3250kW6kV高壓變頻調速技術介紹
發布時間:2019-08-01 10:48:00來源:
我國電力工業2004年底發電總裝機容量達到4.4億kW,年發電量達到了218700億kWh。平均每年15%的增長速度,滿足不了社會日益增長的電力需求。連續四年的“電荒”,已讓國民經濟遭受了一萬億元的巨大損失。一方面電力供給不足,另一方面我國低效率、高電耗的工業裝備和民用設施還在迅速增長,單位GDP產能消耗的電能為發達國家的3-5倍。同國際先進水平的差距仍在繼續拉大。
目前,全世界正在為能源緊缺而困擾,我國的能源形勢尤其嚴峻。在這樣的背景下,國家頒布了《節能法》,并號召各級政府、廠礦企業為建設資源節約型社會而努力。推動社會各方面的節能改造,是當前重要工作之一。
節能改造有各種不同的方面,如加強廢物利用、利用可再生能源、禁用耗能設備等,但是,通過對拖動風機、水泵、空氣壓縮機的高電壓大功率電動機變頻調速方式來實現節能,無疑是潛力比較大的節能方式。風機和水泵在國民經濟各部門的數量眾多,分布面極廣,耗電量巨大。據有關部門的統計,全國風機、水泵電動機裝機總容量約35000MW,耗電量約占全國電力消耗總量的40%左右。目前,風機和水泵大多數還采用定速運行的方式,利用閥門或擋板的節流進行調節,如果采用調速節能,據估計可達300~500億kWh年,相當于6~10個裝機容量為1000MW級的大型火力發電廠的年發電總量。
風機、水泵類負載80%的耗電集中在高壓大功率電動機上,功率大多集中在300-5000KW之間,分布在各大電廠、自來水廠、鋼廠、石油化工企業,進行節能改造易于操作;經過前期的論證和選擇,改造后節能一般在20%-40%之間。
3250kW6kV是迄今為止我公司生產的比較大功率的高壓變頻調速系統,也是目前國產高壓交-直-交電壓源型變頻調速系統達到的比較大功率,其額定輸出電流達到400A。3250kW6kV高壓變頻調速系統的開發成功,進一步滿足了市場對大容量高品質高壓變頻調速系統的需求,標志著我公司高壓大功率變頻器技術又邁上了一個新的臺階。
下面就其系統原理、功能特點、應用范圍、優化設計、技術參數等方面進行詳細闡述。
二.系統原理
HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式,為單元串聯多電平拓撲結構,主體結構由多組功率模塊串聯而成,從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出,它對電網諧波污染小,輸入電流諧波畸變小于4%,電網輸入電壓諧波畸變小于2%,直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準,輸入功率因數高,不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置;輸出波形質量好,輸出電流諧波畸變小于2%,不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dvdt、共模電壓等問題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機。3250kW6KV高壓變頻系統共有15個功率單元,每5個功率單元串連構成一相,其系統結構如下圖,其中(1)為高壓開關;(2)為干式移相隔離變壓器;(3)為電動機;(4)為功率單元;(5)為主控箱;(6)人機接口;(7)為可編程控制器;(8)為電流霍爾;(9)為電壓檢測。
功率單元
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,實現多重化,以達到降低輸入諧波電流的目的。每個功率單元結構上完全一致,可以互換,其電路結構圖如下,系統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,并且有自動單元旁路功能。
功率單元內器件承受的比較高電壓為單元內直流母線的電壓,可以直接使用低壓功率器件,器件不必串聯,不存在器件串聯引起的均壓問題,而且功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊,驅動電路簡單,技術成熟可靠,器件工作在低壓狀態,不易發生故障。
單元旁路功能:當某個功率模塊發生故障時自動旁路運行,變頻裝置不停機,但需降額使用,即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路,當功率單元故障時,封鎖該功率單元IGBT的觸發信號,然后讓旁路SCR導通,保證電機電流能通過,仍形成通路。這樣能維持生產要求,大大提高了系統運行的可靠性。
三.HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統性能特點
? 變頻器為高-高結構,6kV直接輸出,不需輸出升壓變壓器,輸出為單元串聯移相式PWM方式;
? 系統一體化設計,包括輸入干式隔離變壓器,變頻器等所有部件及內部連線,用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。整套系統在出廠前進行整體測試;
? 30脈沖輸入符合并優于IEEE519~1992及GBT14549~93標準對電壓失真和電流失真比較嚴格的要求;
