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變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)保護(hù)問題的研究-wenkub

2023-04-11 01:52:38 本頁(yè)面
 

【正文】 換。整流電路一般采用二極管,鉗位采用高壓快恢復(fù)二極管,逆變部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。但由于是電流源型,其輸入側(cè)功率因數(shù)較低,對(duì)母線電壓的適應(yīng)能力差(如電壓驟降、周波缺失);另外,其輸出側(cè)電壓電流波形不如單元串聯(lián)多電平變頻器好,對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波的影響也較單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型逆變器大。電流源型變頻器是在電壓源型變頻器之前發(fā)展起來(lái)的早期拓?fù)?,它在逆變器直流供電?cè)串聯(lián)大電感,能抑制短路等故障時(shí)電流的上升率,故電流源型變頻器的過流和短路保護(hù)容易實(shí)現(xiàn);電壓源型變頻器在直流供電輸人端并聯(lián)有大電容,一般電壓源型變頻器的過流和短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)則較為困難,只有二電平電壓源型變頻器設(shè)有直流電感,可抑制di/dt的上升速率,易實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和短路保護(hù)。2.2主流變頻器的性能比較1.高壓變頻器的類型高壓變頻器根據(jù)其高壓組成方式可分為直接高壓型和高.低.高型。輸出電壓的大小和頻率均由正弦參考電壓珥來(lái)控制。載波SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)電壓逆變器是目前變頻電源的主流產(chǎn)品,在工程實(shí)際中應(yīng)用最多下面以圖2.1所示的電壓型三相橋式變頻器電路為例,來(lái)說明變頻器的工作原理忉。電動(dòng)機(jī)一旦制造完成,其S、P一般已經(jīng)確定,由于轉(zhuǎn)速刀與頻率廠之間為線性關(guān)系,從理論上分析調(diào)速范圍在0,---100%內(nèi),線性度都很好。這種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有一定的應(yīng)用場(chǎng)合。第2章變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)保護(hù)分析2.1變頻器原理從交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可以分析如何改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速㈣:n=60f(1一s)/p式中:以.電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速f.電動(dòng)機(jī)電源頻率P.電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)J.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率由上式可看出,只要調(diào)節(jié)P、J或.廠三個(gè)變量,即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的,由此,可得出三種基本調(diào)速方法:1.改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)P。1.4小結(jié)本文完成的主要工作有:1.通過分析電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行方式與工頻方式下電氣量的差異,對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)保護(hù)面臨的問題進(jìn)行了分析,并給出變頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置。為此,除了選擇可靠性高的變頻器外,電廠一般還會(huì)要求變頻器配置完善的保護(hù)功能。解決好這個(gè)課題,成為保證電廠安全運(yùn)行的關(guān)鍵,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如山東黃島發(fā)電廠的兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)引進(jìn)美國(guó)羅克韋爾ABl557變頻裝置,年節(jié)電341萬(wàn)度,可節(jié)約125萬(wàn)元,兩年內(nèi)即可收回全部投資;華能新華電廠的吸風(fēng)機(jī)、給水泵采用美國(guó)羅賓康多重化無(wú)諧波變頻裝置,節(jié)電率達(dá)到28""69%;四川華鑒山發(fā)電廠在鍋爐送引風(fēng)機(jī)上采用國(guó)產(chǎn)北京利得華福單元串聯(lián)多電平變頻裝置,節(jié)電效果達(dá)到46""68%。到1989年已有65臺(tái)以上GTO-PWM電流源型變頻器在發(fā)電廠大型異步電動(dòng)機(jī)上使用,功率范圍為375KW~5369KW:如一臺(tái)300MW燃油/氣機(jī)組上安置了兩臺(tái)變頻調(diào)速裝置,以控制兩臺(tái)2984KW感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,該機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在甚低負(fù)荷工況,在非峰值期間,該機(jī)組有時(shí)空轉(zhuǎn)運(yùn)行,未改造前風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷工況效率下降50%,改造后風(fēng)機(jī)效率可接近試驗(yàn)水平的93%,且基本不受機(jī)組負(fù)荷的影響,全年可節(jié)省費(fèi)用100萬(wàn)美元,兩年即收同投資。