直接空冷系统变频控制原理及故障分析文档格式.docx

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第五列：

MAG70AN01~05

控制方案的基本思想是：

通过控制空冷风机的转速达到控制汽轮机背压的目的，背压设定值5~60Kpa可调，为了保证机组运行安全，背压受机组负荷限制，限制曲线如图2-1所示，当机组负荷在0-20%之间时，背压报警值为20kPa、跳机值25kPa；

当机组负荷在80%-100%之间时背压的报警值为60kPa、跳机值65kPa；

当机组功率在20%-80%之间时，背压的报警和跳机值按照图中的线性关系变化。

背压控制回路的输出值在设定范围Y=0~100%内变动。

根据风机的启停顺序，该输出值转变为4~20mA的电流信号到每台风机的变频装置，由变频器控制风机的实际转速。

各风机的启动/停止曲线如图2-2，控制系统逻辑如图2-3。

1．启动/停止顺序：

1）当控制器输出大于5%（5~20%可调）时，逆流风机传动机构的变频器：

MAG30/40/50/60/70AN03以9.09%（可调）的最低速度运转，速度按背压的偏差进行计算。

控制器输出5%~40%（可调）线性对应逆流风机9.09%~45.5%转速；

控制器输出45.5%~72.7%（可调）线性对应逆流风机40%~80%转速；

控制器输出80%~100%（可调）线性对应逆流风机72.7%~100%转速。

2）当逆流风机传动机构的变频器：

MAG30/40/50/60/70AN03速度达到40%转速后，变频调速顺流风机传动机构（第2组C2）：

MAG30AN02/AN04

MAG40AN02/AN04

MAG50AN02/AN04

MAG60AN02/AN04

MAG70AN02/AN04

以9.09%（可调）的最低速度开始运转，速度按背压的偏差进行计算。

控制器输出40%~60%（可调）线性对应第2组顺流风机9.09%~45.5%转速；

控制器输出60%~80%（可调）线性对应第2组顺流风机45.5%~72.7%转速；

控制器输出80%~100%（可调）线性对应第2组顺流风机72.7%~100%转速。

3）当第二组顺流风机传动机构的变频器：

速度达到60%转速后，变频调速顺流风机传动机构（第1组C1）：

MAG30AN01/AN05

MAG40AN01/AN05

MAG50AN01/AN05

MAG60AN01/AN05

MAG70AN01/AN05

以9.09%（可调）的最低速度开始运转，速度按背压的偏差进行计算，控制器输出60%~80%（可调）线性对应第2组顺流风机9.09%~72.7%转速；

控制器输出80%~100%线性对应第2组顺流风机72.7%~100%转速。

4）当第1组顺流风机转速达到72.7%时，变频调速逆流风机传动机构、第1组变频调速顺流风机传动机构和第2组变频调速顺流风机传动机构：

MAG30AN01/AN02/AN03/AN04/AN05

MAG40AN01/AN02/AN03/AN04/AN05

MAG50AN01/AN02/AN03/AN04/AN05

MAG60AN01/AN02/AN03/AN04/AN05

MAG70AN01/AN02/AN03/AN04/AN05

同时以72.7%的转速运转，并以相同速度上升到100%转速。

停止程序按启动程序的逆过程执行。

5）变频风机子功能组顺控启动顺序：

a.启动风机油泵；

b.油压正常，启动变频风机；

c.投入变频风机自动调节。

其中：

D为逆流风机C1为第一组顺流风机C2为第二组顺流风机

图2-1风机启停曲线

6）风机启动允许条件：

a.油压正常

7）风机保护停条件：

a.风机齿轮箱油压开关动作；

b.风机振动开关动作。

2闭环控制说明：

闭环控制的主要任务是将汽轮机背压调整到合理的范围内，其控制逻辑原理见图2-2，背压值的设定参照以下原则由运行人员手动设定：

1）当旁路系统运行，机组未并网时，汽机的排汽压力设定为50Kpa

2）当汽机准备进行冲转操作前，将汽机的排汽压力设定值改为20Kpa

3）机组正常运行大于负荷180MW后，将汽机的排汽压力设定值改为15Kpa

4）夏季运行时环境温度32℃时，将汽机的排汽压力设定值改为34Kpa

5）冬季运行时环境温度小于3℃，某列的任一个凝结水温度小于15℃时，运行人员可根据实际负荷相应增大汽轮机排汽压力设定值

闭环控制共有29个控制回路（25台风机+3个层操+1个主控），整个控制系统共设两层控制站

第1层为每台风机设计一个手操器。

第2层设三个同操器：

所有逆流风机（5台）设一个同操器，第1组顺流风机（10台）设一个同操器，第2组顺流风机（10台）设一个同操器。

3、冬季保护逻辑

1）顺流凝汽器的冬季保护：

以第一列为例

条件:

a.逆流凝汽器的冬季保护未触发。

b.本列的任一个凝结水温度小于20℃。

c.环境温度小于3℃。

动作过程：

本列逆流风机被闭锁在当时的转速不变；

本列顺流风机以10%/min的速度下降，只有当本列的凝结水温度都大于30℃后，顺流风机才停止下降，并以10%/min的速度上升至以被闭锁的控制器的输出值；

否则将使顺流风机降到零,如果凝结水温度仍然低于17℃,逆流风机将以10%/MIN降低转速，直至凝结水温高于19℃。

2）逆流凝汽器的冬季保护：

a.顺流凝汽器保护未触发。

b.抽气温度小于20℃。

本列的顺流风机将被闭锁在当时的转速不变，本列逆流风机以10%/min的速度下降，只有当本列的抽气温度大于30℃后，逆流风才停止下降，并以10%/min的速度上升至以被闭锁的控制器的输出值；

否则将使逆流风机降到最低转速，直至风机停转，如果抽气温度仍然低于17℃,顺流风机将以10%/MIN降低转速，直至抽气温高于19℃。

3）逆流凝汽器的回暖循环

条件：

当环境温度小于零下2℃时，逆流风机的回暖循环将被启动。

第一列的逆流风机将被停运10分钟，然后该风机重新启动至控制器输出所对应的转速值，延时20分钟后，第二列逆流风机开始停运进行回暖，直至第五列也停运进行加暖后完成一个循环。

只有当环境温度大于1℃时，其回暖循环才会停止，风机投入自动运行。

手动设定背压

＋－

实际背压值

机组负荷

Ｆ１（ｘ）

停机线

报警线

三、空冷风机变频原理分析

变频器分为交一交和交一直一交两种形式。

交一交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器，而交一直一交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。

我公司采用的空冷风机变频器属于间接式变频器，其原理如图3-1所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，分述如下:

图3-1变频器结构原理图

1、整流器：

功率整流器是一个半控式桥式电路，它对三相交流电源电压进行整流并产生恒定的直流传输线电压Vd，如图3-2

图3-2整流器前后波形

整流器下部的一个串联的电阻器通过一个二极管与电源端连接，它是一个预充电装置，能够防止浪涌电流。

2、中间直流环节：

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。

因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。

这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器来缓冲，它可以使得整流器输出电压变的平滑。

在整流器和中间电路之间安装的输入轭流圈，其作用是使线电流变的平滑，减少系统的混乱，另外，为了保证安全，在直流传输中还安装有一个高速熔断器。

3、逆变器：

逆变器通常由六个大功率晶体管及相应的六个反并联的二极管来完成，这里问题的关键是何时控制六个晶体管的导通，才能得到我们所需要的U.V.W输出。

我们姑且将六只晶体管分为U.V.W三相，对每一相的上下两只晶体管分别称为该相的上臂和下臂。

很显然，对于每一相的上下两臂是不能同时导通的，不然，不仅不能得到电机定子所需电压，而且还会出现直流环节的两极直接短路导通，将引发事故（称为直通现象），这是千万应该避免的。

其中与功率管反并联的六只二极管，称为续流二极管。

因电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量，它们为无功分量返回直流电源时提供通路。

另外，当同一相的上下两臂处于交替切换时，为防止直通现象，在某一段时间内.物理上要求两管均处于截至状态，因而只有另两相中的两只管工作，也不时地需要续流二极管提供续流通路。

在保证不直通的情况下，假设我们按以下的规律来控制晶体管导通:

T1.T6.T5T1.T6.T2T1.T3.T2T4.T3.T2T4.T3.T5T4.T6.T5

我们来分析在一个周期内，线电压Uuv.Uvw.Uwu的波形。

在一个周期内画出各个管子的工作状态如图3-3所示。

图3-3逆变桥通断情况

根据上述的结果，得到各自的波形如图3-4所示。

图3-4逆变后简单波形图

从波形图我们可以看出，输出的波形虽然很粗糙，但是己经为交变的了，我们只要按照一定的规律去控制六个晶体管的导通顺序和导通时间，便可以将直流电逆变成类似与正弦波的交流电。

如图3-5

图3-5逆变后的正弦波交流电

4、控制回路：

控制回路基于空间电压矢量原理来设计，另外增加了限制和补偿电路，其结构框图如图3-1，控制回路的作用简述如下：

转速设定值来之于DCS系统或就地控制面板，经过一个函数发生器后，它具有了转速、旋转方向、升速时间、制动时间等特性。

马达所需要的设置电压矢量通过频率-电压特性曲线得到，该特性曲线由设置电压矢量坐标图确定。

通过测量马达输出电压，利用一个坐标转换器，得到实际电压矢量，设置电压矢量和实际电压矢量的差值，结合远方发来了操作命令，控制脉冲发生器，产生逆变器的控制指令，来控制六个晶体管的导通顺序和导通时间。

