（电力系统及其自动化专业论文）变频调速系统中电动机保护问题的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t i no r d e rt or e d u c et h er a t eo fp o w e rc o n s u m p t i o ni nt h ep o w e r p l a n t sa n di m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t , n o wm o r ea n dm o r ep o w e rp l a n t sa r er e o r g a n i z i n gt h ee l e c t r i cm o t o r s 、i t l li n v e r t e r s t h ep r o b l e m sl i k ew h a t i n f l u e n c ew i l lo c c u ro v e rt h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v er e l a y i n ga f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n , w h e t h e rt h et r a d i t i o n a l p r o t e c t i v er e l a y i n gc a nw o r ka c c u r a t e l ya n dh o wt oa d j u s tt h es e t t i n gi fi tc a n to p e r a t ee x a c t l ya r en a t u r a l l yp a i d c l o s ea t t e n t i o nt oa n dr e s e a r c h e d i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ri n a l 【c sas t u d yo ft h ep r o t e c t i v e r e l a y i n ga f t e rt h er e o r g a n i z a t i o na n dc e m c su p 诵也e f f e c t i v et h e o r ym e t h o d t h em a i nw o r ki sf o l l o w i n g ： t h et h e s i si n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fr e o r g a n i z a t i o nw i t hi n v e r t e r sa th o m ea n da b r o a dc o n c i s e l ya n d a n a l y z e st h er e l a t i v em e r i t so ft h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o ns c h e m e sa n dt h em a i ne l e c t r i cc o n n e c t i o n sa th o m en o w a sa l s o ar e p r e s e n t a t i v ep r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o ni 8g i v e nt ot h ee l e c t r i cm o t o r sw h e nt h e yw o r ki np o w e r f r e q u e n c ys t y l e p r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e dw h e nm o t o r sw o r ki nf r e q u e n c y - c o n v e r s i o nm o d et o oa f t e r r e s e a r c h m e t h o d sa r ep u tf o r w a r da f t e ra n a l y s i st oa i ma td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm i s o p e r a t i o na n dc ts a t u r a t i o n t h et h e s i st a k e st h ep r o t e c t i o nw h e nm o t o r sw o r ki nf r e q u e n c y - c o n v e r s i o nm o d ea s 出ep o i n ta n da n a l y z e s p r o t e c t i o n s s u c ha si n s t a n t a n e o u so v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n ，u n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ， e a r t hf a u l t p r o t e c t i o n ， o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o na n ds oo n i nc o n n e c t i o nw i t ht h ep l o b l e mt h a tt r a d i t i o n a lc u r r e n tp h a s o rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nc a n tb eu s e da n ym o r ew h e nm o t o r sw o r ki nf r e q u e n c y - c o n v e r s i o nm o d e ，s a m p l e dv a l u ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o np r i n c i p l ei sp r e s e n t e da st h em a i np r o t e c t i o n a f t e rd e e pa n a l y s i so ft h es a m p l e dv a l u ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o np r i n c i p l es u c ha sra n d ss e l e c t i o nm e t h o da n df u z z yo p e r a t i n gz o n e ，t h et h e s i sf i n a l l yg i v e st h es a m p l e d v a l u ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m e f i n a l l yt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ee q u i p m e n ti si n t r o d u c e ds h o r t l ya n dt h et h o u g h to fm o t o r p r o t e c t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do ng r a p h i cd e v e l o p i n gp l a t f o r mi sp r e s e n t e d c o n f i g u r a t i o nb a s e do nt h i s p l a t f o r mi sc o m p l e t e da n ds o f t w a r eo ft h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ne q u i p m e n ti sr e a l i z e d k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ；p o w e rp l a n t ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；, m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ；s a m p l e dv a l u e d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；g r a p h i cp l a t f o r m i l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：奎五窿日期：垫2 2 ：箩 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名：誊彳建导师躲岛印嗍如”眵 第1 章绪论 1 1 厂用电机变频改造的意义 第1 章绪论 目前，厂用电机系统存在的主要问题是：电动机及被拖动设备效率低，电动机、风机、泵等设备陈旧 落后，效率比国外先进水平低2 - 5 个百分点；系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负 荷运行；系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式约低3 0 t 。 这是因为，由于电网负荷结构的变化，近年来电网的负荷峰谷差越来越大，部分时段发电机负荷降低， 很多大型火电机组也要参与调峰和深调峰运行。频繁的调峰任务使高压电机的启停次数增加，在启动过程 中因受冲击而造成过热、绝缘损坏以至烧坏电机的情况逐年增加，严重影响电动机的机械寿命；另一方面， 采用调整挡板、阀门的开度或空放回流的办法进行输出量的调节，导致辅机和驱动电动机长期运行在低效 率工作区，造成大量节流损失，能源浪费严重。 电厂在生产电能的同时，本身也是耗电大户。