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高壓變頻器在熱源廠汽輪機拖動非同步機發電應用

瀏覽次數│▩·☁: 日期│▩·☁:2018-1-25 14:39:36

摘要│▩·☁:目前各熱源廠把節能減排降耗作為企業運營首要解決問題↟₪。建一臺汽輪機拖動大功率引風機↟·││☁、鼓風機迴圈泵的方案已得到廣泛的應用☁▩◕✘▩,並透過實踐證明有效的降低能耗☁▩◕✘▩,減少企業執行成本↟₪。

關鍵詞│▩·☁:四象限變頻器↟·││☁、汽輪機↟·││☁、非同步電動機↟·││☁、能量回饋


1     引言

近年來☁▩◕✘▩,隨著國家節能減排力度的加大☁▩◕✘▩,許多工業鍋爐房及小型火電廠停止了供汽↟·││☁、發電↟₪。但這些鍋爐同時還承擔著城市集中供熱的任務☁▩◕✘▩,不能停止執行↟₪。工業及發電用汽引數基本上是中溫中壓以上的☁▩◕✘▩,這樣高品質的蒸汽單純用來供熱☁▩◕✘▩,造成能源浪費☁▩◕✘▩,而使執行費用居高不下↟₪。

汽輪機是將蒸汽的能量轉換成為機械功的旋轉式動力機械↟₪。主要用作發電用的原動機☁▩◕✘▩,也可直接驅動各種泵↟·││☁、風機↟·││☁、壓縮機和船舶螺旋槳等↟₪。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽☁▩◕✘▩,滿足生產和生活上的供熱需要 ↟₪。因此越來越多的企業選擇運用工業汽輪機拖動鍋爐鼓↟·││☁、引風機↟·││☁、鍋爐給水泵及首站迴圈泵等動力機械裝置來達到供熱目的↟₪。但汽輪機在執行的過程中往往會產生多餘的熱量☁▩◕✘▩,如果沒有相應能力轉換那麼多餘能量就會白白浪費掉↟₪。

 

2     汽輪機拖動非同步機發電變頻調速系統設計方案

2.1 汽輪機拖動非同步併網發電系統設計方案

2.1.1直接方案

這種方案是非同步機的發電動力埠直接與電網相連☁▩◕✘▩,當汽輪機拖動電機轉子速度高於定子磁場轉速☁▩◕✘▩,電機處於發電狀態↟₪。

2.1.2 加非同步變頻方案

這種方案是在非同步電機與電網間加臺四象限能量回饋型變頻器以實現精確能量轉換☁▩◕✘▩,汽輪機帶動非同步機調速無任何要求限制☁▩◕✘▩,多餘能量無擾反饋於電網↟₪。表1所示為兩種方案的比較↟₪。

表1 兩種方案的比較

專案

直連超速發電

非同步變頻發電

發電轉速

需電機轉子轉速定子磁場(固定轉速)

轉矩控制電機轉子轉速無固定轉速要求

併網衝擊

併網瞬間電流有衝擊

無擾併網

電流波動

較大波動

平滑☁▩◕✘▩,無波動

資料精確化

無↟·││☁、粗糙

精細全面☁▩◕✘▩,通訊上傳監控

載入變化

如加入負載不可控

即使加入負載☁▩◕✘▩,非同步機可拖動亦可反饋發電

直觀可見非同步變頻發電優勢☁▩◕✘▩,由此我們公司極力推薦本方案應用↟₪。


2.2非同步變頻器結構

高壓變頻器構成如下│▩·☁:

(1)移相變壓器☁▩◕✘▩,輸入電壓10KV☁▩◕✘▩,輸出580Vac 27繞組;允許輸入電壓波動範圍+10%~-15%;

(2)能量回饋的功率單元☁▩◕✘▩,HPU580/096f x 27☁▩◕✘▩,額定輸入電壓580vac ☁▩◕✘▩,單元直流工作電源900vdc;

(3)速度感測器型號│▩·☁:EC100P25-L5PR-1024

 

