（电气工程专业论文）对焦炉煤气鼓风机运用高压变频器的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 对焦炉煤气鼓风机运用高压变频器的探讨 摘要 科学技术的发展，对于改变社会的生产面貌，推动人类文明向前发展，具有 极其重要的意义。电气自动化技术是多种科学的交叉综合，特别在电力电子、微 电子及计算机技术迅速发展的今天，电气自动化技术更是日新月异。毫无疑问， 电气自动化技术必将在建设提高国民经济中发挥重要的作用。 本文介绍了高压变频器在焦炉煤气鼓风机系统上的应用。焦化传统的焦 炉煤气鼓风机系统生产大多依靠高压鼠笼型电机全压启动运行来驱动，在煤气管 道上装设节流装置进行系统调控，这种控制方式存在很多的缺点，不能完全满足 焦炉稳定、长寿、安全生产的需要。为解决焦化行业的这一技术难题，经过多年 的研究，寻求较佳的方案，采用高压变频器来控制煤气鼓风机。通过对变频器的 研究，对于大容量的高压电动机，变频器经过技术方面的研究，实行单元串联多 电平进行高压交频调速是十分可能的，并在系统中采用可编程序控制器进行控制 和计算机进行监控，实现人机对话，更能有效的、安全的、最佳的效果来完成整 个系统的变频调速控制。本系统采用罗宾康高压变频器，被称为完美无谐波，对 电网无污染的功率输入，极大的提高了整个系统的安全可靠性。经过鼓风机的高 压变频的技术改造，变频技术与计算机控制技术结合在一起，使整个系统控制稳 定、可靠、调节容易、快速，取得了丰厚的硕果，解决了炼焦行业的难题，对稳 定鼓风机机前吸力和集气管压力起到了良好的作用。同时在节能及设备启动方面 也起到了很好的效果，为使用大容量高压变频器的选择使用等方面提供了有益的 经验。并阐述了该系统调控的特点及应用中遇到的主要问题作了详细分析，提出 解决系统故障的方法总结了宝贵的经验。 关键词焦炉_ 煤气鼓风机高压变频调控 可编程序控制器 集气管蝶阀 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o ni nt h ec o a lg a sa i r - b l o w e ro fc o k eo v e no fh i g h - p r e s s u r e f r e q u e n c yc o n v e r s i o n a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o ft h ea p p l i c a t i o ns u m m a r ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo ft h e h i g h - p r e s s u r ef r e q u e n c y0 0 n v e r t e ri nt h ec o a lg a sa i r - b l o w e ro fc o k eo v e n f o r c h a n g i n gt h ep r o d u c t i o na p p e a r a n c eo ft h es o c i e t y ，p r o m o t et h eh u m a nc i v i l i z a t i o nt o d e v e l o pf o r w a r d ，h a v ee x t r e m e l yi m p o r t a n tm e a n i n g s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eh i g h - p r e s s u r e df r e q u e n c yc h a n g e ro nc o k eo v e n g a s b l o w i n ge n g i n es y s t e ma p p l i c a t i o n t h ec o k e dt r a d i t i o nc o k eg a sa i rb l o w e rs e r i a l p r o d u c t i o nm o s t l yd e p e n d su p o nt h eh i g h - p r e s s u r e dm o u s ec a g ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y e n t i r ep r e s s u r es t a r tt om o v ea c t u a t e s ，i n s t a l l st h et h r o t t l i n gg e a ro nt h eg a sp i p i n gt o c a r r yo nt h es y s t e mr e g u l a t i o n ，t h i sk i n do fc o n t r o lm o d ee x i s t e n c ev e r ym a n y s h o r t c o m i n g s ，c a n n o ts a t i s f yt h ec o k eo v e nt ob es t a b l ec o m p l e t e l y , t h el o n g e v i t y , t h e s a f e t yi np r o d u c t i o nn e e d i no r d e rt os o l v et