设备效率低，厂用电率居高不下是长期以来困扰发电企 业的主要问题之一，尤其是2 0 0 3 年以来，因为燃煤价格的上扬，发电成本大幅提高，造成发电企业盈利 水平下降。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竟价上网政策的逐步实施，降低厂用电率，减小发 电成本，提高上网电能的竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济目标，而且要求越来越迫切，因此发电 厂较以前更加重视以经济效益为中心、追求经济效益最大化的经营方针。改造落后高耗能设备，降低电耗， 提高经济效益将是电厂今后一段时间内的重点工作。国内电机系统的用电量约占全国用电量的6 0 ，全国 现有各类电机系统总装机容量约4 2 亿千瓦，运行效率比国外先进水平低1 0 - 2 0 个百分点，相当于每年浪 费电能约1 5 0 0 亿千瓦时l l 】，由此可知，电机节电潜力巨大。 对发电厂机组进行高压变频技术改造，无疑是降低厂用电率最好的手段之一。“十一五”十大重点节 能工程实施意见提出，为了提高电机系统效率，应推广变频调速这种先进的电机调速技术，改善风机、 泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式，重点对大中型变工况电机系统进行调 速改造，合理匹配电机系统，消除“大马拉小车现象。目前，越来越多的电厂在进行高压电动机采用变 频器调速的技术改造。有些业主在新建电厂中明确提出，重要辅机必须考虑采用变频器拖动。 实现异步电动机的变频调速，是发明异步电动机近百年以来人们翘首以待的“世纪之梦”。通过人们 不懈努力、提高和完善，其调速工作特性毫不逊色，即使与直流调速系统相比，某些方面还将超过直流调 速。采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节。调节器输出的信号传到变频器，通过 变频器调节电机转速，可以平滑稳定地调整输出特性，而且调速精度高、性能稳定、维护简单，易于实现 生产过程的自动控制。 1 2 国内外厂用异步电机变频调速概况 1 2 1 国外厂用异步电机变频调速情况 美国电力研究所于1 9 8 1 年就开始研究电力电子可调速传动在电厂大型异步电动机上的应用，并在 1 9 8 4 - , 1 9 8 9 年进行了连续五年的风机和泵类负载大型异步电动机变频调速现场试验，对大型变频调速装置 的可靠性得出肯定的结论，认为只要使用细心，电力电子装置是耐用和可靠的，而控制系统更可以提供无 故障运行；目前设计完备的变频器在即使出现故障时也可以通过功率单元旁路、切换运转等方法避免停机。 研究同时认为，在年度负载曲线和燃料费用正确配合的情况下，2 7 年可收回投资费用。各项目的投资回 东南大学硕士学位论文 收年数差别较大，主要因为燃料价格较高，燃油和燃气机组回收成本更快。 随着g t o 的发展美国发电厂开始大量应用g t o - p w m 型直接高压变频器，并开始采用矢量控制。到 1 9 8 9 年已有6 5 台以上g t o - p w m 电流源型变频器在发电厂大型异步电动机上使用，功率范围为3 7 5 k w 5 3 6 9 k w ：如一台3 0 0 m w 燃油气机组上安置了两台变频调速装置，以控制两台2 9 8 4 k w 感应式异步电动 机的转速，该机组长期运行在甚低负荷工况，在非峰值期间，该机组有时空转运行，未改造前风机在低负 荷工况效率下降5 0 ，改造后风机效率可接近试验水平的9 3 ，且基本不受机组负荷的影响，全年可节省 费用1 0 0 万美元，两年即收同投资。 目前，国外发电厂已经将中高压变频调速技术比较广泛地应用于大型异步电动机中，通过它们长期运 行实践可见，中高压大功率变频调速系统的经济效益良好，其可靠性也是可以得到保证的。 1 2 2 国内厂用异步电机变频调速情况 近年来，国家大力支持节能技术改造工作，中华人民共和国节能法、国务院、财政部等都对节能有 规定，指出“实现交流电动机调速节电作为重点措施，认真推广”。发电厂的发电煤耗、厂用电率指标为 发电厂考核的首要指标，另外，电网迅速发展，对机组的调峰能力要求越来越高，调节辅机以适应电力安 全、经济运行，直接影响到电厂的安全性和发电成本，国内许多发电厂采用了变频技术进行技术改造，并 取得了很好的效果。如山东黄岛发电厂的两台送风机引进美国罗克韦尔a b l 5 5 7 变频装置，年节电3 4 1 万 度，可节约1 2 5 万元，两年内即可收回全部投资；华能新华电厂的吸风机、给水泵采用美国罗宾康多重化 无谐波变频装置，节电率达到2 8 6 9 ；四川华鉴山发电厂在锅炉送引风机上采用国产北京利得华福单元 串联多电平变频装置，节电效果达到4 6 6 8 。随着我国电网的不断扩大和电力作为商品逐渐成为买方市 场，机组负荷率降低，大型机组也需要调峰运行甚至两班制运行，发电部门将越来越重视辅机工况调节时 的节能问题。通过上述分析，随着高压大容量变频调速技术的日益成熟和产品价格的下降，将其应用于国 内发电厂大型辅机，在技术和经济方面都是可行的。 1 3 高压变频调速系统继电保护研究现状 在降低厂用电率的同时，保证机组安全可靠地运行成为电厂管理人员和电气技术人员十分关注的问题 【2 】，因此，应用高压变频器，对电动机继电保护配置方案以及保护整定的影响，理所当然地得到了继电保 护工作者的重视和研究。