（机械工程专业论文）火电厂给粉系统中的变频应用与抗干扰.pdf

山东大学工程硕士学位论文 摘要 针对电厂给粉机控制方法落后影响锅炉稳定经济运行的现状，分析其控制原理 与缺陷，以及该系统运行中出现的如：控制复杂、元件多且散、故障频繁、耗能 等诸多问题：设计了基于锅炉d c s 控制系统的给粉机变频调速系统， 1 4 # 炉已 经实施，运行状况良好。 在变频器工程应用中出现了谐波干扰现象：频繁发生变频器输出到电机的负荷 电缆发生绝缘损坏、变压器的铁芯损耗明显增加、电机运行温升较大、高次谐波 使电网波型严重畸变，用电质量下降等。针对上述现象分析变频器自身产生的干 扰和其受到外界的干扰机理，从抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的传导通道、 提高系统自身抗干扰能力三个方面提出了如何消除谐波干扰。 本文设计并实施了基于锅炉d c s 控制系统的给粉机变频调速系统，解决了传统 给粉控制系统运行不稳定从而影响生产的瓶颈问题，为火电厂落后的给粉控制方 式提供了运行稳定的解决方案。本文在深入分析、处理、总结给粉机变频调速系 统实际应用中的经验的基础上，结合现场综合应用消除谐波干扰，分析论述了e m i 电源滤波器的设置、综合应用滤波器电抗器方案、正确的接地方式及合理布线等 抗干扰措施，对提高变频器应用中的抗干扰能力提供一点参考。 由于采用p w m 变频供电方式，在电机轴承上会产生高频电流脉冲，从而在电机 转轴两端产生轴电流；如果这些脉冲的能量足够高，就会损坏轴承。本章从低频 和高频轴电流两个方面，分析了轴电流产生机理，提出了预防措施。 关键词：高次谐波：滤波器；变频：抗干扰：轴电流 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h eb e h i n d h a n dc o n t r o lm e a n st oc o a l p r o v i d e m a c h i n e so fp o w e rp l a n t sa f f e c tt h es t e a d ye c o n o m i c a lr u n n i n go fb o i l e r s ， a n a l y s ei t sc o n t r o lp r i n c i p l e ，o b j e c t i o na n dt h ep r o b l e m st h a to c c u r r e d s u c ha s ：c o n t r o lc o m p l e x ，c o m p o n e n te x c e s s i v ea n dd i f f u s e ，f r e q u e n t f a i l u r e ，aw a s t eo fp o w e r ：d e s i g nar e g u l a t i n gs y s t e mt oc o n t r o lt h e c o a l p r o v i d em a c h i n et h a tb a s e do np o w e rp l a n t sb o i l e rd c ss y s t e m ，t h i s s p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mh a sb e e nu s e d i n1 4 # b o i l e r sa n dt h es t a t u si s f a v o r a b l e m a k i n gu s eo ft h i ss y s t e m ，w ef i n dm a n ym a t t e r sa b o u th i g h f r e q u e n c y w a v e sj a m m i n gs u c ha s ：t h eb u r t h e nc a b l e sf r o mt r a n s d u c e r st oe l e c t r o m o t e r s o c c u r r e di n s u l a t i o nb r e a k a g ef r e q u e n t l y ，t h ew a s t a g eo ft r a n s f o r m e r s i r o n c o r ei n c r e a s e do b v i o u s l y ，e l e c t r o m o t o r sr u n n i n gt e m p e r a t u r er i s e d o b v i o u s l y ，e l e c t r i t yp o w e rq u a l i t yf a l l e dm e t a m o r p h o s e d t h em e c h a n i s m t h a tt r a n s d u c e r sj a m m e da n dw e r ej a m m e db yo u t s i d ea r ea n a l y z e d ，f r o m s h u t t i n go f fs o u r c e s ，c u t t i n go f fc h a n n e l s ，i m p r o v i n ga n t i j a m m i n g a b i l i t i e sa n ds o o nw a y sa r ep r o p o s e dt or e m o v et h ej a m m i n g t h i sd i s c o u r s eh a sd e s i g n e das p e e d r e g u l a t i n gs y s t e mt