凝泵变频器关键技术分析及运行维护注意事项

引言

某发电厂1000Mw超超临界机组自用电量中泵和风机的用电量占80%以上。因此,随着电力电子技术和交流传动技术的发展,同时为了响应国家节能降耗的号召,新建机组陆续采用变频技术对大功率的泵与风机进行了变频改造,从而更好地控制凝水和风的流量。根据现场运行显示,采用变频技术调速后的泵与风机的耗电量一般可降低30%以上。该厂采用ZTsG移相变压器和三菱公司的FR系列变频模块对凝泵进行了改造。本文将详细分析ZTsG移相变压器和FR系列变频模块的3项关键技术,并以此为基础,总结凝泵变频器正常运行与维护时的注意事项。

1凝泵变频器关键技术分析

本文采用的ZTsG移相变压器和三菱公司的FR系列变频模块的凝泵电气系统原理图如图1所示,该变频系统共包含了3项关键技术:

（1）变压器二次侧通过移相抑制一次侧电流谐波:

（2）单个变频模块通过全桥整流将二次侧交流电转换为平滑的直流电:

（3）运用H桥变换器将直流电逆变为交流电供给凝泵运行。

下面将详细分析这3项技术的实现方法。

1.1移相变压器实现谐波消除的原理

ZTSG移相变压器参数如表1所示,其基本接线方式如图2所示。

ZTSG移相变压器原边接入6kV母线侧,为星型接法,副边分为18个三角型接法,分别接入18个功率模块中,如图1所示。每个功率模块额定输出电压为640V,相邻模块输出串联起来,每项6个模块串联,叠加电压为3840V。三相共18个功率模块,每个功率模块承担所有的功率电流,但只承担1/6的额定电压和1/18的额定功率。

18个副边移相绕组根据其相位角超前于原边还是滞后于原边,可分为顺延移相和逆延移相,其连接方式和相位图分别如图2、图3所示。

根据图2、图3的相位图,由三角函数关系可确定副边绕组匝数比例:

式中,a为移相角度,其取值范围为-o0～-o:U2为副边线电压:et为移相变压器每匝电压。

由此可以确定6个变频模块串联时的变压器移相角度和匝数,如表2所示。

根据傅里叶分析,其二次侧折算到一次侧3相电流的表达式为:

（1）当k=-时,一次电流中基波同相位叠加,不相互抵消,其幅值为:

(2）当k=6Ⅳ,Ⅳ=-、l、2、～…时,一次电流中的～6Ⅳ±l次谐波不会抵消:当k≠6Ⅳ,Ⅳ=-、l、2、～…时,各一次电流中的～6Ⅳ±l次谐波可以抵消。

(3）当k=6时,一次电流中的最低次谐波为～5次和～7次谐波,其值为:

小结:本节给出了ZTSG移相变压器的参数,分析了顺延移相和逆延移相的相位关系。根据移相角取值范围,确定了6个移相角度,并通过傅里叶分析指出,当采用6个模块串联时,一次侧电流中只有基波以及～6Ⅳ±l,Ⅳ=0、l、2、～…次谐波,其最低次谐波为～5次谐波,又被称为～6脉波移相变压器。

1.2FR变频模块实现整流的原理

每个功率模块都能单独实现整流和变频,即其输入侧和输出侧都为交流电。其电气原理图如图4所示。

分析该原理图,由移相变压器变换而来的三相电压经过不控全桥变换器转换为直流电源,再经过逆变器转换为交流电源供给凝结水泵运行。整流部分原理图如图5所示。

其整流部分由6只三级管组成,其连接方式如图5所示。

分析整流电路,对于上～只二极管(VDl、VD～、VD5）,为负极有公共点(N点）,因此在ll—l～时刻Uu波形在最高点,所以VDl导通。对于下～只二级管(VD2、VD4、VD6）,为正极有公共点(Ⅳ点）,因此在ll—l～时刻VD4和VD6轮流导通,得到的波形如图5(c）所示。而经过电容滤波后就成为平滑的直流电了。

1.3FR变频模块实现逆变的原理

变频模块逆变部分由4只高功率可控三极管(IGBT）组成。经过全桥整流得到的直流电源输入逆变器,当Vl、V2导通时,对凝泵电机输出正电压,如图6点线所示:而当V～、V4导通时,对凝泵电机输出负电压,如图6粗线所示。