1.2國(guó)內(nèi)外廠用異步電機(jī)變頻調(diào)速概況1.2.1國(guó)外廠用異步電機(jī)變頻調(diào)速情況美國(guó)電力研究所于1981年就開始研究電力電子可調(diào)速傳動(dòng)在電廠大型異步電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,并在1984-1989年進(jìn)行了連續(xù)五年的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載大型異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)大型變頻調(diào)速裝置的可靠性得出肯定的結(jié)論,認(rèn)為只要使用細(xì)心,電力電子裝置是耐用和可靠的,而控制系統(tǒng)更可以提供無(wú)故障運(yùn)行;目前設(shè)計(jì)完備的變頻器在即使出現(xiàn)故障時(shí)也可以通過功率單元旁路、切換運(yùn)轉(zhuǎn)等方法避免停機(jī)。實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速,是發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)近百年以來(lái)人們翹首以待的“世紀(jì)之夢(mèng)”。對(duì)發(fā)電廠機(jī)組進(jìn)行高壓變頻技術(shù)改造,無(wú)疑是降低廠用電率最好的手段之一。設(shè)備效率低,廠用電率居高不下是長(zhǎng)期以來(lái)困擾發(fā)電企業(yè)的主要問題之一,尤其是2003年以來(lái),因?yàn)槿济簝r(jià)格的上揚(yáng),發(fā)電成本大幅提高,造成發(fā)電企業(yè)盈利水平下降。關(guān)鍵詞:變頻;異步電動(dòng)機(jī):微機(jī)保護(hù);變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)保護(hù)問題的研究第1章 緒 論1.1廠用電機(jī)變頻改造的意義目前,廠用電機(jī)系統(tǒng)存在的主要問題是:電動(dòng)機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備效率低,電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備陳舊落后,效率比國(guó)外先進(jìn)水平低2-5個(gè)百分點(diǎn);系統(tǒng)匹配不合理,“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重,設(shè)備長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行;系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后,大部分風(fēng)機(jī)、泵類采用機(jī)械節(jié)流方式調(diào)節(jié),效率比調(diào)速方式約低30%。針對(duì)上述存在的問題,本文對(duì)廠用電機(jī)變頻改造后的繼電保護(hù)進(jìn)行了研究,提出了有效的理論方法。 級(jí): 學(xué) 號(hào):指導(dǎo)老師:2013年4月20日目 錄第1章 緒 論1.1 廠用電機(jī)變頻改造的意義1.2 國(guó)內(nèi)外廠用異步電機(jī)變頻調(diào)速概況1.2.1 國(guó)外廠用異步電機(jī)變頻調(diào)速情況1.2.2 國(guó)內(nèi)廠用異步電機(jī)變頻調(diào)速情況1.3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀1.4 小結(jié)第2章 變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)保護(hù)分析2.1 變頻器原理2.2 主流變頻器的性能比較2.3 高壓變頻調(diào)速方案的分析與比較2.4 變頻器的保護(hù)功能2.5 變頻系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)保護(hù)分析2.5.1 變頻系統(tǒng)中接線方式的比較與選擇2.5.2 變頻系統(tǒng)的工、變頻切換方式選擇2.5.3 工頻方式下電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置方案2.5.4 變頻方式下電動(dòng)機(jī)保護(hù)面臨的問題2.5.5 變頻方式下電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的裝設(shè)范圍分析2.5.6 變頻方式下電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置方案2.6 本章小結(jié)第3章 電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)保護(hù)問題研究3.1 差動(dòng)保護(hù)存在問題的分析及解決方案的研究3.1.1 不平衡電流導(dǎo)致縱差保護(hù)誤動(dòng)的解決措施3.1.2 CT飽和識(shí)別方案研究3.2 采樣壞數(shù)據(jù)的判別及處理方法3.3 本章小結(jié)第4章 電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)保護(hù)及整定研究4.1 長(zhǎng)啟動(dòng)保護(hù)4.2 電流速斷保護(hù)4.3 采樣值差動(dòng)保護(hù)及相關(guān)原理研究4.3.1 相量差動(dòng)保護(hù)所遇到問題的分析4.3.2 采樣值差動(dòng)保護(hù)原理4.3.3 R、S及R.S的選取原則4.3.4 采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作模糊區(qū)的討論4.3.5 采樣值差動(dòng)保護(hù)抗CT飽和原理4.3.6 采樣值差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案4.4 低電壓保護(hù)4.5 過電流保護(hù)4.6接地保護(hù)4.7 變頻調(diào)速后電動(dòng)機(jī)溫度的變化及原因分析4.8 本章小結(jié)第5章 電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置開發(fā)5.1 裝置硬件設(shè)計(jì)5.1.1 裝置硬件的總體設(shè)計(jì)5.1.2 保護(hù)裝置的CPU架構(gòu)5.1.3 保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2 裝置軟件設(shè)計(jì)5.2.1 裝置軟件傳統(tǒng)開發(fā)的不足及圖形化平臺(tái)的提出5.2.2 圖形化保護(hù)平臺(tái)基本功能的實(shí)現(xiàn)5.2.3 保護(hù)元件的劃分與數(shù)據(jù)傳遞5.2.4 微機(jī)保護(hù)中圖形化編程的實(shí)現(xiàn)5.2.5 組態(tài)邏輯結(jié)果的生成和編譯5.2.6 代碼的燒錄與加載5.3 本章小結(jié)第6章 結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)致 