oc o n t r o lt h e c o a l p r o v i d em a c h i n et h a tb a s e do nd c ss y s t e m ，h a ss o l v e dt h ep r o b l e mo f t h eo l dc o n t r o lm e a n sa f f e c t i n gt h eb o i l e r ss t e a d yr u n n i n g ，h a sp r o v i d e d s t e a d i l yr e s o l v e n tf o rt h ep l a n t s o l dr e g u l a t i n gs y s t e m b a s e d o n a n a l y z i n g ，s o l v i n ga n ds u m m i n gu pt h ee x p e r i e n c ei nt h ef i e l do ft r a n s d u c e r p r o j e c t s ，a n a l y z ea n dd i s c u s st h em e a n sf o ra n t i j a m m i n gs u c ha s ：t h e s e t t i n go fe m if i l t e r ，c o m b i n e dp r o j e c tf o rf i i t e r sa n dr e a c t o r s ，a c c u r a t e e a r t h m o d ea n dr a t i o n a ll a y i n gw i r e s ，af e wo fr e f e r e n c e sa r ep r o v i d e dt o t r a n s d u c e ru s e r si nt h i sp a p e r 1 1 山东大学工程硕士学位论文 d u et oa d o p tp w mf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o lm o d e ，h i g hf r e q u e n c y c u r r e n tp u l s e sa p p e a r e da te l e c t r o m o t o ra x l e t r e e ，a x i a c u r r e n ta p p e a r e d a c c o r d i n g l y ：i ft h e s ep u l s e s e n e r g yi sh i g he n o u g h ，a x l e t r e e sw o u l db e d e s t r o y e d f r o ml o w f r e q u e n c y a n dh i g h f r e q u e n c ya x i a c u r r e n t ，t h i s d i s c o u r s ea n a l y s et h er e a s o no fa x i a c u r r e n ta n db r i n gf o r w a r dp r e v e n t m e a s u r e s k e y w o r d s ：h i g hf r e q u e n c y w a v e ；f il t e r ；f r e q u e n c y c o n v e r s i o n 1 l - a n t i j a m m i n g ；a x i a c u r r e n t l l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠丝 日期： ! ! ：生：兰z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：枉导师签名：强l 窆一日期： 山东大学工程硕士学住论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 目前国家正处在重新考虑能源发展战略的关键时期。围绕实现现代化。要求 调整我国能源发展战略，优化能源结构，提高能源利用效率进一步明确和贯彻 节能优先的长期能源战略，把建立国际多元化能源供应体系作为长期能源供应的 战略目标，把能源优质化作为主攻方向，把天然气开发作为下世纪能源开发的重 点，加强天然气管网系统等能源基础设施建设，注重核电、水电、风电等优质一 次电力的开发，加快洁净煤技术的开发利用。 随着我国电力企业改革的深入和改革步伐的加快，火力发电厂竟价上网、独 立核算已经成为必然，降低发供电成本是降低电价的关键，节能降耗是发电厂发 展的必由之路。据国家有关机构统计，电力工业泵与风机的用电量占单位总用电 量的7 2 4 3 。而且节能是发展国民经济的一项长期战略任务。能源开发以电力为 中心，发电厂的经济效益和社会效益具有极重要的意义，火电厂是一次能源用能 大户：技术统计表明，到2 0 0 5 年底，火电厂全年耗原煤达4 亿吨，提高火电厂热 经济性( 即减少能耗) 就不仅是降低本身成本的需要，更是影响全国一次能源生 产、运输和节约的大事。 电能是国民经济各生产部门的主要动力，电力生产消耗的能源在我国能源总消 耗中占的比重也很大，因此提高电能生产的经济性具有十分重要的意义。