h ec o k e dp r o f e s s i o nt h i st e c h n i c a l d i f f i c u l tp r o b l e m ，p a s s e st h r o u g hm a n y y e a r sr e s e a r c h ，s e e k st h eg o o dp l a n ，u s e st h e h i g l i - p r e s s u r e df r e q u e n c yc h a n g e r t oc o n t r o lt h eg a sb l o w i n ge n g i n e t h r o u g ht ot h e f r e q u e n c yc h a n g e rr e s e a r c h ，r e g a r d i n gt h el a r g ec a p a c i t yh i g h - t e n s i o nm o t o r , t h e f r e q u e n c yc h a n g e ra f t e rt h et e c h n i c a la s p e c tr e s e a r c h , t h ei m p l e m e n t a t i o nu n i t c o n u e c t st h em u l t i - l e v e l st oc a r r yo nt h eh i g h - p r e s s u r e df r e q u e n c yc o n v e r s i o n v e l o c i t ym o d u l a t i o ni se x t r e m e l yp o s s i b l e ，a n d u s e st h ep r o g r a m m a b l ef o r e w o r d c o n t r o l i e ri nt h es y s t e mt oc a x r yo nt h ec o n t r o la n dt h ec o m p u t e rc a r r i e so nt h e m o n i t o r i n g ，t h er e a l i z a t i o nm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，c a ne f f e c t i v e ，b es a f e ，t h eb e s t e f f e c tc o m p l e t e st h eo v e r a l ls y s t e mt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o n c o n t r 0 1 t h i ss y s t e mu s e st h er o b i c o nh i g l lp r e s s u r ef r e q u e n c yc h a n g e r , i sc a l l e d p e r f e c t l yd o e sn o th a v et h eo v e r t o n e ，d o e sn o th a v et h ep o l l u t i o nt ot h ee l e c t r i c a l n e t w o r kt h ep o w e ri n p u t ，e n o r m o u se n h a n c e m e n to v e r a l ls y s t e ms e c u r i t yr e l i a b i l i t y a f t e rt h ea i rb l o w e rh i 曲- p r e s s u r e d f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o n s ，t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g yu n i f yi nt o g e t h e r , c a u s e st h eo v e r a l ls y s t e mc o n t r o ls t a b l e ，r e l i a b l e ，t h e 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a d j u s t m e n tt ob ee a s y , t ob ef a s t ，h a so b t a i n e dt h er i c hg r e a ta c c o m p l i s h m e n t ，h a s s o l v e dt h ec o k i n gp r o f e s s i o nd i f f i c u l tp r o b l e m ，p l a y e dt oi nf r o n to ft h es t a b l ea i r b l o w e rm a c h i n es u c t i o na n dt h ec o l l e c t i n gp i p ep r e s s u r et ot h eg o o dr o l e m e a n w h i l e s t a r t e dt h ea s p e c