摘要：變頻器已被廣泛地應(yīng)用于火力發(fā)電廠里的給煤機，但是當(dāng)給煤機應(yīng)用變頻器后，6kv廠用電源瞬停切換時會導(dǎo)致鍋爐熄火停爐，造成重大經(jīng)濟損失。以上海寶鋼股份公司電廠為例，介紹了電廠鍋爐給煤機變頻器因電源瞬?；螂妷核矔r變化引起跳閘的隱患，對變頻器主電路及其工作原理進行分
引言
通用變頻器以其優(yōu)越的調(diào)速性能和節(jié)能效果已被廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)電力行業(yè)已投用和新建的大、中型燃煤電廠中，鍋爐制粉系統(tǒng)的給煤機已紛紛采用通用變頻器替代滑差調(diào)速控制驅(qū)動。不僅提高了給煤機的給定控制性能和計量精度，而且與原來滑差調(diào)速控制相比具有顯著的節(jié)能效果。在各種容量的調(diào)速傳動系統(tǒng)中，電壓型通用變頻器已經(jīng)成為各行業(yè)用戶首選的調(diào)速驅(qū)動裝置。
在上海寶鋼股份公司電廠3臺350MW引進機組的鍋爐制粉系統(tǒng)中，15臺給煤機均采用美國STOCK公司產(chǎn)品，經(jīng)對2O世紀80年代初投產(chǎn)的2臺機組的給煤機進行技術(shù)改造后，采用通用變頻器來調(diào)速，控制性能和計量精度得到了提升。改造后發(fā)現(xiàn)給煤機使用變頻器后，當(dāng)6kV廠用電源瞬停切換時，機組原有的FCB（機組快速切回）功能在實際運行中無法實現(xiàn)，經(jīng)試驗和查找確認是運行中的變頻器在6kv廠用電源瞬停切換時發(fā)生全部跳閘造成的。20世紀90年代末投產(chǎn)的第3臺機組變頻器調(diào)速給煤機也有同樣情況發(fā)生。
一、通用變頻器用于給煤機的隱患
目前國內(nèi)外各變頻器制造商生產(chǎn)的通用變頻器屬電壓型，都設(shè)有“電源電壓異常波動”保護功能。變頻器交流電源供電時，當(dāng)電壓波動大于額定電壓的±15％時，變頻器內(nèi)部自身的保護功能將跳閘。
該廠鍋爐制粉系統(tǒng)的給煤機采用通用變頻器驅(qū)動后，變頻器的電源因6kv廠用電瞬時停電切換（持續(xù)時間約為600ms）時，電壓瞬時變化量超過了變頻器的允許值，所有運行中的給煤機變頻器同時跳閘而觸發(fā)發(fā)電機組的MFT（鍋爐主燃料斷）保護功能動作，并使FCB功能不能實現(xiàn)，導(dǎo)致鍋爐立即熄火停爐。一次熄火停爐后再重啟不但在經(jīng)濟上造成幾十萬元的損失，還降低了機組對電網(wǎng)供電的品質(zhì)。
雖然一些品牌的通用變頻器具有電源瞬停再啟動的功能，當(dāng)發(fā)生變頻器電源瞬停時能停止輸出不作故障跳閘處理，但有一個停止信號輸出，雖然電壓瞬間恢復(fù)到額定電壓的85％后再自動重新啟動，這對于鍋爐給煤機，在自動重新啟動之前在這一停止信號輸出的瞬間，已經(jīng)造成MFT保護功能的動作，還是會導(dǎo)致機組停爐。因此，在電廠鍋爐給煤機上使用通用變頻器，必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施來提高抗電源電壓瞬時變化的能力，消除發(fā)電機組正常運行及故障時6kV廠用電切換中的隱患。