在保证 供电可靠和良好电能质量的前提下，进行优化调度，最大限度地提高电力系统运 行的紧急的经济性，为用户提供充足的、廉价的电能，为此，可以采取的措施有： 安装大容量的发电机组，充分发挥水电在系统中的作用，尽量降低发电厂的煤耗 率( 或水耗率) ，合理分配各发电厂间的负荷，减少厂用率和电网损耗a 1 2 国内外研究现状 1 2 1 变频技术发展概况 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流 调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压交得很容易，从而造 山东大学工程硕士学位论文 就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技 术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。( 1 ) 应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。( 2 ) 是节约能源的高新 技术。( 3 ) 是国际上技术更新换代最快的领域。( 4 ) 是高科技领域的综合性技 术。( 5 ) 是替代进口，节约投资的最大领域之一j 。 我国电气传动产业始建于1 9 5 4 年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专 院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是 后来天津电气传动设计研究所的前身。现在我国已有2 0 0 家左右的公司、工厂和 研究所从事变频调速技术的工作。 我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今 自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上8 0 年代水平。随着改革开放， 经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。 很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需 要。 国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计 制造的成套装置中采用外国进e l 公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件， 能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。总体来看，由于国内自 行开发、生产产品的能力弱，因此对国外公司的依赖性严重。目前国内主要的产 品状况如下： ( 1 ) 晶闸管交流器和开关断器件( d j t 、i g b t 、v d m o s ) 斩波器供电的直 流调速设备。这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减但 由于我国1 日设备改造任务多，以及它在几百至一千多k w 范围内价格比交流调速 低得多，所以在短期内市场不会缩减很多。国产设备能满足需要，部分出口自 行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。 ( 2 ) i g b t 或b j tp w m 逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很 大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线， 从简单的v f 控制到高性能的矢量控制。 山东大学t - 程硕士学位论文 ( 3 ) 负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在 抽水蓄水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需 求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到1 2 m w 。功率装置国 内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软 件。 ( 4 ) 交一交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动 方面有很大需求，台数不多，功率大。主要依靠进口，国内只有少数科研单位有 能力制造。目前最大容量做到7 0 0 0 8 0 0 0 k w “j 。 1 2 2 变频技术发展趋势及研究现状 1 2 2 1 国内外技术现状对比 国外现状，在大功率交交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国阿尔斯通 已能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换 向器电机变频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量为6 万k w 的设备 用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司s i m o v e r ta 电 流型晶闸管变频调速设备单机容量为1 0 2 6 0 0k v a 和s i m o v e r tpg t op w m 变频 调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0k v a ，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、 风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术反面，日本富士b j t 变频器最大单 机容量可达7 0 0 k v a ，i g b t 变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字 