ti nt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt h ee q u i r i m e n ta l s ot og e tu pt ot h e v e r yg o o de f f e c t ，f o ru s e dl a r g ec a p a c i t yh i g h - p r e s s m e df r e q u e n c yc h a n g e ra s p e c ta n d s oo l lc h o i c eu s ch a sp r o v i d e dt h eb e n e f i c i a le x p e r i e n c e a n de l a b o r a t e di nt h i ss y s t e m r e g u l m i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea p p l i c a t i o nm e e t st h em a i nq u e s t i o nh a sm a d et h e m u l t i a n a l y s i s ，p r o p o s e dt h es o l u t i o ns y s t e mf a i l u r em e t h o ds u m m a r i z e dt h ep r e c i o u s e x p e r i e n c e k e yw o r d s c o k eo v e n g a sb l o w i n ge n g i n e h i g hp r e s s u r ef r e q u e n c y c o n v e r s i o n r e g u l a t e st h ep r o g r a m m a b l ef o r e w o r d c o n t r o l l e r g a t h e ro ft r a c h e a b u t t e r f l yv a l v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 焦炉煤气鼓风机系统的稳定运行，是维持焦化生产乃至钢铁联合企业的 命脉，在钢铁企业生产中处于十分重要的位置。焦化厂传统的焦炉煤气鼓风 机系统生产大多依靠高压笼型电机全压启动运行来驱动，并在煤气管道上装设节 流装黄、煤气循装置进行系统的调控，以维持系统的生产与稳定。这种传统的驱 动和调控方式，由于存在设备启动困难、对电网及设备冲击大，系统参数受控状 态仍有较大波动幅度、系统能量损失大等缺点，不能完全满足焦炉稳定、长寿、 安全生产的需要，因此焦化生产企业的有关工程技术人员多年来，一直在寻求该 系统较好的驱动和调控技术，争取解决焦化行业的这一技术难题。 1 1 1 实际情况 焦炉煤气鼓风机是焦化生产的关键设备，它对保证焦炉正常清洁生产、稳定 焦炭质量、延长炉体寿命、节约能源起着重要的作用。通钢焦化厂现有焦炉三座， 分新炉( 双集气管) 和旧炉( 单集气管) 。新炉用一套鼓风冷凝系统。有两台煤气 鼓风机，1 # 风机挂在i 段母线上，2 # 风机挂在i i 段母线上，现为一开一备。 焦炉生产的特点是煤气发生量很不稳定，而且有时变化量较大( 当加煤和推 焦时) 。鼓风机调节的实质就是使其输送量跟上煤气发生量的变化，传统的调节手 段( 风机出入1 ：3 节流、大小循环等) 很难达到这一目的，所以，集气管压力很不 稳定。 1 1 2 实施变频技术 在全国同行的感召下，在这方面作了有益的偿试，并取得了较好的效果，希 望能够起到了抛砖引玉的作用，早日见到焦化同行更加完善的技术方案。现采用 一套变频调速装置进行技术改造，其中1 # 、2 # 风机共用一套变频设备，集气管 压力自控制装置主控单元采用工业控制计算机，根据不同波形采取不同的控制参 数来响应，对高压变频器进行自动控制，达到节能、焦炉集气管压力稳定的目的。 交流电机的变频调速，以其强大的特性而优越于其它的凋速方式，特别是能够实 1 东北大学硕士学位论文 第一章引言 现非阶梯地连续改变速比的同时，可以挖掘风机及管网节流装置的节能潜力，因 而在许多领域得到广泛应用。在组织对高压变频技术进行了考察论证的基础上， 确定采用高压变频技术作为焦炉煤气鼓风桃的驱动调控方式。 1 2 改造前技术分析 原有调控方式在生产工艺方面的缺点如图1 1 图1 1 鼓 团 风机工艺图 f i g1 1a i rb l o w e r sc r a f t sc h a r t 1 2 1 阀门调整 调节吸入或出口阀门，当吸入口阀门关小时，煤气通路减小，发生节流作用， 煤气鼓风机的输出量及总压头相应减小。鼓风机前吸力很大，空气易吸入而不够 安全，此外，鼓风机的功率消耗将增大。调节出口阀门，除鼓风机前吸力不致过 大外，也存在着浪费能量和煤气温度升高的问题，还易造成轴密封发生泄漏。 1 2 2 循环管调整 2 东北大学硕士学位论文 第一章引言 调节小循环管或调节大循环管。调节小循环管，操作虽方便，因煤气再次压 缩，造成煤气温度过高，会发生轴瓦损坏事故。调节大循环管，经初冷器冷却后 再送入风机，煤气量过小时，经多次循环，温度问题不能彻底解决。 原调控方式在机前设置了吸力自动调节蝶阀，出入口阀门、小循环管和大循 环管，操作时配合进行调节。