2.3控制原理

HIVERT-YVF系列變頻器採用轉子帶速度反饋的向量控制技術↟₪。在轉子磁場定位座標下☁▩◕✘▩,電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流↟₪。維持勵磁電流不變☁▩◕✘▩,控制轉矩電流也就控制了電機轉矩↟₪。電機轉速採用閉環控制↟₪。實際執行中給定轉速與實際轉速的差值透過PID調節☁▩◕✘▩,生成轉矩電流iT*↟₪。經過向量變換將iT*↟·││☁、iM*與實際反饋回的勵磁電流iM轉矩電流iT相比較☁▩◕✘▩,經過空間向量控制☁▩◕✘▩,最終生成三相電壓驅動訊號,如圖1所示☁▩◕✘▩,

01.png

圖1  向量控制原理框圖

電機三相電流反饋ia↟·││☁、ic經感測器取樣☁▩◕✘▩,然後再根據轉子位置電氣角度θ進行Clarke變換☁▩◕✘▩,變換後輸出ialpha↟·││☁、ibeta;ialpha↟·││☁、ibeta經Park變換輸出id↟·││☁、iq;id↟·││☁、iq值與給定值iqref↟·││☁、idref求誤差☁▩◕✘▩,進行PI調節後輸出Vsqref↟·││☁、Vsdref;Vsqref↟·││☁、Vsdref和轉子位置電氣角度θ經過Park逆變換輸出Valpha↟·││☁、Vbeta;Valpha↟·││☁、Vbeta經過Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓Va↟·││☁、Vb↟·││☁、Vc值;三相電壓Va↟·││☁、Vb↟·││☁、Vc值作為PWM(脈寬調製)的比較值比較輸出PWM波形到逆變器從而驅動電機旋轉↟₪。

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圖2  能量回饋的功率單元框圖

如圖2所示☁▩◕✘▩,HIVERT-YVF系列產品理論具備100%額定功率的能量回饋能力↟₪。功率單元利用IGBT進行同步整流│▩·☁:同步整流控制器實時檢測單元輸入電壓幅值及相位☁▩◕✘▩,透過控制整流側IGBT所產生的電壓與單元輸入電壓的相位差☁▩◕✘▩,從而控制電功率在電網與功率單元之間的流向——單元電壓相位超前☁▩◕✘▩,功率單元將電能回饋給電網☁▩◕✘▩,反之電功率由電網注入功率單元☁▩◕✘▩,波形如圖3所示↟₪。

03.png

(a)電動運行同步整流狀態      (b)發電執行能量回饋狀態

圖3 變頻器輸入側U相電壓↟·││☁、電流波形示例

電功率的大小及流向由單元電壓決定↟₪。就同步整流而言☁▩◕✘▩,整流側相當於一個穩壓電源☁▩◕✘▩,相位差偏差透過向量控制演算法↟·││☁、PID調節生成↟₪。

濾波環節反饋時經LC濾波裝置可有效大大降低反饋電網諧波量☁▩◕✘▩,如圖4所示↟₪。

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圖4  功率單元串聯圖

2.4 有PG向量控制方式

HIVERT-YVF系列變頻器採用有PG向量控制方式☁▩◕✘▩,在全頻率段穩定輸出正弦波電流↟₪。系統可以對勵磁電流和轉矩電流分別進行控制☁▩◕✘▩,並具有動態響應速度快↟·││☁、電機的加(減)速度特性好等優點↟₪。此外☁▩◕✘▩,由於系統配置速度編碼器☁▩◕✘▩,因此電機調速範圍廣☁▩◕✘▩,且系統能夠實時準確的監測電機實際轉速☁▩◕✘▩,具有電機超速保護能力↟₪。另外☁▩◕✘▩,在配合外部保護訊號情況下☁▩◕✘▩,可實現短時↟·││☁、快速有效電氣制動↟₪。