化【3 】a 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： ( i ) 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺， 变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以 及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率交频器产品的 生产及应用成为现实一 山东大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊 控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；1 6 位、3 2 位高速微处理 器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现变 频器高精度、多功能提供了硬件手段。 ( 4 ) 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化 生产。 国内现状，从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距l o 1 5 年。在大功率交交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能 力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸 如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方 面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大 量进口。 1 2 2 2 变频技术发展方向 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电 能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技 术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新 型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于现代控制理论的控制策略和 智能控制策略) 硬、软件开发问题( 在目前状况下主要全数字控制技术) 。 其主要发展方向有如下几个： ( 1 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、 磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等：基于现代理论的控制策略，有滑模 变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性技术，在某种指 标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等：基于智能控制思想的控 制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术 等。 ( 2 ) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为 1 ，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉 4 山东大擘工程硕士学位论文 动。对中小容量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器， 在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 ( 3 ) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度， 其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用 新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变 ( 如水冷、蒸发冷却和熟管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 ( 4 ) 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足 够的能力实现各种控制算法，w i n d o w s 操作系统的引入使得可自由设计，图形编 程的控制技术也有很大的发展。 ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及各 种c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持一j 。 1 2 3 给粉机调速现状及存在的问题 锅炉给粉机是保证火电厂锅炉平稳运行的重要设备，它控制着供给炉膛煤粉 的煤量和速度，以达到锅炉稳定燃烧的作用。目前锅炉运行过程中，锅炉燃烧情 况根据蒸汽负荷随时调整燃烧火焰和压力频繁变化，要求主操手根据锅炉燃烧 情况随时增减燃煤量，一旦调整不当锅炉就会出现事故从而影响生产。所以，对 给粉机的要求是供给煤粉的速度和煤量必须平滑、稳定。若煤粉供给过多，炉膛 火焰喷燃引起火灾，严重着炉膛爆燃损坏设各：若煤粉供给不上。炉膛火焰被负 压空气作用下灭火，造成灭炉。 目前我厂采用滑差方式完成给粉机的调速，正常运行时，电动机定速运行， 通过d k 2 控制器改变滑差部分的励磁电压来改变给粉机转速，从而控制下煤量。 