在实际运行中，稳定集气管压力是通过调节机前吸 力蝶阀和调节循环管阀门，达到稳定集气管压力的，由于煤气鼓风机处于恒转速 电机拖动，风机转速无法调节，稳定工艺调整环节多、操作麻烦，吸力稳定性差， 对集气管压力稳定运行造成很大影响。 1 2 3 技术指标 现使用的煤气鼓风机型号为d 9 0 0 - - 2 3 额定能力为5 4 0 0 0 m 3 h 电机为j b o s 0 0 s - - 28 0 0 k w 实际平均输出煤气量3 9 0 0 0 m 3 1 1 煤气鼓风机在设计上存在一定富裕量，能耗大，运行效率低，存在“大马拉 小车”的现象，电动机带动的鼓风机通常用调节鼓风机前后的阀门的方法来改变 输送量和压力( 吸力) ，采用出入口阀门进行调节，为避免发生“飞动“现象，一 般要求电机电流不应小于额定电流的6 0 ，同时由于节流装置的作用，也造成能 源浪费情况。 1 3 改造后工艺技术优势 变频调速技术改造焦炉煤气鼓风机系统的调控方式，既有技术优势，也 有节能条件。 1 3 1 变频调速的特点 交流电机变频调速就是改变电动机电源频率的一种调速方式，交流调速的基 本原理是通过改变电动机定子供电频率来调节电动机的转速，并能满足一定转矩 的调速方式，这种调速方式称为交流电动机的变频调速，随着微电子技术和电力 电子技术的快速发展，变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高，高压变频器 发展及应用，微处理机功能不断增强，使变频器从单一的调速功能发展成含有逻 辑和智能控制的综合功能；在改变压比特性的同时，能实现矢量控制和转矩直接 控制，不但实现宽调速，还可以进行伺服控制。变频调速器有如下特点： a 、节能效果明显，控制及保护功能完善、机械特性硬，能保证拖动系统稳定、 3 东北大学硕士学位论文 第一章引言 调速范围宽，平滑性好，可实现无级调速。 b 、可实现软起动，对电网及在线运行的其它传动系统无冲击，启动平稳。设 备使用寿命长。一般异步电动机直接启动电流为额定电流的5 7 倍，而变频器的 异步电机启动不超过其额定电流的1 5 2 倍。 c 、易实现生产过程自动控制。与自动检测仪表配合，可对一些流量、压力进 行控制。 经过多方考察发现，高压变频技术在本行业同类型设备上，虽然尚无十分成 功的应用，但在国外及国内其它行业已普遍认可为成熟技术，因此，采用该技术 改造原有焦炉煤气鼓风机系统调控方式不会有太大的技术风险。 1 3 2 煤气风机的特点 根据离心式鼓风机特性：q 1 = q ( n l n ) ，h l = h ( n l n ) 2 ，n l = n ( n l n ) 3 ，( 式中： h 1 一实际压头，喇定压头，n 1 风机实际轴功率，n 一风机额定能力所需轴功 率，q 1 一实际流量，q 额定流量，n l 一实际转速，棚定转速) ，随着转速变 化，鼓风机输气量、总压头及轴功率相应改变，从特性可知，鼓风机转速与流量 成正比，轴功率与转速3 次方成正比，实际需要的能力与鼓风机额定能力相比尚 有一定富裕，可通过变频调速技术挖掘出较大的节能潜力。 1 3 3 变频器的投入改变工艺设备的运行状况 1 ) 鼓风机前吸力不够稳定，经常造成集气管压力波动，影响焦炉的正常生产。 由于煤气鼓风机属于恒转速电机拖动的设备，风机转速无法调节，是通过调节机 前吸力蝶阀和调节循环管阀门来保持吸力稳定，环节多、操作麻烦，吸力不稳， 使集气管压力波动，对焦炉生产产生不稳定因素。通过变频调速技术的应用可提 高和改善生产工艺的工艺稳定状况。 2 ) 采用变频器调速技术后，能够提高设备运行效率和设备经济运行效果。 3 ) 可解决风机起动困难，一般情况，煤气鼓风机6 个月倒一次机，每次倒机， 风机在起动时，起动电流对电网冲击大，继电保护易动作，起动很困难，起动冲 击对鼓风机及电动机的使用寿命和性能有很大的影响，采用变频调速以后可实现 冲击起动。 4 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 第二章高压变频技术 2 1 高压变频器 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变 频调速技术也得到了广泛的应用。 2 1 1 现代高压变频器发展状况 高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机 调速控制的要求，以提高生产的产量和质量，又可大幅度地节约能源，降低生产 成本。 近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变 频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式，可分为直接高压型和高低 一高型；根据有无中间直流环节，可分为交一交变频器和交一直一交变频器。在 交一直一交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型( 也称电压 型) 和电流源型( 也称电流型) 。高低一高型变频器采用高压器实行输入降压、 输出升压的方式，起实质上还是低压变频器，只不过从电网和电动机两端来看是 高压的，是受到功率器件电压等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输入、 输出变压器，存在中间低压环节电流大，效率低下、可靠性下降、占地面积大等 缺点，只用于一些小容量高压电机的简单调速。常规的交交变频器由于受到输 出高压限制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。