解决好这个课题，成为保证电厂安全运行的关键，具有重要的现实意义。 随着变频调速理论和制造工艺的进一步发展，国内外变频厂家对其变频器产品进行了大量的技术改进 与完善，变频器的运行可靠性较前几年已经有了很大的提高。但不可否认，变频器作为一个复杂的大功率 电力电子装置，其长期稳定运行仍然受一定冈素的影响，如电磁干扰、元器件质量、环境温度、空气洁净 度和人员维护水平等，正由于有上述因素的存在，发电厂在厂用高压电动机变频改造上抱有疑虑，发电厂 重要辅机一旦跳闸，将直接导致发电生产过程的波动、中断，给电厂安全稳定运行造成冲击。在变频改造 中，、如何避免由于变频器故障造成的事故，提高机组辅机的运行可靠性，成为电厂最重要的考虑。为此， 除了选择可靠性高的变频器外，电厂一般还会要求变频器配置完善的保护功能。因此在以往的高压变频器 调速系统的实现上，人们关注电力电子器件的性能及变频功能本身的实现，保护方面较多考虑对电力电子 器件的保护，如i g c t 的吸收电路、快熔保护等【3 】，而较少涉及高压变频系统中电动机的保护。 高压变频调速系统分为变频、工频两种运行方式，而工频方式下电动机的保护相对成熟，故应把重点 放在变频调速系统变频运行时电动机的保护上。本文将对此进行有益的研究。 2 第1 章绪论 1 4 本文的主要工作 本文完成的主要工作有： 1 通过分析电动机变频运行方式与工频方式下电气量的差异，对电动机变频运行时保护面临的问题进行 了分析，并给出变频时电动机的保护配置。 2 针对电动机自启动过程中，由于普通保护级c t 传变特性不一致导致差动保护误动这个问题，提出两 种有效的解决方案；针对c t 在故障发生时可能存在饱和导致差动保护误动的问题，给出了c t 饱和的 主要判别方法。 3 详细分析了改造后电动机的长启动保护、电流速断保护、低电压保护、接地保护、过电流保护的整定 方法；针对变频运行时相量差动不能使用的问题，提出了应用采样值差动保护作为需配置差动保护的 电动机主保护的解决措施，深入分析了采样值差动保护的原理、r 及s 选择方法、动作模糊区等问题， 最后给出了采样值差动的保护方案。 4 简略介绍了电动机差动保护的硬件配置，分析描述了图形化平台的功能与特点，并基于该平台完成了 差动保护动作逻辑图的组态，实现了基于该平台的电动机差动保护软件的开发。 3 东南大学硕十学位论文 2 1 变频器原理 第2 章变频调速系统中的电动机保护分析 从交流异步电动机的转速公式可以分析如何改变异步电动机的转速： n = 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 - 1 ) 式中：以电动机运行时转速 厂电动机电源频率 p 电动机极对数 j 电动机转差率 由上式可看出，只要调节p 、j 或厂三个变量，即可实现调速目的，由此，可得出三种基本调速方法： 1 改变电机的极对数p 。属于有级调速，应用场合有限。如某些电厂采用的双速循环水泵、双速引 风机即采用这种调速方式。 2 改变电机的转差率j 。这种调速方式结构简单，有一定的应用场合。如串级调速、转子串电阻调速 均属这种方式。 3 改变电机电源的频率厂。该调速方式效率最高，可以构成高动态性能的交流调速系统，是应用场 合最多，最有发展前途的一种调速方法。 电动机一旦制造完成，其s 、p 一般已经确定，由于转速刀与频率厂之间为线性关系，从理论上分析 调速范围在0 , - - - 1 0 0 内，线性度都很好。变频调速技术的基本原理即是根据上述电机转速与工作电源输入 频率的正比关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 变频器就是基于上述原理采用交直交电源变换技术，利用半导体器件的通断作用来实现电能频率变 化的电子控制装置。它首先把5 0 h z 的交流电源利用半导体器件的通断作用变为频率为零的直流电源( 称 为整流) ；然后把频率为零的直流电源通过电力电子半导体器件的通断作用变换成某一频率的交流电源( 叫 做逆变) ，从而实现输出交流电源电压与频率的改变。 载波s p w m ( 正弦波脉宽调制) 电压逆变器是目前变频电源的主流产品，在工程实际中应用最多【2 1 。 下面以图2 1 所示的电压型三相桥式变频器电路为例，来说明变频器的工作原理忉。 图2 1电压型三相桥式变频器原理电路 大功率晶体管变频器的基极驱动信号在控制电路中一般常采用载频信号u o 与参考信号玑相比较产 生，这里采用双极性等腰三角形锯齿波电压，而u 为双极性正弦波。在与q 波形相交处发出调制 4 第2 章变频调速系统中的电动机保护分析 信号，则产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列，其调制波形如图2 - 2 所示。主同路中的6 个开关元件以l - 2 3 4 5 岳l 顺序轮流工作。 u o u r u 。 图2 - 2 三相正弦波脉宽调制波形 从图2 2 可以看出，$ p w m 调制的基本特点是在半个周期内，中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲 之间等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上呈正弦分布。输出电压的大小和频率均由正 弦参考电压珥来控制。