此种方法存在设备复杂、易出现如故障点多、操作繁琐、运行可靠性差、调速精 度及线性度差、维护工作量大等缺点， 目前给粉机存在的主要问题： ( 1 ) 交流接触器工作电压为3 8 0 v ，受系统电压变化影响较大，经常因电压 降低，交流接触器返回跳闸，也常引起停炉事故，严重影响了锅炉的正常运行。 ( 2 ) 电动机定速运行，耗电量比较大，不利于节能降耗。而且我公司电厂l # 锅炉8 台给粉机的滑差电机为铡，电磁线圈易被煤粉堵塞而烧坏，需经常清理， 山东大孕工程硕士学位论文 尤其在现场漏粉现象较严重情况下，故障率较高。此外，滑差电机结构复杂，维 修量大，费用高，影响正常生产。 调速控制主回路采用交流接触器分合，因其受电网电压影响很大，在电网系 统瞬间低电压时，接触器会返回跳闸造成锅炉灭火事故：调速控制回路复杂， 电磁滑差调速耗能大、结构复杂、故障率高，严重影响了正常生产和经济效益。 每年我厂l 一4 # 炉累计锅炉事故l o 起。因为给粉调整故障原因占到8 起，直接经济 损失约三十万元。 1 3 课题主要研究内容 为通过变频技术改造以解决给粉机控制方式落后影响生产的主要问题，本课 题将进行以下研究内容： ( 1 ) 给粉调速控制方式研究。基于对滑差调速和变频调速原理的研究，对比 两者的控制方式和节能效果，为给粉机变频改造提供技术上的保证。 ( 2 ) 变频技术电磁干扰研究。分析变频器输入侧和输出侧产生谐波的机理， 以及电机轴电流产生的机理，研究电磁干扰的主要传播方式，为避免电磁干扰影 响变频调速系统的运行提供理论研究基础。 ( 3 ) 变频抗干扰对策研究。通过分析、研究变频器电磁干扰机理和传播方式， 研究出适合火电厂变频技术应用的抗干扰对策，设计优化滤波器技术参数，研究 d c s 和变频系统接地方式和旋工布线工艺，确定能提高抗干扰能力。 ( 4 ) 给粉变频调速系统应用基于d c s 系统，对给粉控制进行变频改造， 设计适用于火电厂给粉调速的控制系统，提出完善的抗干扰方案，从而解决落后 的滑差调速方式影响生产效益的局面，为企业利润最大化提供技术保障。 1 4 课题的研究目的及意义 当前我国的电源结构中火电发电量约占8 0 ，加强火电厂节能工作是提高其 经济效益的有效手段。然而目前我国火电厂中的主要用电设备存在较严重的电源 浪费现象，如采用滑差调速，其调节方式其驱动电机输出功率随着负荷及时调整， 造成很大部分能量消耗在节流损失中。传统滑差调速的方法主要由电磁转差离合 器来实现，这种方法存在运行不可靠、效率低、精度差、存在严重非线性等缺点。 6 山东大学工程硕士学位论文 解决上述问题的最有效手段是利用变频技术对这些设备的驱动电源进行变 频改造，这不仅克服了电磁离合器等设备非线性严重、延迟大等难以控制的问题， 还具备效率高、调节精度好、运行可靠和自动化程度高的优点，是适应现代企业 生产节能降耗的发展趋势，是火电厂经济运行、节能降耗、提高上网竞争能力的 良好途径。 山东大学工程硕士学位论文 第2 章给粉调速控制方式研究 2 1 滑差调速控制 2 1 1 主回路控制原理分析 如图2 - 1 所示是给粉机电气主回路图 图2 - i给粉电机电动回路和接触器线圈回路 其电路原理是接触器由k k 控制开关控制，k k 开关打“合闸”位置，其( 5 ) ( 8 ) 接点接通，q 毋0 回接点接触器线圈得电：同时接触器q 辅助接点自锁，短接k k 开 关的( 5 ) ( 8 ) 接点，确保k k 开关断开导致( 5 ) ( 8 ) 接点断开后，接触器q 线圈始终得 电。接触器o 主接点接通电源，电机启动，并带有r j 热继电器保护。 给粉机灯光回路如图2 2 所示： + s m+ t m 图2 - 2 给粉电机直流控制回路图 可见，操作k k 开关至“预合”位置，( 9 ) 0 毋接点接通+ s m ( 直流闪光母线) ， 绿灯l d 闪光，说明具备合闸条件；操作k k 开关至“合闸”位置，接触器q 接 山东大学工程硕士学位论文 通，常开接点闭合，0 6 ) 0 接点接通+ k m ( 直流控制母线) 红灯h d 亮起，说 明接触器q 吸合，电机运行：相反，k k 开关打至“预分闸”位置，红灯闪光，打 至“分闸后”位置，绿灯亮起，说明接触器q 断开，电机已停下。 由此可见，接触器q 是电机启动和停运的重要电气元件，一旦接触器q 线圈 因为某种原因失电，将会导致电机停运，引起锅炉事故：同时，起监视电机运行 状态的是红灯和绿灯，根据多年运行经验，由于灯本身长期发热以及环境的高温、 潮湿、振动等原因造成频繁损坏。 2 1 2 调速回路原理 我厂给粉电机采用的是j 勿吖型电磁调速电动机，在结构上由异步电动机、电 磁耦合和测速发电机部分组成。异步电动机采用型号为y 1 0 0 l f - 4 ，转速恒定约为 1 4 9 0 转分，电机受电启动后定速旋转并带动电磁线圈转动，由调速控制回路加到 电磁线圈上的直流电压大小控制电磁耦合机械部分转动，转速由测速发电机反馈 到控制回路里，从而达到平滑控制输出转速的目的。因为电动机和输出轴之间存 在平滑的转速差，所以此控制方式一般被称为滑差调速。 在滑差控制回路中，d k 2 型控制器是j z r y 型电磁调速电动机的直接控制单 元，可与一台j z t y 电机连接，通过面板上的主令电位器对电机进行宽范围的无极 调速，也接受0 - 1 0 v 的自动信号对其进行自动调速，可实现手，自动的无扰切换， 转速可由面板表头直接读出。 图2 - 3d k 0 2 型控制器电路原理图 9 黠翟 电压童 缔速曩 嘲 j 生电 凡 电琉置 # 逸表 山东大学工程硕士学位论文 从图2 3 可知，d k 2 型控制器的电路是由可控硅整流电路、脉冲移相触发电 路、手动给定信号电路和速度负反馈电路等环节组成。 控制器的主回路是由一只5 a 可控硅构成的半波可控整流电路，压敏电阻( 浪 涌吸收器) r v 和由r 1 c i 组成的吸收电路各在电源侧及元件侧对可控硅起到过电 压保护作用，d 1 为续流二极管。 