直接高压交一直一交变频器 直接输出高压，无需输出变压器、效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛。 评价高压变频器的指标主要有成本、可靠性、对电网的谐波污染、输入功率因数、 输出谐波、d u d t 、共模电压、系统效率、能否四象限运行等。顺便指出，我们习 惯称作的高压变频器，实际上电压一般2 3 l o k v ，国内主要为3 、6 和l o k v ，和 电网电压相比，只能算作中压，故国外常称为中压变频器( m e d i u m v o l t a g ed r i v e ) 。 2 1 2 高压变频器发展前景 高压变频器正向着高可靠性、低成本、i 每输入功率因数、高效率、低输入输 出谐波、低共模电压、低d u d t 等方向发展。电流源型变频器技术成熟，且可四 象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐 波对电动机的影响等问题，使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要求四象 限运行的设备，单元串联多电平p w n 电压源型变频器在输入与输出谐波、效率和 输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景。 2 2 交一交变频器 5 东北大学硕士学位论文 第二章高压变颊技术 本系统采用的高压变频器是交一交变频器，交一交变频器不需要中间环节， 又称为直接变频器。可以输出频率和电压均可连续调节的交流电，为交流机提供 了一种比较理想的变频电源。这种变频器本身具有再生制动能力，组成的变频调 速系统的特征与晶闸管变流器调节电枢电压的直流电动机调速系统相类似。在低 速、大功率的交流传动中得到了广泛的应用。 2 2 1 交一交变频器工作原理 交一交变频器的工作原理比较容易理解，与相控整流器的原理没有本质的区 别，现在以三相输入单相输出的交一交变频器为例，来说明它的简单的原理过程。 三相一单相变频器由两组三相零式整流器组成如图2 2 所示， a b c 拳奉奉 u 去2i 、阻i pj 9 | i q 啦 z 图2 1 三相单相交交变频器 f i g2 】o t r e e - p h a s en | i s t si n t e r s e c t i o n so h a n d so v e rt h ef r e q u e n c yc h a n g e r 其中z 为负载，如果仅正组整流器工作( p 组工作) ，可向负载z 提供反向电流i p ； 如果仅反组整流器工作( n 组工作) ，则可向z 提供反向电流i q ，不断的切换p 组 和n 组整流器，负载z 中即可获得交变的电流。认为的为改变两组整流器的切换 频率，就可以改变负载电流的交变频率，这就是交交变频器的简单工作原理。 加在负载z 上的电压的大小和波形，可以通过控制正组或反组整流器的控制 角n 来现。三相零式或桥式整流电路的输出直流电压平均值u d 可以用下式表示 u d = u d i + c o s a ( 2 1 ) 式中舭控制角； u d i 吨= 0 0 时输出电压的平均值。 改变旺的值可以改变输出电压的平均值的大小，这是不言而喻的。( 1 ) 下面说明怎样改变输出电压的波形。如果变频器的输出频率f o 远低于电网的 频率f1 ，通过对c t 角的“调制”即可控制加在负载上电压的波形。比较简单的一 6 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 种情况，是在正组( 或反组) 整流器工作是保持旺为某一特定值不变，这样加在 负载上的平均电压波形显然是矩形波。通常希望加在负载上电压平均值的波形为 正弦波形，这就需要对控制角旺不断的加以改变。如图2 2 u d 口= g o 。 4 = c t m i x x4 td = 9 0 。 图2 2 控制角电压曲线 f i g2 2c o n l r o l sa n g l e sv o l t a g ec u r v e 如果将输出单相交流电压的正弦波( 或者负半波) 看作是直流脉动i 廿。， 若希望其平均值随时间正弦规律变化，则正组( 或者反组) 整流器的控制角应连 续改变。在输出电压的半个周期内使a 角由9 0 0 连续减小至a a 。m 接着再连续增 加到9 0 0 ，则输出直流脉动电压的平均值u d 可以逼近正弦波形，人们把这种在控 制上连续地按特定规律改变控制角旺的方法，称为调制式相位触发。( 2 ) 2 2 。2 交交变频器分类 交交变频器的分类可以直接将恒频，恒压的交流电变换成变频变压的交流 电，无需中间直流环节，故又称为直接式变频器，相应地交一直一交变频器又常 称为间接式变频器。从不同角度出发，交一交变频器可有不圊的分类方法，见表 2 1 2 3 单元串联多电平p w m 电压源型变频器 单元串联多电平p 删电压源型变频器采用若干个低压p w m 变频功率单元串联的 方式实现直接高压输出。该方案由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美 无谐波变频嚣。该变频器具有对电网谐波污染小、输入功率因数高t 不必采用输 入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附 加发热和转矩脉动、噪声、输出d u d t 、共模电压等问题，可以使用普通的异步电 动机。