FR变频模块其输出电压受到三极管控制信号的限制。H桥逆变电路中,三级管导通与否取决于三极管的控制极(基极）是否有控制信号输入。当控制信号为正时,三级管导通(集电极和发射极之间导通）,输出方波电平。FR变频模块采用sPwM控制方法(脉宽调制控制方法）,其控制信号为正弦波和三角波的选大后的波形,即当正弦波大于三角波时,控制信号为正,输出方波。

FR变频器采用6个模块串联的连接方式,首先分析两个模块串联时产生的电压波形。

FR变频器两个模块串联电路连接方式如图7所示。

两个功率单元输入侧分别由两组移相变压器的三相电压整流得到,而由于两个模块的整流电路整流后得到的都是平滑的直流电,因此两个功率单元输入电压之间没有相位差。

两个功率单元控制信号为两组相差1809的三角波和正弦波经过比较器选大得出,如图8所示。

从图8可以看出,变频器输出电压基本与控制信号一致,只不过电压等级不一样。V1、V2导通和V3、V4导通的主要区别在于实现了电压反向,即当V3、V4导通时可以将输入侧的正电压变换为等值反向的负电压。

其输出电压为两组方波叠加而成,类似于正弦波形。以此类推,当6个模块串联时,其控制信号为正弦波和6个互差60。的三角波比较得到。因此,其输出电压为6组方波叠加得到,更加接近于正弦波。

小结:ZTsG移相变压器和FR系列变频模块通过使用移相变压器抑制了一次侧电流消除35次以下的谐波,使输入电压达到IEEE519一1992和GB/T14519一93标准:使用整流逆

图8两个变频模块串联时控制信号和输出电压变技术实现了凝泵电机的变频节能运行。

2凝泵变频器运行参数分析及该厂使用变频器的效益分析

2.1节约厂用电效果显著

凝泵变频器连接方式如图9所示。

图9凝泵变频器连接电路图

凝泵变频运行参数如表2所示。

从表2可以看出,在满负荷(1000Mw）时,凝泵变频运行比工频运行省电30.3%,负荷越低,省电效果越明显,当负荷为500Mw时,变频运行省电效果达到55.6%。因此,与工频运行比较,变频运行的节能效果非常明显。

同时凝泵变频运行后可以减少电机启动时的电流冲击,延长设备寿命,降低噪声。

小结:大型汽轮发电机组凝泵推广使用变频调速器 , 可以大幅度降低厂用电率 ,减少发电 成本 ,提高竞价上网的竞争能力 。

3   凝泵变频器故障分析

(1）2011-06- 10 ,A凝泵变频跳闸 ,B凝泵工频联动正常 。 检查光字牌显示"凝泵变频跳闸""凝泵变频重故障""任一 电 气设备故障" 。  电气检修结果:V4变频模块故障 。

(2）2011-08- 12 ,监盘发现凝泵变频轻故障报警信号 ,现 场发现变频小室有漏水 ,信号闪过4次 ,变为工频运行 。

(3）2013-06- 19 ,#13机组B凝泵变频器重故障跳闸 ,A凝 泵工频联动正常 。  凝泵变频器PLC面板显示 "U2变频单元异 常、变频器单元保险熔断、变频单元直流电压丢失"。

故障分析:前两次故障发生的原因不是因为变频器本身 故障 ,而是由于凝泵小室位于给水管道下 ,在雨天或者给水 管道渗漏时 ,雨水或者凝水渗入凝泵变频模块而发生故障 。

对于最近一 次发生的故障 , 为A相第二个变频模块保险 丝熔断 。   由于过电流 ,模块过热或因模块表面全是煤粉而影 响模块的散热 ,加上小室湿度大引起短路烧坏熔丝所至 。

因此 ,在日常运行中注意保持凝泵小室环境卫生及合适 的温度和湿度非常重要 。

4   结语

本文详细分析了ZTsG移相变压器通过采用移相技术抑 制 一 次侧电流脉动 , 消除35次以下谐波的原理 ,使网侧电压 和电流达到IEEE 519— 1992和GB/T 14519一93标准 , 同时分 析了FR系列变频模块实现整流逆变技术的原理 ,给出了不同 负荷下凝泵变频运行的一次电流 ,指出了机组采用变频器后 显著的节能效果 。  最后通过对凝泵的几次故障分析 ,证明FR 系列变频模块能够安全可靠的运行 。