当改变q 的幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变u 的 频率时，输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值必须小于等腰三角形的幅值砜。，否则就 得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系。 2 2 主流变频器的性能比较 1 高压变频器的类型 高压变频器根据其高压组成方式可分为直接高压型和高低高型。直接高压型根据有无中间直流环节 可分为交交变频器和交直交变频器，由于交交变频器连续可调的频率范围小，一般为额定频率的1 2 以 下嗍，当前工程中普遍使用的是交直交型变频器。在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同又可 分为电压源型和电流源型。 按照上述标准划分出的层次关系如图2 3 所示。 变频器 f 交一交变频器 直接高压型变频器1 交一直一交变频器 耋蒙鎏篓萎篓霎 电流源型变频器是在电压源型变频器之前发展起来的早期拓扑，它在逆变器直流供电侧串联大电感， 能抑制短路等故障时电流的上升率，故电流源型变频器的过流和短路保护容易实现；电压源型变频器在直 流供电输人端并联有大电容，一般电压源型变频器的过流和短路保护实现起来则较为困难，只有二电平电 压源型变频器设有直流电感，可抑制d i d t 的上升速率，易实现过流保护和短路保护。 5 东南大学硕士学位论文 2 功率器件串联二电平电流源型变频器 美国罗克韦尔( a b ) 公司的p o w e r f l e x 7 0 0 0 系列采用这种方案 9 j 。图2 _ 4 是功率器件串联二电平电流源 型变频器结构示意图，采用大电感作为中间直流滤波环节，整流电路采用晶闸管( s c r ) 作为功率器件，根 据电流电压的不同，每一个桥臂需由s c r 串联，而逆变器采用s c r 或g t o 、s g c t 等功率器件串联。 这种设计的优点是主回路结构简单，可实现再生制动，变压器可根据需要选用油浸式或干式，变压器 和变频柜可分开放置。但由于是电流源型，其输入侧功率因数较低，对母线电压的适应能力差( 如电压骤 降、周波缺失) ；另外，其输出侧电压电流波形不如单元串联多电平变频器好，对网侧谐波的影响也较单 元串联多电平p w m 电压源型逆变器大。 碑c r ：口 | jijj【 ；! ! ： t 卒 ! ， !一 ij i ! jlj 基 。j l? v ； jij【j 一 jljij【 r j ! ! l i jljj (i 1 1 ； f r1r - l - v - 一 i】lj 1 3 一 町1 j l r - 图2 _ 4 功率器件串联二电平电流源型变频器结构示意图 d 3 中性点钳位三电平电压源型变频裂1 2 3 s i m e n s 的s i m o v e r t - m v 采用这种结构。三电平高压变频器又称“中性点钳位式”高压变频器，是 近几年才开发和推出的一种高压变频器，高压变频调速系统采用中性点钳位三电平技术。变频器主要由输 入1 2 脉冲变压器、整流器、中性点钳位回路、三电平模式逆变器、输出滤波器、控制部分等组成。整流 电路一般采用二极管，钳位采用高压快恢复二极管，逆变部分功率器件采用g t o 、i g b t 或i g c t 。初期 使用时，由于输出电压与电机工作电压不直接匹配，对6 k v 须将高压电机“y ”接法改为“”接法。当 变频器故障时，又改回去，工频运行。为此可在输出端增设一个自耦升压变压器，可直接用于6 k v 和1 0 k v 高压电机，类似高- 1 氐高方式。 w 喜鎏鼻3 电平逆交嚣 流器压环节 。 图2 - 5 中性点钳位三电平电压源型变频器主回路结构示意图 6 第2 章变频调速系统中的电动机保护分析 这种结构的优点是器件少，具有电压源型调速范围宽、动态响应速度快、功率因数高等优点，但是有 如下缺点： 需有y a 变换装置，才能实现工频变频切换。对于6 k v 高压电机，三电平变频器采用y 改接的办 法，将y 型接法的6 k v 电机改为接法。但在进行了y 改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无 法实现旁路功能，当变频器出现故障时，为了保证生产的正常进行，必须首先将电机改回y 型接法，再投 入6 k v 电网。为此，电机的改接必须加装y 切换柜实现，以便实现旁路功能：输出谐波含量大，需要 专用变频电机。由于三电平变频器低速区变频器的波形极差，基本上不能满足工况的要求，因此，在变频 器的输出侧必须配置l c 滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率冈数和 效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降， 功率因数和效率都会相应降低。输出电压谐波1 1 次、1 3 次谐波达到2 0 以上，会引起电动机谐波无功发 热、转矩脉动，这对电缆和电动机都是致命的影响。因此，一般需要配置专用电动机。 4 多单元串联电压源型变频器 采用这种技术的有r o b i n c o n 的p e r f e c th a r m o n y 系列、利德华福的h a r v e s t 系列、t o s h i b a 、 广东金智、东方日立等。 