謝變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)保護(hù)問題的研究 業(yè):班主要工作如下:簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外電廠中電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的情況;對(duì)目前國(guó)內(nèi)采用的高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速方案和不同的一次接線設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析;給出了電動(dòng)機(jī)工頻方式下的保護(hù)配置,通過對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)面臨問題的分析,給出了電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行方式下的保護(hù)配置;針對(duì)工頻運(yùn)行方式下的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)和CT飽和問題,分別分析了問題的原因,并提出解決方案。這是因?yàn)?,由于電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化,近年來(lái)電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差越來(lái)越大,部分時(shí)段發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低,很多大型火電機(jī)組也要參與調(diào)峰和深調(diào)峰運(yùn)行。隨著電力行業(yè)改革的不斷深化,廠網(wǎng)分家、竟價(jià)上網(wǎng)政策的逐步實(shí)施,降低廠用電率,減小發(fā)電成本,提高上網(wǎng)電能的競(jìng)爭(zhēng)力,已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo),而且要求越來(lái)越迫切,因此發(fā)電廠較以前更加重視以經(jīng)濟(jì)效益為中心、追求經(jīng)濟(jì)效益最大化的經(jīng)營(yíng)方針?!丁笆晃濉笔笾攸c(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見》提出,為了提高電機(jī)系統(tǒng)效率,應(yīng)推廣變頻調(diào)速這種先進(jìn)的電機(jī)調(diào)速技術(shù),改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式,逐步淘汰閘板、閥門等機(jī)械節(jié)流調(diào)節(jié)方式,重點(diǎn)對(duì)大中型變工況電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速改造,合理匹配電機(jī)系統(tǒng),消除“大馬拉小車’’現(xiàn)象。通過人們不懈努力、提高和完善,其調(diào)速工作特性毫不遜色,即使與直流調(diào)速系統(tǒng)相比,某些方面還將超過直流調(diào)速。研究同時(shí)認(rèn)為,在年度負(fù)載曲線和燃料費(fèi)用正確配合的情況下,2~7年可收回投資費(fèi)用。目前,國(guó)外發(fā)電廠已經(jīng)將中高壓變頻調(diào)速技術(shù)比較廣泛地應(yīng)用于大型異步電動(dòng)機(jī)中,通過它們長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐可見,中高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益良好,其可靠性也是可以得到保證的。隨著我國(guó)電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大和電力作為商品逐漸成為買方市場(chǎng),機(jī)組負(fù)荷率降低,大型機(jī)組也需要調(diào)峰運(yùn)行甚至兩班制運(yùn)行,發(fā)電部門將越來(lái)越重視輔機(jī)工況調(diào)節(jié)時(shí)的節(jié)能問題。隨著變頻調(diào)速理論和制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展,國(guó)內(nèi)外變頻廠家對(duì)其變頻器產(chǎn)品進(jìn)行了大量的技術(shù)改進(jìn)與完善,變頻器的運(yùn)行可靠性較前幾年已經(jīng)有了很大的提高。因此在以往的高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上,人們關(guān)注電力電子器件的性能及變頻功能本身的實(shí)現(xiàn),保護(hù)方面較多考慮對(duì)電力電子器件的保護(hù),如IGCT的吸收電路、快熔保護(hù)等,而較少涉及高壓變頻系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。2.針對(duì)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)過程中,由于普通保護(hù)級(jí)CT傳變特性不一致導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)這個(gè)問題,提出兩種有效的解決方案;針對(duì)CT在故障發(fā)生時(shí)可能存在飽和導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的問題,給出了CT飽和的主要判別方法。屬于有級(jí)調(diào)速,應(yīng)用場(chǎng)合有限。如串級(jí)調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速均屬這種方式。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理即是根據(jù)上述電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率的正比關(guān)系,通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。大功率晶體管變頻器的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)在控制電路中一般常采用載頻信號(hào)Uo與參考信號(hào)璣相比較產(chǎn)生,這里%采用雙極性等腰三角形鋸齒波電壓,而U為雙極性正弦波。當(dāng)改變q的幅值時(shí),脈寬即隨之改變,從而改變輸出電壓的大小;當(dāng)改變U的頻率時(shí),輸出電壓頻率即隨之改變。