引言

某發(fā)電廠1000Mw超超臨界機組自用電量中泵和風機的用電量占80%以上。因此,隨著電力電子技術和交流傳動技術的發(fā)展,同時為了響應國家節(jié)能降耗的號召,新建機組陸續(xù)采用變頻技術對大功率的泵與風機進行了變頻改造,從而更好地控制凝水和風的流量。根據現場運行顯示,采用變頻技術調速后的泵與風機的耗電量一般可降低30%以上。該廠采用ZTsG移相變壓器和三菱公司的FR系列變頻模塊對凝泵進行了改造。本文將詳細分析ZTsG移相變壓器和FR系列變頻模塊的3項關鍵技術,并以此為基礎,總結凝泵變頻器正常運行與維護時的注意事項。

1凝泵變頻器關鍵技術分析

本文采用的ZTsG移相變壓器和三菱公司的FR系列變頻模塊的凝泵電氣系統(tǒng)原理圖如圖1所示,該變頻系統(tǒng)共包含了3項關鍵技術:

（1）變壓器二次側通過移相抑制一次側電流諧波:

（2）單個變頻模塊通過全橋整流將二次側交流電轉換為平滑的直流電:

（3）運用H橋變換器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o凝泵運行。

下面將詳細分析這3項技術的實現方法。

1.1移相變壓器實現諧波消除的原理

ZTSG移相變壓器參數如表1所示,其基本接線方式如圖2所示。

ZTSG移相變壓器原邊接入6kV母線側,為星型接法,副邊分為18個三角型接法,分別接入18個功率模塊中,如圖1所示。每個功率模塊額定輸出電壓為640V,相鄰模塊輸出串聯起來,每項6個模塊串聯,疊加電壓為3840V。三相共18個功率模塊,每個功率模塊承擔所有的功率電流,但只承擔1/6的額定電壓和1/18的額定功率。

18個副邊移相繞組根據其相位角超前于原邊還是滯后于原邊,可分為順延移相和逆延移相,其連接方式和相位圖分別如圖2、圖3所示。

根據圖2、圖3的相位圖,由三角函數關系可確定副邊繞組匝數比例:

式中,a為移相角度,其取值范圍為-o0～-o:U2為副邊線電壓:et為移相變壓器每匝電壓。

由此可以確定6個變頻模塊串聯時的變壓器移相角度和匝數,如表2所示。

根據傅里葉分析,其二次側折算到一次側3相電流的表達式為:

（1）當k=-時,一次電流中基波同相位疊加,不相互抵消,其幅值為:

(2）當k=6Ⅳ,Ⅳ=-、l、2、～…時,一次電流中的～6Ⅳ±l次諧波不會抵消:當k≠6Ⅳ,Ⅳ=-、l、2、～…時,各一次電流中的～6Ⅳ±l次諧波可以抵消。

(3）當k=6時,一次電流中的最低次諧波為～5次和～7次諧波,其值為:

小結:本節(jié)給出了ZTSG移相變壓器的參數,分析了順延移相和逆延移相的相位關系。根據移相角取值范圍,確定了6個移相角度,并通過傅里葉分析指出,當采用6個模塊串聯時,一次側電流中只有基波以及～6Ⅳ±l,Ⅳ=0、l、2、～…次諧波,其最低次諧波為～5次諧波,又被稱為～6脈波移相變壓器。

1.2FR變頻模塊實現整流的原理

每個功率模塊都能單獨實現整流和變頻,即其輸入側和輸出側都為交流電。其電氣原理圖如圖4所示。

分析該原理圖,由移相變壓器變換而來的三相電壓經過不控全橋變換器轉換為直流電源,再經過逆變器轉換為交流電源供給凝結水泵運行。整流部分原理圖如圖5所示。

其整流部分由6只三級管組成,其連接方式如圖5所示。

分析整流電路,對于上～只二極管(VDl、VD～、VD5）,為負極有公共點(N點）,因此在ll—l～時刻Uu波形在最高點,所以VDl導通。對于下～只二級管(VD2、VD4、VD6）,為正極有公共點(Ⅳ點）,因此在ll—l～時刻VD4和VD6輪流導通,得到的波形如圖5(c）所示。而經過電容濾波后就成為平滑的直流電了。

1.3FR變頻模塊實現逆變的原理

變頻模塊逆變部分由4只高功率可控三極管(IGBT）組成。經過全橋整流得到的直流電源輸入逆變器,當Vl、V2導通時,對凝泵電機輸出正電壓,如圖6點線所示:而當V～、V4導通時,對凝泵電機輸出負電壓,如圖6粗線所示。