多单元串联电压源型变频器是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器串联和控制器结构 组成。各功率单元由一个曲折多绕组的移相主变压器降压供电。变压器是单元串联高压变频器设备电路结 构中的一个重要部件。3 k v 有1 2 个功率单元，每4 个功率单元串联构成一相。6 k v 系列有1 5 个功率单元， 每5 个功率单元串联构成一相。1 0 k v 系列有2 1 个功率单元，每7 个功率单元串联构成一相。移相变压器 中，变频器6 k v 时需要3 5 个绕组，引出主接线头4 8 根，0 0 k v 时需3 7 个绕组，引出主接线头6 6 根) 。 变压器输出为外部星形的延边三角形接法。 一厂、n a 1 事 9 p 母 厂n 厂、v ，、 厂n 厂n b 峄_ l 卜b 寸母 厂n 厂 厂n 厂n c 1 9 9 p 寸 厂、y ，、 厂y 、 厂n 厂n 心h 一：卜一峰上 厂 厂n 厂n j ， 厂n 厂n 厂、7 、 厂 厂n 厂n 厂n 厂n ，、，_ 、 图2 - 6 多单元串联电压源型变频器逆变器结构示意图 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 6 所示为6 k v 变频器的主电路拓扑图，每组由5 个额定电压为6 9 0 v 的功率单元串联，因此相电 压为6 9 0 v 5 = 3 4 5 0 v ，所对应的线电压为6 0 0 0 v 。每个功率单元由输入隔离变压器的1 5 个二次绕组分别 供电，1 5 个二次绕组分成五组，每组之间存在一个1 2 。的相位差。以中间接法为参考( o 。) ，上下方各 有两套分别超前( + 1 2 。、+ 2 4 。) 和滞后( 1 2 。、- 2 4 。) 的四组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接 组别来实现。 单元串联多电平技术就是采用多组低电压小功率i g b t ，p w m 变频单元串联输出高压，实现大功率集 成。其特点是由低压的功率器件所组成的功率单元相串联，从而实现高压的输出。由于采用的是功率单元 进行串联，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，并且该方案设计的功率单元模块化、标准化，单 元间具有互换性。若考虑变频器故障后的工频运行，可增设一个简单切换装置，可方便地通过倒切开关， 切换到工频运行；由于单元串联多电平变频器采用了必要的移相变压器，实现多组整流，间接地获得了输 入端的低谐波含量指标；最为难得的是单元串联多电平变频器可适用于普通电机及旧电机，且不必降额使 用，缺点是需制造复杂而昂贵的移相变压器，存在一定损耗。 2 3 高压变频调速方案的分析与比较 国内电厂的厂用电电压一般分为6 k v 和1 0 k v 。功率较大( 一般指超过2 0 0 k w ) 的电动机基本上都 采用高压电动机，这些电动机的能耗是电厂用电的主要部分，高压变频指的就是这些电动机的变频调速。 在大中型火力发电厂中，电动机电压等级多为6 k v ，个别热电厂为1 0 k v ”】，因此本文针对6 k v 电压等 级的变频改造电机进行探讨。目前国内6 k v 高压电动机采用的变频调速方案主要有如下两种： 1 高低高变频调速系统 此种调速控制方案是将高压通过降压变压器，使变频器的输入电压降低，这样可以采用一般的交流变 频器，然后，将变频器的输出电压通过升压变压器再提高到6 k v ，以满足高压交流电动机的电压要求。这 种方案可以采用较为低廉的变频器，高低高变频调速系统的结构如图2 7 所示。 6 k w 母线 降压变压器升压变压器 图2 - 7 高低一高变频调速系统的结构图 高低高变频调速系统普遍采用可控硅整流逆变电路，从7 0 年代问世以来，逐步走向成熟，也有很多 应用成功的例子，但此种系统存在着较多的问题： ( 1 ) 高低高变频调速系统需要用升压和降压两个变压器，以实现6 k v 电压直接输出，从而降低了效 率，会增加损耗，并且降压变压器和升压变压器不能互换，升压变压器需要特制，以减弱高次谐波的影响。 ( 2 ) 高低高变频调速系统中的变频器整流部分采用可控桥式整流电路，相应变频器的功率因数比较 低，范围在0 2 到0 9 之间。由于送风机经常工作在低转速状态，可控硅的导通角较小，使系统的功率因 数很小，系统需要消耗大量的无功功率，导致6 k v 母线电压下降，影响6 k v 母线电压质量；同时可控硅 整流在送风机低速范围运行时，导通角很小，波形畸变大，逆变部分大多采用6 脉冲或1 2 脉冲，输出波 形失真，有大量高次谐波存在，使输出波形不是正弦波，为解决谐波的影响，需要加装滤波器，增加投资。 ( 3 ) 高低高变频调速系统中的变频器工作在低电压状态，为满足功率输出的要求，工作电流很大，往 往需要变频器元件并联运行，为此必须进行元件配对，增加均流措施，检修技术水平要求比较高。 8 第2 章变频调速系统中的电动机保护分析 ( 4 ) 高低高变频控制系统需要两台变压器，变压器需要装设相应的保护，成本也会有所上升，另外， 使用高低高变频系统占地面积较大。 2 直接高压变频调速控制系统 直接高压变频调速控制系统用额定电压为6 k v 的高压变频器直接驱动6 k v 的电动机，实现变频调速， 高高变频调速系统的结构示意图如图2 8 。 