電動機匝間短路、斷相、相序出錯、供電電壓較大不平衡的保護,對電動機不對稱短路故障起后備保護作用.

按照躲過區(qū)外不對稱短路且電動機負序反饋電流和電動機起備時,由于電流互感器誤差和暫態(tài)特性出現(xiàn)的負序電流,以及保證電動機在較大負荷兩相運行和電動機內(nèi)部不對稱短路時,有足夠的靈敏度來綜合考慮計算.

負序Ⅰ段:按照躲過區(qū)外不對稱短路且電動機負序反饋電流和電動機起備時出現(xiàn)的暫態(tài)二次負序電流,以及保證電動機內(nèi)部不對稱短路時,有足夠的靈敏度來綜合考慮計算.

動作時限:按躲過相鄰設備出口兩相短路的負序反饋電流持續(xù)時間,t1=0.5s.

負序Ⅱ段:按照躲過電動機正常運行時,且可能的最大負序電流和電動機在較小負荷兩相運行時,有足夠的靈敏度來考慮.

電動機過負荷保護

取超常反時限.啟動電流:Igfh= Ip= 1.15 Ie=0.84A .

取瞬時速斷定值Iop= Isd=7.65A ,跳閘延時為t =0.3s.

電動機過熱保護

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

裝置通過在各種運行工況下,建立電動機的發(fā)熱模型,對電動機提供準確的過熱保護.

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

100s;電流告警段定值:I = 1.15 Ie =0.84A .

高壓側零序過流保護

零 序動 作 時 間:t0.dz0.2s .

低電壓保護

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

通過對國信靖江煤碼頭皮帶驅(qū)動方案的分析,能夠證明輸煤皮帶機采用變頻器后可以實現(xiàn)軟起、軟停運行的方式,改變以前電機工頻恒速運行的模式,根據(jù)負載變化,自動調(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)約了設備的維護和維修費用,對提高企業(yè)競爭力、降低發(fā)電成本具有積極意義.