给定电路信号是由d 8 一d 1l 组成的整流桥c 3 、c 4 、r 7 组成的式滤波器和稳 压管w z 2 、w z 3 几部分组成，速度负反馈电路是由d 1 2 d 1 7 、c 5 及反馈电位器 w 2 等组成，脉冲触发电路采用了由单结晶体管组成的驰张振荡器。 改变g 1 基极上的控制信号，便改变g l 的i e ，于是就改变c 2 上电压u c 2 上 升的速度，改变u c 2 达到u p 的时间从而改变触发脉冲的相位，改变可控硅的导 通角，上述各点电压波形如图2 4 所示。 图2 - 4各点电压图 2 1 3 交流接触器低压跳闸机理分析 交流接触器广泛用于电力传动系统中，作为频繁或分断带负荷电路的控制电 器，交流接触器为电动操作，所以适合于远距离操作及自动控制系统。交流接触 器由电磁系统、触头系统、灭弧装置及机构附件组成。 电磁系统包括电磁线圈和静、动铁芯。静铁芯在下、动铁芯在上，电磁线圈 在静铁芯上。当电磁线圈通电时，静、动铁芯即被吸合。触头系统包括一组三相 1 0 山东大学工程硕士学位论文 主触头及两个常开，两个常闭辅助触头。主触头和动铁芯连在一起。主触头为双 断1 2 1 ，用来接通主电路。辅助触头则接在控制回路中，以实现各种控制方式。 当需要接通主电路时，先接通交流接触器的电磁线圈，电磁线圈通电后，产 生磁力将动铁芯吸合，连在动铁芯上的动触头随之接通电路。当电磁线圈断电后， 吸力消失，动铁芯由于弹簧的作用力而分离，触头随之切断电路。 国标规定：交流接触器工作电压有一定的范围，当电源工作电压在额定值的 8 5 1 0 5 时，能保证可靠地吸合，当电源电压低于额定值的4 0 时能可靠释放， 在额定值的4 0 8 5 时，则动作不作保证i ) j 。 我公司变压器低压侧的电压出现瞬间突降，导致交流接触器铁芯的电磁吸合 力下降。由于部分交流接触器铁芯的电磁吸合力小于反作用弹簧的反作用力，故 主触头自动释放电动机停运。而另一部分交流接触器铁芯的电磁吸合力，仍大于 反作用弹簧的反作用力( 也就是说事故时交流接触器线圈的端电压，高于该接触 器的最低吸合电压) ，所以主触头仍维持闭合状态，受其控制的电动机继续运行。 所以，当电气网络发生接地故障时或者瞬间低电压时( 电网中经常发生) ，故障相 的电压瞬间降到零，当故障相为a 或c 相时，则接触器q 线圈失电，由原来保持 吸合的状态转为释放，正在运行的主闭合接点打开，断开了电机主回路电源：8 台 给粉电机停运，造成燃烧着的锅炉灭火，锅炉重新点火时需要先投入重油助燃， 等到锅炉燃烧稳定后，再开启给粉电机输送煤粉燃烧。 2 1 4 滑差控制机械特性 发电厂的给煤、给粉调节及其他许多地方都采用传统的滑差电机进行控制即 电磁转差离合器调速方式。电磁转差离合器由主动部分电枢和从动部分感应子两 部分组成。电枢和感应子存在0 5 r a m 左右的气隙。其调速功能是通过调节感应子 励磁电流的大小，改变气隙感应强度b ，从而改变感应子从动轴的电磁转矩m 来 实现的，其关系式为： m = 2 b 2 l 2 r 2 p ( w 1 w 2 ) ，z p ( 2 1 ) 式中b 气隙磁感应强度 l 电枢有效长度 r 电枢平均半径 山东大学工程硕士学住论文 z p 磁极下涡流路径上的等效阻抗 p 感应子磁极对数 w 。电枢旋转角速度 w 2 感应子旋转角速度 电磁转差离合器调节励磁电流后的机械特性见图2 - 5 所示： n 1 飞 。 飞 熘 姆 z j 一4 一， 【 ll 。 苌专专小! i 、i f ? 1 1 i ：13 i i ； m f zm - f z 转矩m 图2 - 5电磁转差离合器调速机械特性 可见，在某一恒定转矩m 下，励磁电流发生变化时，转速从n b 变到i l a ，调速 范围很小，且非线性严重，励磁电流损失都转化为热能。 2 2 变频调速控制 2 2 1 变频调速原理分析 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相 交流异步电动机的结构为图2 - 6 所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型， 如图2 - 6 ( b ) 所示，俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定 子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转 子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转 矩，使电动机转动起来1 6 j 。 山东大学工程项士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 6 三相交流异步电动机的结构图 ( a ) 定、转子剖面 转子绕组 i 一机座：2 一定子铁心；3 一定子绕组： 4 一转子铁心：5 一转子绕组 电机磁场的转速称为同步转速，用n l 表示： n l = 6 0 v p ( 2 2 ) 式中f l 一三相交流电源频率，一般为5 0 i - i z ； p 磁极对数。 由式( 2 2 ) ，当p = l 时，n i = 3 0 0 0 r m i n ；p = 2 时，n l = 1 5 0 0 d m i n 。可见，磁极 对数p 越多，转速n 。越慢。然而，电机转子的实际转速n 比磁场的同步转速i 1 1 要 慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s 表示： s = ( n l - n ) n l ( 2 3 ) 当加上电源转子尚未转动瞬间，n = o ，这时s = i ：起动后的极端情况n = n l ，则 s = o ，即s 在0 1 之间变化。一般异步电机在额定负载下的s = ( 1 6 ) 。 