? 在20~100%的負載變化情況內達到或超過0.95的功率因數,并且電流諧波少,無須功率因數補償諧波抑制裝置;
? 無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形,對電機沒有特殊的要求,可以使用普通異步電機,電機不必降額使用。具有軟起動功能,沒有電機啟動沖擊引起的電網電壓下跌,可確保電機安全、長期運行;
? 變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振,轉矩脈動小于0.1%??杀苊怙L機喘振現象。變頻器有共振點頻率跳躍功能;
? 變頻裝置對輸出電纜無特殊要求,電機不會受到共模電壓和dvdt的影響;
? 變頻器可在輸出不帶電機的情況下進行空載調試,也可在沒有6kV高壓情況下用低壓電進行空載調試;
? 控制系統采用全數字微機控制,有很強的自診斷功能,能對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示,能在就地顯示并遠方報警,便于運行人員和檢修人員能辨別和解決所出現的問題;
? 具有就地監控方式和遠方監控方式。在就地監控方式下,通過變頻器上的觸摸屏顯示,可進行就地人工啟動、停止變頻器,可以調整轉速、頻率;就地控制窗口采用中文操作界面,功能設定、參數設定等均采用中文。賣方提供的變頻裝置支撐軟件為漢化的比較新的正版軟件;
? 變頻器高壓主回路與控制器之間為光纖連接,具有很高的通信速率和抗干擾能力,安全性好;
? 轉矩特性:0~50Hz恒轉矩特性,額定轉矩輸出,轉矩階躍響應<200ms。50Hz以上恒功率特性,比較大轉矩與轉速成反比下降;
? 輸出頻率0-60Hz(根據電機情況可設定);
? 變頻器抗地震能力為7級,振動0.5G;
? 臨界速度可跳過(共2組,可任意設定);
? 安裝、設定、調試簡便;
? 功率電路模塊化設計,維護簡單;
? 完整的故障監測電路、精確的故障報警保護;
? 自帶冷卻風機,風機電源與控制電源分開取電,電源取自輸入側變壓器;
? 內置PLC,易于改變控制邏輯關系,適應多變的現場需要;
? 可靈活選擇現場控制遠程控制;
? 可接受和輸出0~10V4~20mA工業標準信號;
? 可根據用戶需要內置PID調節器;
? 完整的通用變頻器參數設定功能;
? 優異的性能價格比;
? 自備UPS,可維持30分鐘。
? 旋轉再起動功能
? 單個功率單元故障時,輸出電壓仍可達到93%以上,在大多數情況下不影響負載的運行。
四.高壓變頻調速系統的應用范圍
火力發電:引風機、送風機、吸塵風機、凝結泵、排污泵、鍋爐給水泵等;
冶 金:引風機、除塵風機、通風機、泥漿泵、除垢泵等;
石油化工:主管道泵、注水泵、循環水泵、鍋爐給水泵、電潛泵、鹵水泵、引風機、除垢泵等;
市政供水:水泵等;
污水處理:污水泵、凈化泵、清水泵等;
水泥制造:窯爐引風機、壓力送風機、冷卻器吸塵風機、生料碾磨機、窯爐供氣風機、
冷卻器排風機、分選器風機、主吸塵風機等;
造 紙:打漿機等;
制 藥:清洗泵等;
其 它:風洞試驗等。
五.3250kW6kV高壓變頻調速系統的優化設計
3250kW6kV高壓變頻調速系統主要由控制柜、功率柜、變壓器柜三大部分組成,其各個部分不僅繼承了以前產品的優點,而且在產品外觀、可靠性、模塊設計、散熱設計等各方面都作了許多的改進,具有一些新的特點,如下所示。
1.3250kW6kV與2500kW6kV高壓變頻調速系統的功率柜部分尺寸完全相同,這樣就相當于把2500kW6kV高壓變頻調速系統整流逆變部分的功率密度提高了30%。
我們通過在設計上采用新的散熱器(與2500kW6kV使用的散熱器外形尺寸相同,散熱面積增大一倍),新型號的電解電容,IGBT等,成功的解決了電解電容的容量和功率模塊的發熱等一系列的問題,大大提高了系統的功率密度,減小了設備的體積,為變頻器的現場應用提供了方便。
2.系統全部使用新的拼裝機柜。
拼裝機柜不僅外觀上更加美觀,而且提高了機柜的強度,門與柜體間安裝了新的壓條式密封條,增強了門的密封性能,提高了系統的防護等級。我們通過將變壓器柜底座密封,在變壓器柜柜門上加裝通風濾網,設計標準的散熱風道等,使系統的防護等級從IP20提高到IP31,通過特殊設計,還可以達到IP42。
3.系統安裝了更加友好的人機界面,并采用了低功耗、可靠性高的嵌入式人機界面。
新的人機界面集成了變頻器產品在各個行業的應用經驗,針對各個不同的用戶,只需根據現場的實際情況在界面中進行設置即可,不需要對程序進行改動,這樣就避免了因為頻繁改動程序而造成失誤的可能,提高了軟件的可靠性;新的嵌入式人機界面取消了老式工控機中的一些易損部件,例如CPU風扇,電源風扇等,并用閃存代替了硬盤存儲器,使操作界面的可靠性更高,真正實現了免維護;系統采用微軟公司的Windows CE操作系統代替了Windows 2000操作系統,使之更加適合變頻器產品,進一步提高變頻器產品的可靠性。
4.系統優化了電量的檢測電路。
高壓變頻調速系統需要檢測輸入、輸出側的電量參與控制和顯示,在3250kw6kV系統中,改變了原來的檢測電路體積大、結構笨重的不足,提高了變頻器低頻運行時的檢測精度,不僅提高了系統的性能,更為下一步高性能的變頻器
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