6 k v 母线 图2 8 直接高压变频系统结构示意 直接高压变频系统，简称高高变频调速系统，它是九十年代末针对高低高变频调速系统缺陷研制成 功的新一代变频调速系统。该系统从根本解决了高低高变频调速系统存在的问题，是一种性能优越的变 频调速设备。 该调速系统一般使用一台变压器与电网隔离，变频器输出直接到电机，由于采用了桥式整流电路，在 整个调速系统中功率因数较高，不需要装设无功补偿装置，又因为高高变频调速系统采用多重化脉宽控制， 通过模块输出串联叠加消除高次谐波的影响。 高高交频调速系统简化了主电路和控制电路的结构，变频器在中间处理器材调节器控制下，调整整流 及逆变部分的控制量，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出电压频率，既实现调压，又实现调频，调节器进 行无偏差的前馈控制，使控制误差降到了最小，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性高。 高高变频调速系统改善了系统的动态特性，变频器中逆变器的输出频率和电压，都在逆变器内控制和 调节，因此调节速度快，调节过程中频率和电压的配合好，系统的动态性能好。 此外，高高变频调速系统有很好的对负载供电波形。变频器的逆变器输出电压和电流波形接近正弦波， 从而解决了由于以矩形波供电引起的转矩降低问题，改善了电动机的运行性能，高高变频调速系统适用于 常规电机和电缆的绝缘要求，现有的电机和电缆可以继续使用。 3 各变频调速系统性能比较 从以上分析可知，若选用高低高变频调速系统，需要增加变压器、无功补偿器、谐波滤波器，变频 实现控制复杂，可靠性较低，高低高变频调速系统技术上不具有先进性。但这种系统最大特点是：价格 比较低廉，并且产品的挑选余地比较大。 若选用高一高变频调速系统，从能量转换上来看效率高于高低高变频调速系统。高高变频系统在整个 调速范围内效率稳定在9 5 - 9 7 之间，而高- f 氐高变频系统在整个诵速范围内在8 1 - - 9 3 之间变化，高 高变频系统可以采用不使用变压器的方案，则满负荷运行时，又可节约3 左右的能量( 变压器的损耗随 负荷变化不大) 。 由以上分析对比可以看出，高高变频调速系统和高低高变频调速系统相比较为优越，在变频改造中 采用高高变频调速是今后的发展趋势。因此，本文是针对高高变频调速方案展开的。 2 4 变频器的保护功能 变频器生产厂家较多，且每个厂家的型号不同，造成不同的变频器在保护配置上有一些区别。一般来 9 东南大学硕士学位论文 说，每种变频器都有以下几种保护功能：过流保护、欠压保护、过压保护和过载保护。 1 过流保护 过流保护的对象是变频器自身。控制电路、驱动回路误动作或误配线，都会造成逆变器上、下桥臂直 通等短路事故。短路电流流过逆变器的开关元件会造成元件烧毁，因此必须在极短时间内封锁p w m 驱动 信号输出，使逆变器停止工作，同时还应使输入侧电源开关跳闸。短路电流的整定值一般设置为逆变器输 出额定电流的2 0 0 3 0 0 【3 l 。超过逆变器额定电流2 0 0 以上的电流，应立即采取保护措施。 当逆变器发生内部短路时，电流变化非常快，必须快速检测出过流信号。一般采用霍尔元件快速检测 电流，其检测点可设置在中间直流母线、逆变器输出电路、或i g b t 元件上。 2 欠压保护 欠压产生的原因主要有：输入交流电压长期低于标准值的9 0 以下，或发生缺相断相；电容不 足或电容损坏。从i g b t 的特性可知，当电源电压较低时，会因其驱动功率不足而造成元件损坏。另外， 当逆变器直流侧大电容两端出现欠压时，也应立即关闭逆变器，否则也会导致i g b t 永久损坏。欠压保护 整定值为逆变器开关元件i g b t 值的9 0 t 3 1 。 电压源型变频器采用大容量的高压电容器作为整流滤波环节。由于该电容具有一定的储能作用，因此 变频器在电压降低情况下仍然具备一定的带载能力，而且在装置内滤波电容越大、负荷运行频率越低、输 出功率越小，则可维持的时间越长。所以，欠压检测应该采用中问直流采样，即在大电容两端采样。这样 既能在真正欠压缺相时，检出信号进行保护，又不至于因短时间欠压并未构成危险时而保护误动作，提高 了交频器的抗干扰能力和运转的可靠性。 3 过压保护 过电压产生的原因主要有：电网输入电压长时间过高；减速太快，引起泵升电压过高。当电压超 过i g b t 的安全工作电压时，就可能造成i g b t 的损坏，应关闭逆变器。过压信号采样点与欠压采样点相 同。过电压保护的整定值为逆变器开关元件i g b t 值1 7 倍左右【3 1 。 4 过载保护 变频器的过载保护是指由于电动机过载，逆变器的电流达到逆变器额定输出电流1 5 0 以上时，采取 相应措施对i g b t 施加的保护。一般情况下，过载保护具有反时限特性。过载电流越大，允许继续运行的 时间越短，保护动作的时间也越短。过载保护按反时限特性整定：1 1 1 倍额定电流下允许长期工作：1 1 倍以上额定电流，动作延时时间按反比例变化 3 1 。过载信号采用霍尔电流检测元件检测，信号数值取自中 间直流母线。 另外，电动机根据其发热情况是允许短时间过载的。由于发热时间常数较长，所以，电动机的所谓短 时间过载，一般都在数分钟以上：而变频器所允许的过载能力，通常只有1 分钟( 过载1 5 0 ) 。