2.5額定功率回饋能力

HIVERT-YVF系列變頻器中功率單元採用PWM全控整流方式☁▩◕✘▩,功率單元利用IGBT進行同步整流☁▩◕✘▩,透過控制整流側IGBT所產生的電壓與單元輸入電壓的相位差☁▩◕✘▩,從而控制電功率在電網與功率單元之間的流向☁▩◕✘▩,使變頻器最大回饋功率達到額定輸出功率☁▩◕✘▩,達到短時制動的要求↟₪。


2.6自動識別引數功能

對於向量控制方式下所需的電機相關資料☁▩◕✘▩,HIVERT-YVF系列變頻器可透過“空載啟動”模式進行引數辨識☁▩◕✘▩,檢測空載勵磁電流I0和轉子時間常數Tr☁▩◕✘▩,這兩個引數對於變頻器能否以最優效能執行至關重要↟₪。


2.7轉速閉環控制

在電機執行過程中☁▩◕✘▩,轉速透過脈衝編碼器構成閉環控制↟₪。如圖5所示☁▩◕✘▩,HIVERT-Y(T)VF系列變頻器速度調節器會自動調整電機速度☁▩◕✘▩,以達到最快的速度響應↟·││☁、最小的超調範圍↟₪。

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圖5  轉速閉環控制

2.8電流閉環控制

如圖6所示☁▩◕✘▩,在電機執行過程中☁▩◕✘▩,電流透過霍爾感測器構成閉環控制↟₪。HIVERT-YVF系列變頻器電流調節器會自動調節變頻器輸出電流☁▩◕✘▩,以達到最快的電流響應↟·││☁、最小的電流波動☁▩◕✘▩,如圖6所示↟₪。

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圖6  電流閉環控制

2.9電流響應

無需電網相序☁▩◕✘▩,自動併網☁▩◕✘▩,實時實現能量轉換回饋☁▩◕✘▩,其具有特色的轉矩控制演算法實現了高效的能量轉換☁▩◕✘▩,如圖7所示↟₪。

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圖7  能量轉換回饋

2.10     變頻器控制方式

電機的基本引數如表2所示↟₪。

表2  電機的基本引數│▩·☁:

電機型號

變頻式電機 (Yvf或YXVF)

額定功率

1600KW

額定電壓

10KV    

極數

4

額定電流

120A

相數

3

額定轉速

1500r/min 

接法

Y

效率

95.0%   

頻率

50

防護等級

IP54

功率因數

0.89

絕緣等級

F

工作制

S1

安裝形式

臥式

變頻範圍

5-70Hz

冷卻方式

強制風冷

加熱器

220V/1000W

變頻器選型如表3所示↟₪。

表3  變頻器選型

變頻器額定容量

2000kVA※

額定電壓

10kV(-20%~+15%)※

額定頻率

50Hz/70Hz(-10%~10%)※

電機控制方式

轉矩控制

控制電源

380VAC,≤30kVA(依功率等級而定)

輸入功率因數

>0.96

額定效率

>0.96變頻部分>98%

輸出頻率範圍

0Hz~120Hz

頻率解析度

0.01Hz/0.002Hz

瞬時過流保護

150%

過載能力

120% 2min

轉矩限流控制

10%~150%設定

模擬量輸入

2路4~20mA /2~10V

模擬量輸出

4路4~20mA

上位通訊

隔離 RS-485 介面☁▩◕✘▩,ModBus RTU(可選│▩·☁:Profibus DP↟·││☁、工業乙太網規約)

加減速時間

5s~1600s(與負載相關)

開關量輸入輸出

12入13出

執行環境溫度

-5℃~+45℃

貯存/運輸溫度

-40℃~+70℃

冷卻方式

強迫風冷

環境溼度

<95%☁▩◕✘▩,不結露※

安裝海拔高度

<1000m

粉塵

不導電↟·││☁、無腐蝕性☁▩◕✘▩,<6.5mg/dm3 

防護等級

IP30※

櫃體顏色

PANTONE Cool Gray & 2915U(可根據使用者提供色標定製)

