垃圾發(fā)電廠變頻器應(yīng)用實(shí)例

陳日光

（廈門市環(huán)境能源投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361000）

火力發(fā)電廠中各種輔機(jī)為滿足主機(jī)出力波動(dòng)要求，多數(shù)風(fēng)機(jī)和水泵的流量均需要調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式為節(jié)流調(diào)節(jié)，存在反應(yīng)慢、調(diào)節(jié)精度低、能耗大等問題。而變頻器作為一種電能控制裝置，以其調(diào)節(jié)性能優(yōu)良、節(jié)能效果好等因數(shù)，已被廣泛應(yīng)用在電廠的風(fēng)機(jī)、水泵等流量調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)中。

1 變頻器在垃圾發(fā)電廠應(yīng)用實(shí)例

1.1 變頻器在引風(fēng)機(jī)方面的應(yīng)用

引風(fēng)機(jī)是電廠的重要設(shè)備，通過控制引風(fēng)機(jī)的開度調(diào)節(jié)風(fēng)量，維持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)運(yùn)行。如果爐膛負(fù)壓太小，爐膛容易向外噴爐內(nèi)空氣，既影響車間環(huán)境衛(wèi)生，又可能危及設(shè)備和人員的安全；負(fù)壓太大，爐膛漏風(fēng)量增大，增加風(fēng)機(jī)的電能消耗和煙氣熱量損失。因此控制引風(fēng)機(jī)的開度，穩(wěn)定爐膛負(fù)壓，對(duì)保證鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要意義。

環(huán)能一廠機(jī)組設(shè)計(jì)出力為6MW，鍋爐為機(jī)械爐排垃圾焚燒爐，引風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為 95040m3/h、風(fēng)壓為6600Pa，所配的電動(dòng)機(jī)額定功率為250kW，額定電壓為380V，額定電流455A，電機(jī)調(diào)速采用ABB ACS600變頻器以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)開度調(diào)節(jié)。

引風(fēng)機(jī)運(yùn)行操作主要通過DCS控制，運(yùn)行方式分為手動(dòng)控制和爐膛負(fù)壓PID調(diào)節(jié)自動(dòng)控制兩種，正常運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)出口風(fēng)門擋板全開（100%指令狀態(tài)），由 PID調(diào)節(jié)器通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定爐膛負(fù)壓。所有數(shù)字量輸入、輸出接口模塊主要是接受外圍遠(yuǎn)程控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)、閉鎖邏輯和控制功能。同時(shí)變頻器還對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。變頻器控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部分端子信號(hào)清單（見表1）。

表1

1.2 變頻器在起重機(jī)方面的的應(yīng)用

垃圾焚燒電廠中所有進(jìn)廠垃圾都是先存儲(chǔ)在垃圾坑里，一般堆放約3～5天，充分發(fā)酵后才投入焚燒爐燃燒，在投入時(shí)就使用垃圾起重機(jī)將垃圾投入給料斗。環(huán)能一廠起重系統(tǒng)是由兩臺(tái)垃圾起重機(jī)組成，每臺(tái)垃圾起重機(jī)都有獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和供操作人員使用HMI控制盤和PC機(jī)。操作方式分手動(dòng)或自動(dòng)以及半自動(dòng)模式。其中大車電機(jī)、小車電機(jī)和提升電機(jī)均采用芬蘭生產(chǎn)的 DYNA V55F36變頻器進(jìn)行控制。起重機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)速方式大多為轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)調(diào)速，在實(shí)際應(yīng)用中存在以下弊端：

1）控制精度差。采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，屬于有級(jí)調(diào)速，在不同速度段的切換中存在速度跳躍，其控制比較粗糙，定位不準(zhǔn)確。

2）工作可靠性不高。由于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)串接的電阻很多，而在分段調(diào)速過程中采用接觸器短接上一級(jí)電阻，接觸器的壽命主要體現(xiàn)在它的機(jī)械部分的壽命，常因過流使觸點(diǎn)粘在一起，無法實(shí)現(xiàn)切換，進(jìn)而造成超速等事故發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。