( 3 ) 东北大学硕士学位论文第二章高压变频技术 表2 1 交交变频器分类 t a b l e2 。1h a n d so v e ro h a n d so v e rt h ef r e q u e n c yc h a n g e rc l a s s i f i c a t i o n 2 3 1 单元串联多电平变频器原理 单元串联多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来实现高 压输出，其原理如图2 3 所示。 8 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 v u 图2 3 电压叠加原理 f i g2 3v o l t a g e sp n c i p l eo f s u p e r p o s i t i o n 6 k v 输出电压等级的变频器主电路结构如图2 4 所示。 2【2工z f l + v t i 喀v t 3 j 略 iii 一 一 ， 一 一 一v t 一降w 4 j 唪 】王 22譬 t 1 t 2 图2 4 功率单元结构 f i g2 4p o w e r sc o l l u l a rc o n s l r u c t i o n 电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为 三相输入、单相的交一直一交p 喇电压源型逆变器( 4 ) 结构见如图2 5 所示。 将相邻功率单元的输出端串接起来，形成丫联结结构，实现变压变频的高压直 接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电， 9 垄些垄堂壁主堂堡垒查 苎三主查堡壅塑垫查 功率单元之间及变压器二次绕组之间互相绝缘。 n 工 一 丫i 丫6 0 0 0 v o 电动机 圈2 5 主电路结构 f i g2 5m a i nc i r c u i t ss t r u c t u r e s 对于额定输出电压为6 k v 的变频器，每相由5 个额定电压为6 9 0 v 的功率单元 串联而成，输出相电压最高可达3 4 5 0 v ，线电压可达6 k v 左右，每个功率单元承 受全部的输出电流，但只提供1 5 的相电压和1 门5 的输出功率。当每楣由3 个额 定电压为4 8 0 v 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为2 3 0 0 v ；当每相由额定 电压为4 8 0 v 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为3 3 0 0 v ；当每相由5 个 额定电压为4 8 0 v 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为4 1 6 0 v ；r 当每相由5 个额定电压为1 2 7 5 v 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为10 k v 左右。所 以，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的电流额定决定变频 器输出电流。由于不是采用传统哦器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整 个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题。由于串联功率单元较多， 对单元本身的可靠性要求很高。卿这种变频器的一个发展方向的采用额定电压较高 的功率单元，比如额定电压12 5 7 v 的单元，单元内可采用3 3 0 0 v 的i g b t ，以达 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 到在漫主输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少每相串联单元的个数，降 低成本，提高可靠性。 输入变压器实行多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。以6 k v 变频器 为例，变压器的1 5 个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5 个不同的相位组， 互差12 度电角度，形成3 0 脉波的二极管整流电路结构，所以理论上2 9 次以下 的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真1 ，如图2 6 所示。 圈2 6 单元串联多电平变频器输入波形 f i g2 6u n i t sc o n n e c tt h em u l t i l e v e l sf r e q u e n c yc h a n g e ri n p u tp r o f i l e 即使对于每相3 个功率单元串联的结构( 2 3 0 0 v 电压等级) ，整流电路是1 8 脉波结构，输入谐波电流失真也在3 n 以下。在交压器二次绕组分配时，组成同一 相位组的每三个二次绕住，分别给属于电动机三相的功率单元供电，这样，即使 在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，到达理 想的谐波抵消效果。这种变频器不加任何谐波滤波器就可以满足供电部门对电压 吓电流谐波失真的要求。