综合式( 1 ) 和式( 2 ) 可以得出： n = 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 - 4 ) 可以看出，对于成品电机其磁极对数p 已经确定，转差率s 变化不大，则 电机的转速n 与电源频率f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同 步转速，进而达到异步电机调速的目的。 但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定 因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率( v a r i a b l e f r e q u e n c y ) 的同时还要调整电压( v a r i a b l e v o l t a g e ) ，故简称w v f ( 装置) a 通过电工理论 分析可知，转矩与磁通量( 最大值) 成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源 电压的平方成正t e 。 山东大学工程硕士学位论文 2 2 2 变频节能效果研究 电磁转差离合器调速常用于低压电机中，高压电机领域中传统的调速方式是采 用液力耦合器。这种方法调速能耗大、效率极低，其原因是存在严重的耦合损失和 转差损失。耦合损失是由于液压油内摩擦造成的，转差损失是由于调速时输出轴与 输入轴存在转速差造成的，这种损失随转速差的增加而上升，即r l 技率= l s ，其中s 为 转差率，两部分损失最终都变成热损失。此外，这种调速方法还有如下缺点： ( 1 ) 受执行机构和液压机构限制，调速精度差，同时还存在严重非线性，只在1 5 8 5 间是调节线性区，即使在这区间仍存在增速与减速间逆差间隙，造成自动系统很 难投入运行。 ( 2 ) 运行不可靠，国内已有多起由于液力偶合器叶片破损造成事故的先例，其主 要原因是偶合器制造精度难以提高。另外，采用该调速方法需要一整套油系统，维护 工作量很大f 7 1 。 变频应用后给粉电机单耗下降很大，效果相当明显，给粉单耗对比如图2 7 所示： 图2 7变频应用前后给粉电机单耗比较 上述两种电磁转差调速改为变频调速后，理论上调速范围为0 1 0 0 ，且线性 度很好。变频设备本身的电力损耗很低，因而无论在轻载还是满载都有很高的效率 此外其运行可靠性、调节精度及线性度都是以前各种调速方法无法相比的。 山东大学工程硕士学位论文 2 - 3 本章小结 分析滑差调速的基本原理可知：滑差电机受电启动后定速旋转并带动电磁线 圈转动。由调速控制回路：i i i i i 电磁线圈上的直流电压大小控制电磁耦合机械部分 转动，转速由测速发电机反馈到控制回路里，从而达到平滑控制输出转速的目的。 经过对滑差调速机械特性的研究，发现这种控制方式，非线性相当严重，励磁电 流损失都转化为热能，而且电动机和输出轴之间存在转速差，所以此控制方式耗 能大、调速精度差、运行不可靠。 通过研究变频技术原理，可知：电机的转速n 与电源频率f 成正比，改变输入 电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。为了保 持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电 电压也要作相应调节。 通过给粉机两种控制方式的单耗对比，可明显的看出变频控制方式在调整精 度、运行可靠性、线性度方面远远优于滑差调速方式。 山东大学工程项士学位论文 第3 章变频器应用中的干扰 3 i 变频器应用中的干扰 在电力电网中，存在大量非线性负载，引起电网电流波形不再是正弦波，火电 厂的电磁干扰日益严重。系统中的主要谐波源可分为两类：含半导体的非线性元 件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、p w m 变频器等节能和控制用的 电力电子设备：含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变 压器及铁磁谐振设备等。这使得电力电子装置中的输入电流波形发生严重畸变。 谐波干扰有时能直接造成变频调速和d c s 系统的损坏，从而导致给粉机控制失灵， 造成锅炉灭炉等生产事故的发生。因此，如何分析火电厂中变频系统受到的电磁 干扰是研究变频系统抗干扰问题的基础，是实际应用中不可忽视的重要内容。 总结变频调速系统应用一年来，电磁干扰影响电力设备运行的具体表现有： ( 1 ) 高次谐波对电动机的影响是增加损耗，并且造成电动机转子振动：而它 对电容的影响更为突出，含有高次谐波的电压加至电容两端时，由于电容器对高 次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。在给粉变频系统中 使用原异步电动机的一年中，电机运行状况差，温升较大，轴承损坏频繁。 ( 2 ) 高次谐波电流通过变频器，可使变频器的损耗明显增加，从而变频器出 现过热，效率降低，缩短寿命。据测算，我厂变频器室内温升高于相临配电室平 均8 以上。 ( 3 ) 高次谐波流过给粉电缆，造成内耗加大，电缆发热，缩短了电缆的使用 寿命。根据我厂变频调速应用情况看，发生过变频器输出到电机的负荷电缆发生 绝缘损坏的状况。 ( 4 ) 高次谐波的干扰，往往还会导致供电空气开关误动作，造成电网停电， 严重影响用电设各的正常工作。同时，高次谐波对通讯设备也产生干扰信号。 ( 5 ) 电网的高次谐波使电网波型严重畸变，对用电质量产生影响：同时造成 电网电压降很大、电网功率因数很低，大功率用电负荷和远离发电厂的用户在启 动设备时电压降特别明显j 。 