2.11  變頻器控制系統

控制系統由控制器↟·││☁、I/O介面板和人機介面組成☁▩◕✘▩,如圖8所示↟₪。

08.png

圖8  控制系統組成


2.12 變頻器內部控制器

控制器由“光纖板↟·││☁、信號板↟·││☁、主控板↟·││☁、電源板↟·││☁、連線板↟·││☁、母板”組成↟₪。控制器內各PCB板相互配合實現控制功能☁▩◕✘▩,內部訊號傳輸│▩·☁:

(1)光纖板透過光纖與功率單元傳遞資料訊號☁▩◕✘▩,每塊光纖板控制一相的所有單元│▩·☁:光纖板週期性向單元發出脈寬調製(PWM)訊號或工作模式;單元透過光纖接收其觸發指令和狀態訊號☁▩◕✘▩,並在故障時向光纖板發出故障程式碼訊號↟₪。

(2)信號板配置有編碼器介面☁▩◕✘▩,並採集變頻器的輸出電壓↟·││☁、電流訊號↟₪。信號板將模擬訊號進行隔離↟·││☁、濾波和量程轉換↟₪。轉換後的訊號提供給主控板☁▩◕✘▩,用於變頻器控制↟·││☁、保護↟₪。

(3)主控板採用數字訊號處理器(DSP)☁▩◕✘▩,運用正弦空間向量方式產生脈寬調製的三相電壓指令☁▩◕✘▩,實現對電機控制的所有功能↟₪。透過RS-232通訊口與人機介面主控板進行交換資料☁▩◕✘▩,提供變頻器的狀態引數☁▩◕✘▩,並接受來自人機介面主控板的引數設定↟₪。

(4)電源板提供+5V↟·││☁、±15V電源☁▩◕✘▩,分別用於控制板↟·││☁、信號板供電↟₪。


2.13  工況主控制方式│▩·☁:

具體實現控制方式如圖9所示↟₪。

09.png

圖9  工況主控制方式

如圖所示│▩·☁:

(1)電機與汽輪機同軸☁▩◕✘▩,汽輪機有開度值(送給DCS)↟₪。

(2)汽輪機轉速波動為30~100r/min☁▩◕✘▩,汽輪機起機後達到目標轉速後啟動變頻器☁▩◕✘▩,變頻器透過轉速跟蹤方式啟動☁▩◕✘▩,快速跟蹤當前汽輪機的轉速↟₪。

(3)1600KW非同步電動機裝有溫度感測器☁▩◕✘▩,該溫度感測器訊號送至DCS系統.

(4)由於閥門開度決定汽輪機所能提供的最大能量☁▩◕✘▩,為防止汽輪機被變頻器拉停☁▩◕✘▩,汽輪機閥門開度值應該作為系統重要的保護值之一☁▩◕✘▩,閥門開度值由感測器送至DCS系統中☁▩◕✘▩,DCS將汽輪機閥門開度值送至變頻器☁▩◕✘▩,變頻器透過閥門開度值調節輸出轉矩大小↟₪。

(5)當前內網所消耗的電量值透過電錶傳送至DCS☁▩◕✘▩,該值是透過乙太網傳送至變頻器☁▩◕✘▩,作為電機發電量的目標值☁▩◕✘▩,該值也是系統保護的重要引數之一☁▩◕✘▩,電機的最大發電量不能超過場內所消耗的電量總量☁▩◕✘▩,電機應用發電量與目標值之間的比例或者差值設定發電量保護值☁▩◕✘▩,該功能主要是為了防止過度發電↟₪。

(6)變頻器與DCS之間通訊如果存在斷線時☁▩◕✘▩,變頻器中可設定斷線保護狀態☁▩◕✘▩,改狀態可以為停機或者保持當前狀態執行↟₪。

(7) 控制距離│▩·☁:中控室與變頻器室距離約200m☁▩◕✘▩,變頻器與電機距離約100m↟₪。

 

結束語

非同步電動機透過四象限變頻器輕而易舉可實現能量轉換☁▩◕✘▩,多餘熱量轉換為電能反饋於電網☁▩◕✘▩,節能效果顯著☁▩◕✘▩,經濟效益相當可觀↟₪。


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