由于采用二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无 功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可以保持在o 9 5 以上， 不必采用功率因数补偿装置。g 逆变器输出采用多电平移相式p w m 技术，同一相的功率单元输出相同幅值和 相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定点角度，实现多电平 p w m ，输出电压非常接近正弦波。如图2 7 为一6 k v 电压等级变频器的输出电压 和电流波形。 每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，d u d t 很小，使得电动机绝缘不会 受到影响。功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸 收电路，提高变频器的效率。由于采取多电平移相式p w m ，等效输出开关频率很 查些垄兰堡主兰竺堕墨篁三主壹墨壅塑垫查 高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，谐波引起的电动 电纺全 肌流 、 图2 7 单元串联多电平变频器输出渡形 f i g2 7u n i t sc o n n e c tt h em u l t i - l e v e l sf r e q u e n c yc h a n g e ro u t p u tw a v es h a p e 机发热、噪声和转矩脉动都大大降低。所以这种变频器对电动机没有特殊的要求， 可用于普通的高压电动机，也可用于旧电机，且不必降额使用。由于输出d u d t 很低，不会产生输出电缆较长时行波反射引起的浪涌电压增加而造成电动机绝缘 破坏问题，所以对变频器输出至电动机之问的电缆长度没有特殊限制。 与采用高压器件直接串联的变频器相比，采用这种主电路拓扑就够会使器件的 数量增加，对于6 k v 变频器，共使用6 0 个低压i g b t ，但低压i g b t 门极驱动功 率较低，其峰值驱动功率不到5 w ，平均驱动功率不到1 w 驱动电路非常简单。由 于开关频率很低，且不必采用均压电路和浪涌吸收电路，所以系统在效率方面仍 具有较大的又是，满载时，变频器效率可达9 8 5 以上，包括输入变压器和交频 器的总体效率一般可高达9 7 。由于功率单元采用电容滤波的电压源型结构，变 频器可以承受3 0 的电源电压下降而继续运行( 降额运行) ，并且在电网瞬时断电 5 个周期内还能满载运行。功率单元中采用前低压变频器中广泛使用的低压i g b t 效率模板，技术成熟、可靠。( 1 唧 由于采用二极管不可控整流电路结构，所以交频器对浪涌电压的承受能力较 强，雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器( 变压器的阻抗一般为8 左 右) 产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电，滤波电容足 以吸收进入到单元内的浪涌能量。另外，变压器一次侧安装了压敏电阻浪涌吸收 装置，起到进一步保护作用。而一般的电流源型变频器，输出阻抗很高，对浪涌 电压的吸收效果就远远不如电压源型变频器。 功率单元与主控系统之间通过光纤进行通讯，以解决强弱电之间的隔离问题和 干扰f - j 题。功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，维修也比较方 1 2 东北大学硕士学位论文 g _ - 章高压变频技术 便，每个单元只有3 个输入、2 个输出电气连接端和一个光纤插头与系统连接，所 以功率单元的更换十分方便。采用功率单元自动旁路技术可使变频器在功率单元 损坏的情况下继续运行( 降额运行) ，大大提高系统的可靠性。若采用冗余功率单 元设计方案，即使在功率单元损坏的前提下，还能满载运行。由于采用二极管整 流电路，所以能量不能回馈电网，不能四象限运行，主要应用领域为风机和水泵。 2 3 2 多重化整流电路 将几个桥式整流电路多重连结可以减少输入谐波电流，采用自换相整流电路 可以提高位移功率因数。本变频器采用的就是多重化联结的自换相整流电路。多 重化输入变压器的设计方法很多，本设计介绍其多重化的原理。 在下面分析中不考虑变压器漏抗引起的重叠角，并且假设整流变压器各绕组 的线电压之比为1 ：1 。( 1 ”为了分析方便，假定直流环节电流为恒定值，这种条件 一般在电流源型变频器中近似成立，在电压源型变频器中，直流环节电流则为脉 动状。 1 移相3 0 。构成1 2 脉波整流电路如图2 8 电路的原理图，整流变压器二次绕 组分别采用星形三角形联结，构成相位差3 0 。、大小相等的两组电压，加到两组整 流桥上。因绕组联结不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如图2 8 所式， 为1 ：1 ： ，爨 f f 一ci 矗 l22l i h u 僻 f2f2 1 磕 一 ，_ f i ri 、2王2 i i 。n ，_，_ 滞盾3 0 。 v 2 l _ 2王2l2 l 图2 81 2 脉波整流电路 f i g2 8 1 2p u l s ew a v e sl e v e l l i n gc i r c u i t 图2 9 为该电路输入电流波形图。 