转差补偿回路的作用是当系统过载时，通过增加频率，可以补偿异步电动机速度的衰减。

通过转差补偿使转速偏差小于1%，因此我公司空冷风机不需要转速传感器进行测量。

电流限制回路的作用是当马达电流达到极限时，通过减少频率，使电流和力矩不会超过允许的极限。

电压限制回路的作用是当马达制动时，中间电路电压会升高，通过增加频率，使中间电路电压不会超过极限。

在该控制回路中建立有马达热模型，通过该模型，可以智能计算马达最长过载时间，及时调整马达电流极限。

对电机进行热保护，避免故障停机。

该控制回路具有如下优点：

（1）较高的经济性，供给马达的电压值和实际负荷保持一致。

（2）较低的热损，保证在最小的开关切换频率下形成正弦波电流。

（3）最小的马达噪音。

通过电压矢量产生的脉冲阵列将避免在马达噪音频谱中出现明显的单频噪音。

四、常见问题分析：

在空冷变频系统运行半年多时间，发生过以下典型事件：

1、变频器超温，发生过因变频器温度超过75℃，而使风机跳闸的事件，

在空冷变频室内装有25台空冷变频柜，在输出额定功率为145kVA下，每面变频器柜最大功率损耗：

4300W；

每面变频器柜柜顶上配置有一台冷却风机，每台风机风量：

1200m3/h。

经计算，每个变频器室总设备散热量：

107.5kW；

冷却风机总排风量：

30000m3/h。

变频室靠近汽轮机低压缸，环境温度较高，约为30℃，原设计有二台新风机组空调器，每台空调器额定制冷量：

30kW；

额定风量：

5000m3/h。

远远满足不了散热要求，经计算，为满足变频器室室内温度不超过40℃的要求，变频器室需增加47.5kW的空调冷量。

另外采购了一台风冷冷风型立柜式空调机，每台空调机额定制冷量：

63kW；

14000m3/h。

根据变频器生产厂家的资料，变频器柜内IGBT冷却板允许最高温度：

75℃：

CPU允许最高温度：

120℃。

每面变频器柜内设有5个温度传感器，柜内温度差要求不超过5℃。

因此，将变频器柜内的热风采用有组织的排风方式直接由风管排至室外，可降低空调系统的出力。

因此在每个变频柜顶部增加风道，在风道尾部增加轴流风机，将变频器产生热量排出室外。

经过改造，变频室温度在夏季保持在35℃以下，较好地解决了变频器散热问题。

2、风机设定转速与实际转速偏差大，最大时偏差超过7%，而且数量较多，25台中有10台偏差超过3%。

空冷风机是三相交流异步电动机，电机级数为三对，轴功率N为104Kw，风机设定转速和频率的关系按照如下公式计算：

n设=60f（1-s）/3，其中s为转差率。

在马达热模型中，风机实际转速按照如下公式计算：

N=nM/950M=Kn2

其中N为轴功率，M为转矩，通过测量马达电流和电压，利用风机热模型，便可求出实际转速。

通过分析，我们进行了如下解决方案：

（1）排除电缆干扰问题，拆除变频器上转速模拟给定信号线，将标准信号发生器输出接入此端子并调整为4mA，拆除变频器上转速反馈输出线，将标准信号测量装置接入此端子，启动空冷风机，通过信号发生器将设定转速逐步调整到额定转速的40%，60%、80%、92%、100%，并记录转速稳定后标准测量装置的读数。

如果转速设定与反馈一致，说明变频器本身没问题，需要检查电缆干扰问题。

但测试结果是转速设定与反馈不一致，说明变频器本身有问题

（2）接下来我们试图通过软件修正的方式来解决问题，根据绘制曲线在变频器内部进行程序校正，但经过修正后，试验效果不理想，因为其偏差不是固定常数，规律性太差。

（3）经过以上试验，我们判断为主板上个别元器件特性发生变化，需要更换主板。

经过更换主板后，故障得以消除。

五、经验和建议：

空冷变频器经过安装及运行维护，我们也积累了一些经验及对同行的建议

1、变频器由主回路和控制回路两大部分组成，由于主回路的非线性（进行开关动作），变频器本身就是谐波干扰源，所以对电源侧和输出侧的设备会产生影响。

与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其它装置产生的干扰，造成变频器无法工作。

因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取如下抗干扰措施。

（1）、将控制电缆与主回路电缆或其它动力电缆分离铺设，分离距离通常在30cm以上（最低为10cm），分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。

（2）、控制信号必须单点接地，接地线不作为信号的通路使用，一般在DCS侧接地。

　（3）、装有变频器的控制柜，应尽量远离大容量变压器和电动机。

其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备。

（4）、防止接触不良，对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。

2、必须定期清理变频柜滤网及柜内积灰，一方面利于散热，另一方面防止元器件短路。

参考文献:

参考文献:

王志祥,朱祖涛.热工控制设计简明手册水利电力出版社,1995.11

王志祥热工保护与顺序控制中国电力出版社1995.11

作者简介:

刘炫1971-工程师从事电厂热工管理工作.