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基于高压变频器再生过电压的分析


    勇, 仇元刚, 王立华

(国家能源费县发电有限公司,山东省 临沂,273425)

摘要:针对一起高压变频器再生过电压的跳闸事件,着重分析过电压产生的机电过程。其中,对异步电动机的超同步状态,采用转子旋转磁场等概念,进行了形象的电磁过程论述。提出变频器选型、日常维护和优化运行操作的措施,以服务于实际生产。

关键词:变频器;再生过电压;机电过程;转子旋转磁场;措施

Analysis of Regeneration Overvoltage Based on High Voltage Inverter

Zhang Yong,Qiu Yuangang,Wang Lihua

(Feixian Power Generation Co.,Lit.of State Energy Investment Group ,Linyi273425,China)

Abstract: In view of a trip event of high-voltage inverter regeneration overvoltage,this paper focus on the analysis of the electromechanical process on the over-voltage.Among them, for the asynchronous motor's super synchronous state, the concept of rotor rotating magnetic field is adoptedThe electromagnetic process of image is discussed.The measures of inverter selection, daily maintenance and optimized operation are put forward to serve the actual production.

Key words: inverter; regeneration overvoltage; electromechanical process; rotor rotating magnetic field; measures

0 引言

变频器已广泛应用于电厂风机、水泵等电机设备,优化了运行参数,取得了可观的节能效益。但这类电力电子设备,相对于电机等,其原理、结构、运行过程更为复杂,一旦操作、维护不当,较易发生异常、故障。故深入探讨变频器特性,采取针对性预控措施,以提升设备的可靠性,降低维护费用,确保长周期安全经济运行。

为满足安全经济运行,需经常调控变频器电气参数。一旦调控幅度过大,很容易造成再生过电压。为保护变频器,设置过电压保护以动作于跳闸。而生产现场容易忽视变频器再生过电压,致使异常的分析、判断、处理不及时,给生产带来不必要的损失。

1 变频器过电压及分类

变频器过电压主要表现于其直流母线电压高。正常运行,变频器直流母线电压为三相全波整流后的平均值,有正常的电压范围。若电压超出范围,直流母线的储能电容将过充电,影响电容器寿命,严重时会发生放电、冒烟、爆炸,损坏变频器。所以,一般设置变频器过电压跳闸保护。变频器常见的过电压分输入交流电源过电压和再生类过电压两种。(1)输入交流电源过电压。此过电压是指变频器输入电压超正常值。(2)再生类过电压。这类过电压主要有以下原因:风机等机械惯性大的负载减速时,变频器减速时间设置过短;电动机受外力影响或位能负载下放时,使电动机实际转速高于变频器的指令转速。这两类再生过电压,其实都是因电机转子转速超过同步磁场转速引起的,实际生产过程经常发生,这也是本文要分析的。

 

图1 变频器功率单元原理图                        2 异步电动机的三种状态

 

2 事件经过

2018年,某厂一台6kV送风机电机变频器,正常运行中,输出电流由29A突降至2A,风机已不出力。为恢复正常、机组尽快带负荷,手动升高变频器指令至最大,确认仍不出力,于是又快速降低变频器指令,以便排查原因。在降低变频器指令过程中,电机6kV开关事故跳闸、风机停运,同时变频器DCS首出“电源故障”报警。此报警为综合报警,未说明具体原因。检查变频器无明显异常后,因急于发电,复归报警后,再次启变频器。操作过程与第一次相同,并且再次跳闸,变频器故障报警也相同。

3 原因分析

变频器先后两次事故跳闸,过程及现象均相同,说明跳闸的真正原因还未发现。

第二次跳闸后,深入、全面排查。发现风机动叶液控传动机构断开(轴承损坏),使风机动叶在运行中保持最小开度,即电机变为空载状态。这就是变频器输出电流突降为2A的真正原因。但发生这种状态时,变频器并未跳闸,即变频器无故障。变频器跳闸是发生在电机电流突降、风机不出力后,运行人员手动升高变频器输出指令至最高,确认无效,然后再急降变频器输出指令时。显然,是此过程导致了变频器跳闸(6kV开关跳闸)。