FR變頻模塊其輸出電壓受到三極管控制信號的限制。H橋逆變電路中,三級管導通與否取決于三極管的控制極(基極）是否有控制信號輸入。當控制信號為正時,三級管導通(集電極和發(fā)射極之間導通）,輸出方波電平。FR變頻模塊采用sPwM控制方法(脈寬調制控制方法）,其控制信號為正弦波和三角波的選大后的波形,即當正弦波大于三角波時,控制信號為正,輸出方波。

FR變頻器采用6個模塊串聯的連接方式,首先分析兩個模塊串聯時產生的電壓波形。

FR變頻器兩個模塊串聯電路連接方式如圖7所示。

兩個功率單元輸入側分別由兩組移相變壓器的三相電壓整流得到,而由于兩個模塊的整流電路整流后得到的都是平滑的直流電,因此兩個功率單元輸入電壓之間沒有相位差。

兩個功率單元控制信號為兩組相差1809的三角波和正弦波經過比較器選大得出,如圖8所示。

從圖8可以看出,變頻器輸出電壓基本與控制信號一致,只不過電壓等級不一樣。V1、V2導通和V3、V4導通的主要區(qū)別在于實現了電壓反向,即當V3、V4導通時可以將輸入側的正電壓變換為等值反向的負電壓。

其輸出電壓為兩組方波疊加而成,類似于正弦波形。以此類推,當6個模塊串聯時,其控制信號為正弦波和6個互差60。的三角波比較得到。因此,其輸出電壓為6組方波疊加得到,更加接近于正弦波。

小結:ZTsG移相變壓器和FR系列變頻模塊通過使用移相變壓器抑制了一次側電流消除35次以下的諧波,使輸入電壓達到IEEE519一1992和GB/T14519一93標準:使用整流逆

圖8兩個變頻模塊串聯時控制信號和輸出電壓變技術實現了凝泵電機的變頻節(jié)能運行。

2凝泵變頻器運行參數分析及該廠使用變頻器的效益分析

2.1節(jié)約廠用電效果顯著

凝泵變頻器連接方式如圖9所示。

圖9凝泵變頻器連接電路圖

凝泵變頻運行參數如表2所示。

從表2可以看出,在滿負荷(1000Mw）時,凝泵變頻運行比工頻運行省電30.3%,負荷越低,省電效果越明顯,當負荷為500Mw時,變頻運行省電效果達到55.6%。因此,與工頻運行比較,變頻運行的節(jié)能效果非常明顯。

同時凝泵變頻運行后可以減少電機啟動時的電流沖擊,延長設備壽命,降低噪聲。

小結:大型汽輪發(fā)電機組凝泵推廣使用變頻調速器 , 可以大幅度降低廠用電率 ,減少發(fā)電 成本 ,提高競價上網的競爭能力 。

3   凝泵變頻器故障分析

(1）2011-06- 10 ,A凝泵變頻跳閘 ,B凝泵工頻聯動正常 。 檢查光字牌顯示"凝泵變頻跳閘""凝泵變頻重故障""任一 電 氣設備故障" 。  電氣檢修結果:V4變頻模塊故障 。

(2）2011-08- 12 ,監(jiān)盤發(fā)現凝泵變頻輕故障報警信號 ,現 場發(fā)現變頻小室有漏水 ,信號閃過4次 ,變?yōu)楣ゎl運行 。

(3）2013-06- 19 ,#13機組B凝泵變頻器重故障跳閘 ,A凝 泵工頻聯動正常 。  凝泵變頻器PLC面板顯示 "U2變頻單元異 常、變頻器單元保險熔斷、變頻單元直流電壓丟失"。

故障分析:前兩次故障發(fā)生的原因不是因為變頻器本身 故障 ,而是由于凝泵小室位于給水管道下 ,在雨天或者給水 管道滲漏時 ,雨水或者凝水滲入凝泵變頻模塊而發(fā)生故障 。

對于最近一 次發(fā)生的故障 , 為A相第二個變頻模塊保險 絲熔斷 。   由于過電流 ,模塊過熱或因模塊表面全是煤粉而影 響模塊的散熱 ,加上小室濕度大引起短路燒壞熔絲所至 。

因此 ,在日常運行中注意保持凝泵小室環(huán)境衛(wèi)生及合適 的溫度和濕度非常重要 。

4   結語

本文詳細分析了ZTsG移相變壓器通過采用移相技術抑 制 一 次側電流脈動 , 消除35次以下諧波的原理 ,使網側電壓 和電流達到IEEE 519— 1992和GB/T 14519一93標準 , 同時分 析了FR系列變頻模塊實現整流逆變技術的原理 ,給出了不同 負荷下凝泵變頻運行的一次電流 ,指出了機組采用變頻器后 顯著的節(jié)能效果 。  最后通過對凝泵的幾次故障分析 ,證明FR 系列變頻模塊能夠安全可靠的運行 。