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电厂给粉机变频器改造方案

--确保电网瞬时低电压时系统正常工作

供稿:lfaviate 2006/3/24 17:08:00

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一、电厂目前存在的问题
  随着电力电子技术的发展,变频器以其调速精确、使用简单、保护功能齐全等优点逐步代替传统的调速控制装置而得到广泛应用;但由于国内某些工厂的电网电压不稳定,导致变频器在使用中产生了新的问题—变频器低压跳闸。低电压通常都是短时的,对传统的控制系统影响较小,而对变频器则会产生低压跳闸导致电机停止,影响生产。特别是电厂内部控制给粉机的变频器低电压跳闸,对电厂影响尤为严重。
  电厂控制给粉机的变频器在遇到厂用电电压瞬时低于变频器的低电压保护整定值(根据变频器的型号不同该值也不同)时变频器的低压保护会动作,并同时会给FSSS(锅炉安全监控系统)发出停止信号,这样会导致FSSS直接停炉。而厂用电和给粉机母线的低电压保护整定值通常低于该值,线路中的其它设备还在正常工作,给粉机变频器跳闸,迫使FSSS停炉,给电厂带来很大的经济损失,也是目前电厂面临的比较大的问题,只有很好的解决该问题才能保证电厂安全、可靠、高效的正常运行。
  解决该问题的关键就是如何使变频器在瞬时低电压(该电压值的大小取决于厂用电和给粉机母线的低电压的保护整定值)时还能正常工作。我们这次改造方案就是结合变频器的工作原理,利用瞬时直流供电原理,确保在电网瞬时低电压时变频器还能正常工作。
我们根据电厂的实际情况,采用直流支撑技术(在变频器直流侧加不间断直流电源提高变频器的低电压跨越能力)来解决目前电厂面临的问题。采用此技术可确保:
(1)、厂用交流电源瞬时低电压时变频器还能正常工作。
(2)、在备自投切换过程中确保变频器正常工作。二、研究开发和创新内容、技术路线、技术指标及技术关键:
  变频器是由整流器和逆变器两部分组成。通过对变频器的研究,变频器低电压指其中间直流回路低电压(即逆变器输入电压过低)。一般的变频器都具有过压、失压和瞬间停电的保护功能。变频器的逆变器件为GTR时,一旦失压或停电,控制电路将停止向驱动电路输出信号,使驱动电路和GTR全部停止工作,电动机将处于自由制动状态。逆变器件为IGBT时,在失压或停电后,将允许变频器继续工作一个短时间td,若失压或停电时间to<td,变频器将平稳过度运行;若失压或停电时间to>td ,变频器自我保护停止运行。一般td都在15~25ms,只要电源“晃电”较为强烈,to都在几秒钟以上,变频器自我保护停止运行,使电动机停止运行。
  从电压跌落到变频器恢复正常运行,时间至少几十秒钟,此过程中FSSS会发出停炉信号,严重影响电厂的正常运行,针对该问题我们采用直流支撑技术,通过整流装置、蓄电池组和各直流回路,对各变频器的直流母线供电,并通过PT传感器、开关量数据采集等输入PLC,编程控制各直流回路的开合、静态开关的导通等,当电网发生晃电甚至停电时,保障变频器连续、稳定、安全运行一定的时间,从而大幅度减少电网电压波动对变频器产生的影响,进而保障整个机炉安全度过晃电期。(一)、DC-BANK系统的原理
工作原理图:



VVVF: 变频器,由AC/DC整流器、DC/AC逆变器等组成
DC-BANK: 由电池组、充电器、静态开关、控制器等组成
SS: 静态开关
M: 电动机(二)、性能特点
结构合理可靠
用DC-BANK系统直接向VVVF提供直流电源。和传统的UPS相比,减少了AC/DC、DC/AC 两次变换,硬件费用减少,可靠性提高。
常规UPS整流充电器与变频器处于串联状态,既要对电池充电,还须向逆变器提供额定直流功率,而DC-BANK充电器处于并联状态,平时只对电池浮充电,成本低,可靠性高。
DC-BANK系统不影响原来设备的全部工作状态。
电动机享有VVVF的软启动、调速等功能,并具备短路、接地故障和过载等保护特性。
充电器具有稳压、限流功能。
DC-BANK系统相关参数可以记录、储存和显示。
采用方便检修维护的模块化结构,并联使用。系统各回路完全独立,检修某回路VVVF及其控制保护电路等,不影响其他回路工作。
系统相关部件采用IGBT逆变功率器件和微处理器控制。
静态开关采用在线跟踪和电压自动监控,保证主电源电压波动和失电时,系统瞬时切换到电池供电,变频器的输出频率没有变化。(三)、主要试验设备介绍
1、 蓄电池
1) 蓄电池采用免维护阀控式全密封铅酸电池。
2) 蓄电池的使用寿命为7~12年。2、整流器
  整流器的功率逆变管采用进口快速IGBT,其余元件采用进口工业等级器件,生产工艺严格完整,保证机器的可靠性和稳定性。输出电压和电流均可连续调节。具有强大的保护功能(输入过流、过压、欠压保护;输出短路,过流,过压保护;整机过热保护)。3、静态开关
  静态开关采用大功率器件组成直流电子开关。当电网供电正常时,开关处于关断状态,切断电池组与变频器的通路,防止电池组在浮充电或均充电时,因端电压高于交流进线经整流后输出的直流电压引起频繁放电;当交流电源低于变频器低压保护值时(以变频器的品牌而定),监控系统触发直流电子开关瞬间导通,可以做到变频器由交流供电和由电池组供电的瞬时转换。
静态开关工作条件
截止条件:变频器没有运行或变频器运行且市电正常。
导通条件:变频器运行且市电晃电或停电(备自投切换时)。4、智能控制系统
  根据需要用一台或多台西门子S7-200可编程控制器和HMI(触摸屏)组成带有人机操作界面的监控系统,其功能为:充电模块输出电压设定,充电电流限值设定,本系统的起停操作,运行参数显示,变频器工作状态显示,故障报警存储以及按需要和上位机通讯实现四遥功能。
  系统监控由系统控制器、切换控制器、电池检测器及分路检测器等主要部件组成,各部件均有单片机进行控制,监控系统是通过RS485进行数字化连接以完成系统的通信与控制。各部件主要功能如下:
1) 系统控制器:实现人机交流、系统参数显示、系统指示、系统设置、历史事件的存储及远程通信等功能。
2) 切换控制器:负责系统各路电压及市电的监测以实现系统安全可靠快速的切换。
3) 电池检测器:负责电池自动化管理和及监测。
4) 分路检测器:负责输出各分路的负载状况(正常、开路、短路、未装等)的检测。
5、安全保护
  此系统都是安装在配电柜内的。配电柜符合IP20要求,由能承受一定机械应力、电气应力及热应力材料构成。(四)、本系统的工作模式
本系统有三种工作模式:
1)、正常工作模式:由电网通过具有双变换及软起动功能的VVVF驱动电动机,充电器对电池浮充电。
2)、断电工作模式:静态开关开通,电池通过VVVF驱动电动机;电网恢复,系统自动恢复正常工作。转换过程不断电。
3)、检修工作模式:每个回路相对独立,n台PLC分路独立管理n台VVVF,并对直流系统监控。
在工作现场通常都是电机群,我们只需设计一套系统就可以解决问题。
下图是多台电机的工作模式图

多台电机工作模式:
M1,M2,M3同时设计于同一控制系统中为低压电机群的工作模式;
检修模式:
VVVF1检修,VVVF2和VVVF3处于工作模式,直流由SS和直流熔断器等隔离。三、现有的设备和实验条件
电厂提供的现场条件:
炉4台,每台炉有2.2KW给煤粉机 8台,总计:
电动机总数:32台;
电动机总功率70.4KW;
变频器均为三菱品牌(型号为:FR-E540-3 7K-CH 3.7KW)
电厂提供的现有实验条件:
一路380V/60A 3P+N+PE电源.
被保护变频器的状态干节点给DC-BANK.
被保护变频器电源状态的PT取信号电源。
排粉机信号
被保护变频器二次接线图。
有关的工程设计条件。包括被保护变频器盘内布置图。四、配置DC—BANK系统的主要内容:(一)系统组成
1、 设备基本参数:
—DC-BANK输出功率70.4KW。
—直流输出回路32路,支持32台变频器。
—电池放电时间:70.4KW ≥2分钟。
2、设备基本组成及柜体安排
根据现场情况拟一个DC-BANK系统,其中:
整流器柜 一台
直流控制柜 四台
蓄电池柜 一台
  因为整套蓄电池重量在2.7吨左右,蓄电池固定及连接方法应根据现场情况决定,采用电池柜还是电池架。
柜体具体安排:
—ZL柜;冗余高频DC 530V/10A 2台充电器、含有HMI屏的系统测控。AC/DC 24V、 DC/DC 24V构成冗余的控制电源、系统变压器、保护单元。
---32条支撑回路 每一条支撑回路中,含有静态开关、直流接触器、直流熔断器、直流隔离模块,光电检测继电器、PLC等
—蓄电池组:共有一组HZS12V-200AH/ 39节电池组成,分别由法国施耐德公司生产的630A/1200V直流空气开关分合并作短路保护,支撑被保护系统满载时≥10 MIN的后备保护。
各柜有自己独立的PLC系统,与HMI采用串行通讯的方法传递数据。
--柜体安排:根据现场现有的施工条件。
具体现场的情况目前不了解,因此柜体的安排可有二种方法:
1)、将系统的全部柜体集中定位在四台发电机组中相对最中心的位置的那台机组的控制室中,支撑系统分别与每一个变频器连接。
2)、将四台发电机组分成二组,主控制柜与其他三台控制柜之间用50平方毫米的电缆输送直流电压,然后再由直流柜分别对其处理的变频器进行直流支撑。
3.方案的最终确定实施时:
我们会提供:
电厂系统就位的平面布置图。
设备基础安装图。
电气条件图、设备荷重图各一份,可用电子版发送。(二)、执行的有关标准及规范
GB17478-1998 低压直流电源设备的输出性能特性和安全要求
JB/T8948-1999 电控设备用低压直流电源
B4208-1993

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