此过程,升高变频器指令至最大,至确认风机仍不出力,需要几分钟的时间,也就是电机转子已升至与定子同步旋转磁场相匹配的转速(有转差率,略小于同步速),即正常异步电动机状态。此同步旋转磁场,由变频器输出的三相交流电产生。因变频器指令已升至最大,故几分钟后,转子已升至电机最高速度,即额定转速。当确认风机仍不出力,操作人员即快速降低变频器输出指令,使变频器输出频率降低、同步旋转磁场转速降低。

但由于风机转子体量大、机械惯性大,而且同步旋转磁场转速降低快,转子转速的降低将滞后于同步转速的降低,即转子转速高于了同步转速,产生转差,转差率为负值(-∞<s<0),即为超同步状态。此状态,闭路的转子导体切割同步旋转磁场的方向与电动机状态时相反,则导体感应电势和感应电流的方向与电动机状态也相反,而其频率与转差率相一致,即为差频电势。转差越大,差频电势、差频电流也越高。因转子导体在空间为对称布置,差频电流的合成磁场也为对称的旋转磁场。此旋转磁场,相对于转子时,其转速等于转差,而转向与转子旋转方向相反;而相对于定子时,其转速、转向又与同步旋转磁场相同。本旋转磁场与同步旋转磁场作用产生电磁转矩,转矩方向与转子转向相反,对转子起制动作用。即电动机电磁转矩对于转子,已由电动机正常运行时的拖动转矩,变为制动转矩。转子机械转矩将克服此制动转矩,通过电磁感应,将机械能转变成再生电能。此电动机的异步发电机(图2)过程,类似于同步发电机的失磁状态。

此再生电能将经变频器逆变部分的续流二极管对变频器直流储能电容器充电(图b),使直流母线电压上升,即产生再生过电压。当电压超过允许范围,威胁电容器和其它元件的安全时,设置的变频器过电压保护将动作,跳闸变频器。

当然,此类状态在转差率值允许范围内时,因转子无拖动外力,在制动力矩的作用下,转速快速降低,在以秒计的时间内,最终与定子同步磁场匹配,达到异步电动机的正常状态,即多数再生过电压不会严重到保护动作的程度。                                                                                   

4 预控措施

这类再生过电压主要是因转子机械惯性大,当快速降低变频器指令时,实际转子转速高于同步转速,使电动机处于发电状态引起的。实际运行调控中,是经常发生的。但过高,将威胁变频器的安全。应综合预控:

1)适当延长变频器减速时间。时间太短易发生再生过电压;太长,不能满足锅炉燃烧调整的需要。所以,应根据本变频器再生制动能力、电机机械负载特性,并结合运行调整的需要,按频段论证、试验,优选合适的变频器减速时间。本变频器原减速时间设置:50~35Hz频段,减速时间为40s;35~15Hz频段,减速时间为70s;小于15Hz,为110s。后依次改为:70s;100s;120s。

2)变频器定期深度维护。每运行6~8年的变频器,一般应全面、深度维护,测试电容器及各元件的性能参数。尤其电容器易老化,容量降为80~82%时,应更换。否则,电容器过电压能力将变差,也易烧损。另外,若变频器工作环境较差,还应缩短维护周期。

3)配置再生制动能力高的变频器。配置时,应充分考虑负载性质、再生过电压的可能,优选再生制动能力高的变频器,以确保运行寿命。已配置的变频器,若制动能力较低,应升级优化。

4)降低变频器输出时,操作指令的频次应适当。非紧急状态,应缓慢操作。

5 结语

这类高压变频器再生过电压,是发电厂最典型的。通过实例分析,有助于变频器事故跳闸的分析判断,有益于运行操作、设备选型的安全优化,同时可提高检修维护的主动性和质量。

参考文献:

[1] 叶水音,电机学,北京:中国电力出版社,2005.

[2] 顾绳谷,电机及拖动基础,北京:机械工业出版社,2005. 

[3] 汤蕴缪, 史乃. 电机学[M]. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2005.

作者简介:张  勇(1974),男,高级工程师,硕士研究生,从事电力生产技术管理工作。

仇元刚(1976),男,高级工程师,从事电力生产技术管理工作。

王立华1970),男,高级技师,从事电力生产技术管理工作。

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