3）維護(hù)工作量大。由于采用接觸器對(duì)電阻進(jìn)行分段切換，因此必須經(jīng)常對(duì)接觸器進(jìn)行維護(hù)，大大增加維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。

4）耗能。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是一種轉(zhuǎn)差功率消耗性的調(diào)速方式，在整個(gè)調(diào)速過程中，大量的電能被消耗在電阻上，非常不經(jīng)濟(jì)。

5）穩(wěn)定性差。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，當(dāng)在低速運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定性差。因?yàn)樗俣仍降?，特性越軟，?fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)，引起轉(zhuǎn)速變化大，使運(yùn)行穩(wěn)定性差。

通過采用變頻器取代，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）控制精度高。能使交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能與直流電動(dòng)機(jī)的幾乎相等，實(shí)現(xiàn)精確控制。

（2）工作可靠性高。變頻器采用的是電子器件，壽命長(zhǎng)，且有完善的保護(hù)功能。

（3）維護(hù)工作量大大減少、實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍。

（4）節(jié)能效果明顯。特別是在提升機(jī)上，當(dāng)提升機(jī)處于提升狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，由于提升屬恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速降低多大比例節(jié)能就為多大比例。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于下降狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。

2 變頻器常見故障分析及處理

變頻器一般具有高度的智能化水平和完善的故障檢測(cè)電路，并能對(duì)所有的故障進(jìn)行精確的定位，在HMI界面做出提示。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到故障主要有光纖故障、過電壓故障、缺相故障、過熱故障、驅(qū)動(dòng)故障等，現(xiàn)就這些故障發(fā)生的原因和處理方式作簡(jiǎn)要分析。

2.1 光纖故障

在變頻器中功率單元屬于高壓部分（動(dòng)力部分），控制器屬低壓部分，為實(shí)現(xiàn)低壓與高壓隔離，已保證極高的安全性，同時(shí)控制器與功率單元有一定的安全距離，為保證在遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸中仍然具有很好的抗電磁干擾性能，控制器與功率單元之間采用光纖通信技術(shù)，光纖及光纖信號(hào)發(fā)送/接收器作為控制器與功率單元的通信介質(zhì)。出現(xiàn)光纖故障一般有以下幾種情況：

①功率單元與控制器之間的光纖連接頭脫落或者接觸不良；②光纖信號(hào)發(fā)送/接收器內(nèi)部積灰嚴(yán)重；③光纖折斷；④光纖通信電路控制板部分器件損壞或者受溫度影響工作不穩(wěn)定，如器件老化、芯片插座松動(dòng)等。

出現(xiàn)光纖故障時(shí)，首先需要判斷是功率單元側(cè)出現(xiàn)故障還是控制器側(cè)故障，在不明確哪一側(cè)的情況下，應(yīng)在變頻器斷電后，根據(jù)HMI界面的故障記錄用備用功率單元替換所懷疑有故障的功率單元，然后重新上電，如果故障消失則可判定屬功率單元故障，如果故障依然存在則應(yīng)是控制單元故障，此時(shí)應(yīng)更換控制器中的光纖通信板。

2.2 過電壓故障

變頻器過電壓故障是各種功率單元內(nèi)直流母線電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，在處理此類故障時(shí)要分析清楚故障原因，有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施去處理。正常情況下，直流母線為三相交流輸入線電壓的峰值，即如輸入為 AC400V，則直流母線電壓Ud=1.411×400=565.6V。在過電壓發(fā)生時(shí)，直流母線的儲(chǔ)能電容電壓將上升，但電壓上升到一定值時(shí)（通常為正常值的10%～20%），變頻器的過電壓保護(hù)動(dòng)作。而引起變頻器中間直流回路過電壓的原因主要有兩方面：