山东大学工程硕士学位论文 3 1 1 谐波的危害分析 高次谐波对电网的危害有： ( 1 ) 增加了无功功率消耗和铜损： 在电流波形畸变的情况下，电力系统的视在功率应为： s 2 = p 2 + q 2 + r 2 f 3 - 1 1 式中s 视在功率( v a ) ； p 有功功率( w ) ； o 一无功功率( v a ) ： t - 一畸变功率( 、，a ) 。 由于谐波电压和电流的频率不同，其相角差随频率差作周期性交化，累计的功 率之和为零，所以畸变功率具有无功功率性质。 ( 2 ) 谐波电流将使电力系统中的元件如电动机产生谐波铜耗、谐波杂散损耗 及谐波铁耗。谐波损耗的存在使得电动机总损耗增加，温升增加及效率降低。电 动机将多吸收无功功率，导致功率因数下降。 ( 3 ) 含有高次谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对高次谐波阻抗很 小，谐波电流加在电容器的基波上，使电容器的总运行电流增大，温升提高，很 容易发生过负荷以至损坏，导致使用寿命缩短。同时，谐波对电容器参数匹配产 生影响，有可能在电网中造成高次谐波谐振，使故障加剧。 ( 4 ) 由于谐波引起控制系统误差造成触发角偏移及电流、电压变化率过高， 引起晶闸管故障，甚至引起变流装置、自动控制装置的控制失灵和误动作，进而 造成系统故障。 ( 5 ) 持续的谐波含量过高，将加速变压器、电动机、电力电缆的绝缘老化而 使其容易被击穿。某些情况下，特别在瞬态过程中，还可能引起谐振过电压f 9 】。 我厂的热网控制室地板下即为发电机引出线，造成控制室内与工业控制计算机 配套的阴极射线管彩色显示器无法正常工作，画面始终有强烈抖动，不停产生滚 动条纹，使运行人员无法正常监视计算机画面。该现象是由于强烈的电磁干扰对 阴极射线管发射电子束的强度及方向产生了影响。后将阴极射线管彩色显示器更 换成为液晶彩色显示器，由于液晶显示器的激活对电磁干扰不敏感，故显示器画 山东大学工程项士学位论文 面显示正常。 ( 6 ) 谐波电压和谐波电流通过线路间的感应耦合，会在通讯线路中感应出相 当大的谐波电压，从而对通讯线路造成干扰，影响通信网络的正常工作。 3 1 2 干扰产生的原因研究 非正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量，基波正弦量和一系列频率为基 波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。对目前三相交流发电机组发出的电压而 言，认为基波为正弦波，即波形中基本无直流量和高次谐波分量。要注意，电力 系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形，电网暂态变化诸如涌流、各种干 扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴；谐波与不是工频整倍数的次谐波( 频 率低于工频基波频率的分量) 和分数谐波( 频率非基波频率整倍数的分数) 是有 区别的【0 1 。 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电 压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。 谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶( m f o u r i e r ) 分析原理 证明，任何重复的波形都分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦 波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波区分为 偶次谐波与奇次谐波，第3 、5 、7 次编号的为奇次谐波，而2 、4 、6 、8 等为偶次 谐波，如基波为5 0 h z 时，2 次谐波为1 0 0 h z ，3 次谐波则是1 5 0 h z 。一般地讲， 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系， 偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电 流是6 n 次谐波，例如5 、7 、1 l 、1 3 、1 7 、1 9 等，变频器主要产生5 、7 次谐波。 谐波示意图如图3 - 1 所示： 山东大学工程硕士学位论文 么j 篓泣一，3 谐泣 。三次谐谴 图3 - i 谐波示意图 谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收 的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故 谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源j 。 3 2 电磁干扰的机理分析 3 2 1 外部电网的干扰分析 电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源来干扰变频器。电网中存在大量 谐波源如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备，非线性负载及照 明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其它 设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若 不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。 当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每相半周期 内的部分时间内导通，容易使网络电压出现凹口，波形严重失真。它使变频器输