因此当电 动机过载时，变频器的过载保护先于电动机过载保护动作，即变频器可以对过载电动机进行保护，因此改 造后不再考虑电动机的过载保护功能。 2 5 变频系统中的电动机保护分析 2 5 1 变频系统中接线方式的比较与选择 高压变频系统通常由6 k v 电源进线开关、移相变压器、高压变频器、6 k v 输出接触器和电动机构成， 作为一种万全措施，变频器在发电厂应用中，还要配备工频旁路，一旦变频器出现严重故障或正常情况下 1 0 第2 章变频调速系统中的电动机保护分析 例行检修维护时，通过旁路断路器，电动机可以直接挂在电网上运行，不影响机组的正常发电。 高压变频器设置工频旁路一般有两种方式，一种是手动旁路，采用旁路手动刀闸结构，在变频器故障 退出或检修时，手动断开变频器输入腧出侧刀闸，再手动合入旁路刀闸。一种是自动旁路，采用旁路开关 或旁路接触器结构，工变频切换既可以手动进行，又可以自动进行。应用较多的一次接线方式见图2 - 9 。 方式一中变频器输入侧、工频旁路采用真空断路器小车，变频器输出侧采用高压限流熔断器+ 真空接 触器，旁路控制方式为手自动旁路；方式二中变频器输入腧出侧均采用手动隔离刀闸+ 真空接触器，工频 旁路采用真空接触器，旁路控制方式为手自动旁路：方式三中变频器输入输出侧、工频旁路均采用手动 隔离刀闸，旁路控制方式为手动旁路；方式四中变频器输入侧采用手动隔离刀闸输出侧及工频旁路采用 手动单刀双掷隔离刀闸，旁路控制方式为手动旁路。若仅考虑手动旁路方式，如方式三、四，可采用隔离 刀闸，在变频器检修时一次回路中产生明显断开点。但隔离刀闸另一侧依然带高压电，一旦检修时人员误 碰或误合闸，以及运行中误切刀闸，都将会发生严重的人身设备损坏事故。所以方式三、四设备少，结构 简单，但防误操作性能差，刀闸易发生操作卡涩、接触部分发热等问题。若考虑自动旁路方式，如方式一、 二，一般采用断路器或接触器，方式一采用小车开关，变频器检修时将输入输出侧小车拉出即可产生明显 断开点，还可以方便同时进行开关检修工作，另q f l 、q f 2 开关均具备切断故障电流的能力。方式二采用 接触器，变频器检修时将输入输出侧接触器断开，拉开隔离刀即可产生明显断开点，但由于接触器采用固 定式结构，电机运行中不便进行接触器的检修工作，另k m l 、k m 2 接触器不具备切断故障电流的能力， 只能断开负荷电流。所以方式一、二设备相对较多，但防误操作性能较好，便于维护检修工作。 从自动旁路切换方式看，变频切换至工频方式可由变频器程序自动切换，也可通过d c s 或就地控制 面板来手动切换；而工频切换至变频，则尽可能采用d c s 或就地控制面板手动切换方式，因为工频情况 下发生故障，一般是电机或出线电缆发生故障，由电机保护动作切断开关，再切换至变频工况运行已无必 要。 故电机变频一次系统设计推荐方式一，其中q f l 、q f 2 为小车真空开关，k m i 为小车f + c 开关。采 用小车开关进行变频器检修时，将输入输出侧小车拉出产生明显断开点，另q f l 、q f 2 开关均具备切断故 障电流的能力。 6 6 ( a ) 方式一 器柜2 l 。，+ 一+ 一一一一一一一一。一。 嘞方式二 东南大学硕士学位论文 6 6 q f q s lq s 3 和! 厂_ j 盍蛞r o l l i 幽i 一， q s 2 隔霎翟霾关 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一 ( c ) 方式三 q f 亍一1 m 一 隔离刀开关 旁路柜 ( d ) 方式四 图2 9 高压变频器及旁路一次接线方式 2 5 2 变频系统的工、变频切换方式选择 对于电动机变频起动方式，变频器输入的电网电压经历了整流、逆变后，变频器输出电压的相序、相 位与电网电压已经无关。当电机由变频供电投入电网的瞬间，如果二者相位刚好反相，则将产生比直接起 动时的起动电流更大的冲击电流。因此，电动机由变频切换到工频时，投入瞬间定子绕组中感应电压的大 小、相位将影响到能否平稳切换。 供电方式切换采用手动切换时，保护配置的切换可由人工完成；但当供电方式的切换采用自动切换时， 保护配置的切换则需自适应完成。变频器常用的输出切换方式如图2 1 0 所示。 ( 1 ) 冷切换：在变频器停电时进行切换，将电机的驱动电源由变频器切换到工频电源，或者由工频电 源切换到变频器，切换完成后再开机运行。这种方式最为简单，只要增设两个适当容量的断路器或接触器 即可，切换过程既可以手动也可由p l c 控制。但是由于电动机拖动的负载一般不允许突然停车，所以这种 切换方式不常用。 ( 2 ) 热切换：在变频器运行中进行带电切换，具体又可以分异步切换和同步切换。 异步切换：系指只检测电压的幅值和频率，而不检测电压相位的切换方式。当电机在变频器的控 制下，转速达到额定值且变频器输出电压的频率与电网频率( 5 0 h z ) 一致时，将电机从变频器驱动切换到工 频电源驱动。由于电机容量比电网小很多，切换过程对电网的影响可忽略。但是必须防止切换时电网电压 对变频器功率器件的冲击，以免造成变频器跳闸或器件的损坏【1 4 1 。异步切换最严重的情况出现在高压变频 器输出电压与电网电压的相位差1 8 0 度时，会造成很大的冲击电压和电流，冲击电流最大可达额定电流的 3 0 倍左右。这种方式要求系统能够容许切换时的冲击和转矩变化，一般只用