1）來自電源輸入側(cè)的過電壓。正常情況下輸入電壓波動(dòng)在額定電壓-10%～10%以內(nèi)，但是特殊情況下，電源電壓波動(dòng)可能過大，由于直流母線電壓隨電源電壓上升，達(dá)到保護(hù)值時(shí)變頻器就因過電壓保護(hù)跳閘。電源輸入側(cè)過電壓主要由于電源側(cè)沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、補(bǔ)償電容在投入或退出時(shí)形成的過電壓等。主要特點(diǎn)是電壓變化率du/dt和幅值都很大，此時(shí)最好斷開電源進(jìn)行檢查處理。

2）來自負(fù)載側(cè)過電壓。由于某種原因使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比變頻器頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高時(shí)，負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過各個(gè)功率單元逆變橋的四個(gè) IGBT管中的續(xù)流二極管返回到直流母線，這些能量導(dǎo)致直流回路的電解電容的電壓迅速上升引起過電壓。其現(xiàn)場(chǎng)操作的主要處理方法是延長(zhǎng)變頻器減速時(shí)間參數(shù)，當(dāng)變頻器拖動(dòng)大慣性負(fù)載時(shí)，由于減速時(shí)間設(shè)定過小，在減速過程中，變頻器減速速度過快，而負(fù)載由于依靠其自身阻力減速的比較慢，使負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度大于變頻器頻率所對(duì)應(yīng)的速度，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。有些變頻器還設(shè)置防止減速過電壓功能，即在減速過程中，檢測(cè)直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)，變頻器的輸出頻率不再下降，暫緩減速，待直流母線電壓下降后再繼續(xù)減速，避免出現(xiàn)直流母線過電壓。

2.3 缺相故障

缺陷故障保護(hù)是指變頻器各功率單元交流輸入側(cè)電壓三相中至少有一相缺少而采取的保護(hù)，出現(xiàn)缺相時(shí)會(huì)引起整流模塊發(fā)熱、過流以及直流母線電壓降低，雖然在缺相狀態(tài)下設(shè)備也能繼續(xù)運(yùn)行，但整流橋中個(gè)別器件電流過大及電解電容的脈沖電流過大，長(zhǎng)期運(yùn)行將對(duì)變頻器的壽命和可靠性造成不良影響，應(yīng)及時(shí)處理。處理時(shí)應(yīng)根據(jù)具體原因進(jìn)行。主要原因有：①電網(wǎng)發(fā)生故障或輸入電源缺相；②移相整流變壓器二次側(cè)短路；③整流變壓器三相進(jìn)線接線螺栓松動(dòng)，或者整流變壓器與功率單元的連接線路松動(dòng)故障等；④缺相檢測(cè)保護(hù)電路異常，這種情況更換檢測(cè)板即可。

2.4 過熱故障

變頻器在運(yùn)行中由于功率器件整流橋、IGBT管、移相整流變壓器等自身消耗功率會(huì)散熱，內(nèi)部溫度較高，如果熱量不及時(shí)散出，長(zhǎng)期對(duì)變頻器的壽命大大降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起元器件損壞，功率單元過熱保護(hù)主要是功率器件在一定電流下運(yùn)行，器件基板的溫度達(dá)到規(guī)定的溫度時(shí)采取的一種保護(hù)措施，變頻器元器件消耗功率主要包括通泰損耗和開關(guān)損耗，其結(jié)果使基板溫度tc和半導(dǎo)體結(jié)溫tj上升，如圖：

一般能引起功率單元過熱原因有：①環(huán)境溫度過高，散熱效果差，變頻器內(nèi)部溫度高；②測(cè)溫元件連接線斷開或元件出現(xiàn)故障；③功率單元冷卻風(fēng)機(jī)故障；④進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口不通暢，風(fēng)道阻塞或?yàn)V網(wǎng)堵塞；⑤變頻器長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行；⑥過溫監(jiān)測(cè)電路出現(xiàn)異常。

變頻器出現(xiàn)過熱故障時(shí)，可按以上原因排除處理。

2.5 驅(qū)動(dòng)單元故障

IGBT是變頻器最關(guān)鍵的功率器件，具有電流容量大、工作頻率范圍寬能優(yōu)點(diǎn)。對(duì)IGBT管的保護(hù)一般都為過電流保護(hù)，即IGBT保護(hù)電路檢測(cè)輸出端或者直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)封鎖所有的IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零，同時(shí)給CPU處理器發(fā)出故障信號(hào)。

