应用案例

变频电控在大功率强力皮带中的应用

发布时间:2014-01-16 发布人:管理员

随着我国工业蓬勃发展,大功率提升设备应运而生,可节能、环保、平稳启动的问题又摆在我们工程技术人员面前。一般大功率交流电动机工频启动采用降压串电阻法启动,二是星角转换法。这种启动方法缺点是大量电能消耗在电阻上,启动电流大、冲击力大、调速困难、稳定性差。为了改善大功率交流电动机工频启动电流大、冲击力大、调速困难、稳定性差等问题。我们工程技术人员查找很多资料、文献。

下面我把我矿主井强力皮带传动部分改造过程全面叙述一下。我矿选用的强力皮带型号:DT-1200,全长1200米,倾角15°30′,设计运力900/小时。当时设计采用佳木斯产型号:Y-4100-42×250kW交流异步电动机,电压等级380V。在调试过程中出现过几次事故,一是厂商配套开关容量小,设计电缆MY-300,电机额定电流380A。调试启动时高防开关弧光短路、电缆放炮。后来把电压等级提高到660V,调试也没成功。查找原因:一是开关容量小,二是电缆截面小,三是变压器容量小。我们根据现场采集第一手资料,通过与厂家协商,采用合康变频高压变频器,型号:HIVERT-Y10/048,电压10kV,调速范围02.5M/S,电控普通交流异步电动机。

一、改造后采用直接高压变频器,电压10kV,容量:630kVA。普通交流异步电动机功率2×250kW。以高可靠性、易操作、高性能为设计目标,满足了强力皮带对于普通异步交流电动机类机械调速节能、改善生产工艺的迫切需要,具有如下特点:

1、安装、设定、调试简便;

2、高-高电压源型变频器,直接10kV输入、10kV输出,不需要输出变压器,不需要特殊变频电动机;

3、全中文WINDOWS操作界面,彩色液晶触摸屏;

4、可满足电动机的四象限工作要求;

5、输入功率因数高,电流谐波少,无须功率因数补偿/谐波抑制装置;

6、输出阶梯SPWM波形,无须输出滤波装置,对电缆、电机绝缘无损害,谐波少,减少轴承、叶片的机械振动;

7、功率电路模块化设计,维护简单;

8、高压主回路与控制器之间为多路光纤连接,安全可靠;

9、完整的故障监测电路、精确的故障定位和报警保护;

10、自带冷却风机;

11、内置PLC,易于改变控制逻辑关系,适应多变的现场需要;

12、可灵活选择现场控制/远程控制;

13、可接受和输出05V/420mA工业标准信号;

14、内置PID调节器;

15、完整的通用变频器参数设定功能;

16、典型应用场合例如,矿用主扇风机、锅炉给水泵、矿井排水泵、排风扇、自来水供水泵、中央空调压缩机、矿井提升机主、副井绞车、矿井钢缆强力皮带机、矿井用大功率压风机控制等。

二、变频器系统结构

高压变频调速系统的结构见图1-1,由移相变压器、功率单元和控制器组成。10kV系列有18个功率单元,每6个功率单元串联构成一相,图中给出了系统结构示例。

1-1

三、功率单元电路

每个功率单元结构上完全一致,可以互换,其主电路结构有图1-2中的(a)和(b)两种,为基本的交--交双向逆变电路,图(a)中通过逆变块A中与IGBT反并联的二极管构成三相全桥方式整流,整流后的给滤波电容充电,确定母线电压,通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现双向逆变。当电机进入发电状态后,逆变块B中的二极管完成续流外,又起三相全波整流,使能量能够转移到滤波电容中,结果母线电压升高,达到一定程度后,启动逆变块A,进行SPWM逆变,通过输入电感,返回到移相变压器的次极,通过变压器将能量回馈到电网;图(b)中通过整流桥进行三相全桥方式整流,整流后的给滤波电容充电,确定母线电压,通过对逆变块B中的IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现单相逆变。当电机进入发电状态后,逆变块B中的二极管完成续流外,又起全波整流,使能量能够转移到滤波电容中,结果母线电压升高,达到一定程度后,启动逆变块A,进行SPWM逆变,通过输入电感,返回到移相变压器的次极,通过变压器将能量回馈到电网。

a

b

1-2

四、输入侧结构

输入侧由移相变压器给每个单元供电,每个功率单元都承受电机电流、1/6的相电压、1/18的输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,目的是实现多重化,降低输入电流的谐波成分。

本机中移相变压器的副边绕组分为三组,构成18脉冲整流方式;这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形,使其负载下的网侧功率因数接近1,输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于5%

另外,由于变压器副边绕组的独立性,使每个功率单元的主回路相对独立,类似常规低压变频器,便于采用现有的成熟技术。

五、    输出侧结构

输出侧由每个单元的UV输出端子相互串接而成星型接法给电机供电,通过对每个单元的PWM波形进行重组,可得到如图1-3所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好,dv/dt小,可减少对电缆和电机的绝缘损坏,无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长,普通交流异步电动机不需要降额使用,可直接用于旧设备的改造;同时,电机的谐波损耗大大减少,消除了由此引起的机械振动,减小了轴承和叶片的机械应力。

1-3 变频器输出的相电压阶梯PWM波形

系统采用了先进的载波移相技术,它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。多个单元迭加后的理论输出波形如图1-4所示(图中是六单元叠加)。

1-4   6个单元输出迭加后的波形

六、     控制器

控制器核心由高速16位单片机和工控PC机协同运算来实现,精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面,同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理,以及与现场各种操作信号和状态信号的协调,增强了系统的灵活性。

另外,控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术,低压部分和高压部分完全可靠隔离,系统具有极高的安全性,同时具有很好的抗电磁干扰性能,并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器,方便调试、维修、现场培训,增强了系统的可靠性。

通过系统调试,我们学到的基础知识得到应用。设计要求,高压普通交流异步电动机必须是同厂、同时、同批号生产的电机,由于制造过程中有不可预料因素,两台电动机在高压变频器一拖二时,转数不一致,皮带运行不同步,导致皮带磨损严重。通过对两台普通交流异步电动机电压、电流、谐波、电压波形、电流波形和电缆对地电容的测试,发现电感与对地电容成正比。通过多次对电动机电缆长度的试验得出,变频器输出电缆尽量等长。对电动机定点、定角、等时间测试,两台电动机运转8小时两电机角度差为2°。通过多次试验两台电动机角度差在1°~2°之间。这一经验在秦皇岛煤码头高压变频器电控一拖三得以验证。