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 a b c d ij - a tt i d l l li ir 一广i ；列 lj ! ! ! ，南 i l 0 点! 丰：爿7 f j i l ，j jlh f 一 靴曩。 i 、1 趴 iii i 1 、ii 溏 ；辩a 毒 最l i , l l 肚j i ( 1 i i 孳。洒a j - j l 1 图2 91 2 脉波整流电路电流波形 f i g2 9 1 2p u l s e 碡豫v e sl e v e l l i n gc i r c u i tc u r r e n tw a v e f o r m 其中，图c 中的i 。是第1 i 组整流桥i 。折算到变压器一次侧u 相绕组中的电 流。图d 中输入电流i u 为图a 的i 。和图c 的i 。之和。 对图2 9 波形i u 进行傅立叶分析，可得其基波幅值a 。和1 3 次谐波幅值k ，分 别如下： 水譬i d 2 a 1 2 k 1 = 面击譬i d 旧l 朋，) ( 2 3 ) a 1 2 k 一1 i 五t 1 d 、一“一 ( 2 3 ) 即输入电流谐波次数为1 1 ，1 3 ，2 3 ，2 5 ，3 5 ，3 7 。其幅值与次数成反比 而降低。 该电路的其他特性如下： 输入电流有效值i 。= 1 5 7 7 1 a 输入电流总畸变率t h d i = 0 1 5 2 2 位移因数c o s t p l = c o s a 基波因数v ：( a l 2 ) i i = 0 9 8 8 6 功率因数x - - v c o s l p l = 0 9 8 8 6 c o s c t 2 移相2 0 。构成的1 8 脉波整流电路如图2 1 0 是其电路图， 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 图2 1 01 8 脉波整流电路结构 f i g2 1 0 1 8p u l s ew a v e sl e v e l l i n gc i r c u i ts t r u c t u r e 其中，整流桥采用简化画法。对于整流变压器来说。采用星形、三角形联合 组合无法移相2 0 。，这里第1 、i i i 绕组采用了延边三角形曲折联结。这种联结的 每相由对应于一次侧不同相的绕组串联而成，改变所取绕组的匝比可以实现任意 角度的相移。以一次侧每相绕组为1 时，通过求解图2 1 0 中第1 组桥u 。相绕组的 三角形可得图中绕组n i 、m 的匝数分别为 n i - 堂磐= 0 3 9 5 ( 2 4 ) s i n l 2 0 。 。母， 虬= 堂s i r e 2 0 = 。2 图2 1 l 为整流变压器一次侧输入电流i d 波形， 1 5 ( 2 5 ) 东北大学硕士学位论文 第二章高压变频技术 ( 1 + n x + 2 n r ) i d l 十2 n i - - + 2 0 r 3 1 9 0 0 的范围内，使整流器短时推入逆变状态，强制系统电流下降，以保护 晶闸管元件等。 2 3 东北大学硕士擘位论文第三章可编程序控制器控制 第三章可编程控制器控制 3 1 控制要求 由于煤气鼓风机是焦化生产的重要设备，要求2 4 小时连续运转不能停机，因 此，由二台电动机分别带二套鼓风机运行，二套系统互为备用。为节约投资，二 台电机由一台变频器驱动，为保证系统的安全性和可靠性，防止变频器单元受到 反向电压冲击，在变频器输出侧加装了隔离高压柜子，以保证任何时候只有台 电机变频运行，给电机1 # 、2 # 供电的二台高压开关柜要通过机械和电气的方法互 锁，同时考虑到变频器可能出现故障，保留原系统工频运行的高压开关，作为旁 路开关。 3 1 1 采用工业网络系统方案进行信号的传输及控制 本系统采用先进的现场总线( p r o f i b u s ) 技术，不仅解决了变电所和相距变 电所2 0 0 m 鼓风机操作室之间远距离的信号传输问题，同时将故障分散，提高了系 统的安全性，解决高压电气控制与煤气系统工艺的安全联锁问题。 3 2p l c 的组成与基本结构 3 2 1p l c 的基本组成 p l c 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为 核心的用作控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似。它主 要由中央处理器单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组成，其中c p u 是 p l c 的核心，i o 部件是连接现场设备与c p u 之间的接口电路，通信接口用于与编 程器和上位机连接。对于整体式p l c ，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式 p l c ，各功能部件独立封状，称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在机架 或导轨上。 无论哪种结构类型的p l c ，都可根据用户需要进行配置与组合。模块式p l c 在 i o 配置上更方便、更灵活。装有c p u 模块的机架，称之为基本机架，其它为扩展 机架。不同厂家生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模块数是不同的，一 般为3 一1 0 块。可扩展的机架数也不同，一般2