直接高壓型根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)可分為交.交變頻器和交.直.交變頻器,由于交.交變頻器連續(xù)可調(diào)的頻率范圍小,一般為額定頻率的1/2以下,當(dāng)前工程中普遍使用的是交.直.交型變頻器。2.功率器件串聯(lián)二電平電流源型變頻器美國(guó)羅克韋爾(A.B)公司的PowerFlex7000系列采用這種方案[9J。3.中性點(diǎn)鉗位三電平電壓源型變頻裂№123SIMENS的SIMOVERT-MV采用這種結(jié)構(gòu)。初期使用時(shí),由于輸出電壓與電機(jī)工作電壓不直接匹配,對(duì)6kV須將高壓電機(jī)“Y”接法改為“△”接法。對(duì)于6kV高壓電機(jī),三電平變頻器采用Y/△改接的辦法,將Y型接法的6kV電機(jī)改為△接法。同樣由于諧波的原因,電動(dòng)機(jī)的功率岡數(shù)和效率、甚至壽命都會(huì)受到一定的影響,只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài),但隨著轉(zhuǎn)速的下降,功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。多單元串聯(lián)電壓源型變頻器是利用移相主變壓器降壓,再通過多個(gè)低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器串聯(lián)和控制器結(jié)構(gòu)組成。6kV系列有15個(gè)功率單元,每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。圖2-6所示為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D,每組由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián),因此相電壓為690V5=3450V,所對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V。),上下方各有兩套分別超前(+12。)的四組繞組。由于采用的是功率單元進(jìn)行串聯(lián),因此不存在元件之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓?jiǎn)栴},并且該方案設(shè)計(jì)的功率單元模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化,單元間具有互換性。在大中型火力發(fā)電廠中,電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)多為6KV,個(gè)別熱電廠為10KV,因此本文針對(duì)6KV電壓等級(jí)的變頻改造電機(jī)進(jìn)行探討。(2)高.低.高變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器整流部分采用可控橋式整流電路,相應(yīng)變頻器的功率因數(shù)比較低,范圍在0.2到0.9之間。2.直接高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)直接高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)用額定電壓為6KV的高壓變頻器直接驅(qū)動(dòng)6KV的電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速,高.高變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.8。高.高交頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu),變頻器在中間處理器材調(diào)節(jié)器控制下,調(diào)整整流及逆變部分的控制量,通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率,既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻,調(diào)節(jié)器進(jìn)行無(wú)偏差的前饋控制,使控制誤差降到了最小,從而使裝置的體積小,重量輕,造價(jià)低,可靠性高。3.各變頻調(diào)速系統(tǒng)性能比較從以上分析可知,若選用高.低.高變頻調(diào)速系統(tǒng),需要增加變壓器、無(wú)功補(bǔ)償器、諧波濾波器,變頻實(shí)現(xiàn)控制復(fù)雜,可靠性較低,高.低.高變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)上不具有先進(jìn)性。由以上分析對(duì)比可以看出,高.高變頻調(diào)速系統(tǒng)和高.低.高變頻調(diào)速系統(tǒng)相比較為優(yōu)越,在變頻改造中采用高.高變頻調(diào)速是今后的發(fā)展趨勢(shì)。1.過流保護(hù)過流保護(hù)的對(duì)象是變頻器自身。超過逆變器額定電流200%以上的電流,應(yīng)立即采取保護(hù)措施。從IGBT的特性可知,當(dāng)電源電壓較低時(shí),會(huì)因其驅(qū)動(dòng)功率不足而造成元件損壞。由于該電容具有一定的儲(chǔ)能作用,因此變頻器在電壓降低情況下仍然具備一定的帶載能力,而且在裝置內(nèi)濾波電容越大、負(fù)荷運(yùn)行頻率越低、輸出功率越小,則可維持的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)電壓超過IGBT的安全工作電壓時(shí),就可能造成IGBT的損壞,應(yīng)關(guān)閉逆變器。一般情況下,過載保護(hù)具有反時(shí)限特性。另外,電動(dòng)機(jī)根據(jù)其發(fā)熱情況是允許短時(shí)間過載的。高壓變頻器設(shè)置工頻旁路一般有兩種方式,一種是手動(dòng)旁路,采用旁路手動(dòng)刀閘結(jié)構(gòu),在變頻器故障退出或檢修時(shí),手動(dòng)斷開變頻器輸入腧出側(cè)刀閘,再手動(dòng)合入旁路刀閘。若僅考慮手動(dòng)旁路方式,如方式三、四,可采用隔離閘,在變頻器檢修時(shí)一次回路中產(chǎn)生明顯斷開點(diǎn)。方式二采用接觸器,變頻器檢修時(shí)將輸入/輸出側(cè)接觸器斷開,拉開隔離刀即可產(chǎn)生明顯斷開點(diǎn),但由于接觸器采用固定式結(jié)構(gòu),電機(jī)運(yùn)行中不便進(jìn)行接觸器的檢修工作,另KMl、KM2接觸器不具備切斷故障電流的能力,只能斷開負(fù)荷電流。采用小車開關(guān)進(jìn)
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