通常引起變頻器驅(qū)動(dòng)故障原因有：①變頻器輸出短路；②功率單元內(nèi) IGBT被擊穿；③驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路損壞；④檢測(cè)電路被干擾。

通常情況下，變頻器出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)故障后，要杜絕輕易貿(mào)然復(fù)位變頻器后再次重新啟動(dòng)，以防止變頻器的二次損壞。正確處理措施是根據(jù)監(jiān)控界面的故障定位找到相應(yīng)的模塊，拆開檢查IGBT是否損壞。具體判斷方法是：找到功率單元內(nèi)部直流母線的正極 V+及負(fù)極 V-，用數(shù)字萬用表二極管檔，將黑表筆接到V+，紅筆分別接到U、V上，此時(shí)表指示數(shù)值應(yīng)該顯示在 0.4左右，反向則應(yīng)該顯示無窮大；將紅表筆接到V-上，重復(fù)以上步驟，應(yīng)得到相同的結(jié)果，否則可判斷IGBT管已損壞。

3 變頻器維護(hù)和檢查項(xiàng)目及注意事項(xiàng)

1）變頻器雖然具有較高的可靠性，但現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)檢查也是決定設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因數(shù)，其日常檢查主要項(xiàng)目有：

①檢查所屬輔機(jī)（電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常）；②檢查變頻器溫度、通風(fēng)情況，保證變頻器良好的通風(fēng)散熱條件；③檢查變頻器是否有異常聲響、異味，柜體是否發(fā)熱、異常震動(dòng)；④檢查輸入/輸出電壓、電流情況是否在正常范圍內(nèi)；⑤注意在柜子周圍不應(yīng)有蒸汽等氣源，否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞變頻器；⑥新入變頻器一個(gè)月后，應(yīng)將主回路的電纜連接緊固；以后半年緊固一次，用吸塵器清除柜內(nèi)灰塵；⑦如果變頻器長(zhǎng)期未投入使用，建議半年通電一次，每次時(shí)間不少于1h；當(dāng)空氣濕度較大是否也應(yīng)上電，這樣可以防止變頻器內(nèi)器件及電路板受潮，又可激活電解電容，防止變頻器內(nèi)的電解電容發(fā)生漏電、耐壓降低的劣化現(xiàn)象。

2）進(jìn)行變頻器維護(hù)和檢查應(yīng)注意以下幾方面：①變頻器運(yùn)行環(huán)境要防靜電和電磁干擾，濕度、溫度、粉塵均需達(dá)到規(guī)定要求，盤柜所有電纜進(jìn)線應(yīng)封堵，運(yùn)行過程不允許長(zhǎng)時(shí)間打開柜門；②在檢查過程應(yīng)注意變頻器功率單元中的電容器殘余電壓，經(jīng)充分放電后才可進(jìn)行；③不允許用絕緣電阻表測(cè)量變頻器的輸出絕緣，否則會(huì)使功率單元的元器件受損。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，變頻器在垃圾發(fā)電廠輔機(jī)的應(yīng)用，不僅可以提高其自動(dòng)化程度，同時(shí)也起到很好的節(jié)能效果。但由于垃圾發(fā)電廠自身特點(diǎn)（如車間含有較多的酸性和腐蝕性氣體、運(yùn)行調(diào)整操作頻繁等）約束，在實(shí)際運(yùn)行中，為確保變頻器工作可靠性以及使用周期，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)變頻器運(yùn)行維護(hù)，故障時(shí)應(yīng)能根據(jù)報(bào)警信息準(zhǔn)確判斷故障性質(zhì)，及時(shí)采取有效措施，以便第一時(shí)間恢復(fù)生產(chǎn)。

[1]張燕賓.實(shí)用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.8.

[2]倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2008.2.