在該廠的3臺350Mw燃煤發(fā)電機組中，為了提升發(fā)電機組在發(fā)生某些故障后能快速恢復(fù)向電網(wǎng)供電的能力，設(shè)置了FCB的功能。其作用是當(dāng)發(fā)電機組發(fā)生某些故障時，能避免鍋爐熄火停爐（即停機不停爐），它可避免一次因緊急停爐對鍋爐各子系統(tǒng)設(shè)備造成巨大的沖擊損耗，延長鍋爐系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。且當(dāng)故障解除后，具有快速恢復(fù)向電網(wǎng)正常供電的能力，提升了發(fā)電機組的供電品質(zhì)，還可獲得顯著的節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省燃料和供電效益。因此給煤機變頻器在電源瞬?；螂妷核矔r變化時維持連續(xù)運行對電廠極其重要。
二、已有技術(shù)和措施
2.1 采用直流電源供電
國內(nèi)外有一些品牌公司制造的通用變頻器供電電源具有交流、直流兩用的配置。對于重要敏感的驅(qū)動設(shè)備采用直流電源供電，以避免因交流電源發(fā)生瞬時停電或電壓短期變化引起變頻器跳閘。其缺點是用戶需要配置性能可靠、大容量、高電壓(54OV左右)的專用蓄電池組和充電裝置，整個裝置占地空間大，成本高，維護工作多，運行成本高。
2.2 采用UPS（不間斷電源）電源供電
對于驅(qū)動重要敏感設(shè)備的中小容量通用變頻器，通過UPS來供電，可以避免因交流電源發(fā)生瞬時停電或電壓短期變化引起變頻器跳閘。其缺點是UPS電源無論采取一對一配置，還是集中配置，設(shè)備體積大，價格高，維護工作多，運行自損耗大。
2.3 配置動態(tài)電壓補償裝置(VR)
它的工作原理是將動態(tài)電壓補償裝置串接在電源和通用變頻器之間，裝置中的電壓監(jiān)測單元一旦檢測到電壓凹陷（下降），即觸發(fā)控制內(nèi)部逆變器，將裝置內(nèi)直流電壓逆變成相應(yīng)幅值和相位的交流電壓疊加到電壓凹陷的線路上，整個過程約2ms，使通用變頻器免受電壓波動的影響。其缺點是動態(tài)電壓補償裝置是有源的，需要從其他電源系統(tǒng)另接一路電源，不管是一對一還是集中配置，設(shè)備體積大，價格很高，運行成本也很高。
2.4 配置兩路交流電源
變頻器電源分別從2段專用供電母線上接出，且該2段供電母線按互為備用的方式配置。其"常用-備用"，互為切換回路必須在變頻器"低電"壓”保護跳閘前將備用電源快速切換上去。其接觸器切換回路不能帶延時，若切換邏輯回路異?；蚴Э?，有造成切換失敗和不安全的隱患，供電安全性差[1-2]
2.5 優(yōu)化給煤機控制器的控制邏輯[3-4]
對給煤機控制器內(nèi)部的控制邏輯作優(yōu)化修改，這個修改需給煤機控制器的制造廠實施。其方法是在給煤機變頻器因電源瞬停切換已實際跳閘的期間，給煤機的控制器中的邏輯對變頻器的“停止”和給煤機電動機的“失速”信號作延時處理，使上位的控制系統(tǒng)仍接收到“運行中’，的信號，在電源恢復(fù)正常時再自動重啟給煤機變頻器。其優(yōu)點是設(shè)備改動少，缺點是當(dāng)廠用電瞬時停電切換或因其他原因造成電源電壓波動超過額定電壓的士15％時，運行中的所有給煤機同時有一個“緲閘一再啟動”的過程，雖然能避免觸發(fā)MFT保護動作和熄火停爐故障，但給煤機實際有一個瞬停的時間，再啟動后的輸出對制粉系統(tǒng)會產(chǎn)生超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。
三、通用變頻器
中小容量通用變頻器內(nèi)部主電路一般有2 種，目前應(yīng)用較多的是中點鉗位式，其主電路如圖l所示。
3.1 主電路簡述
它由二極管整流橋D、直流環(huán)節(jié)DC和逆變橋TR3部分組成。工作原理是當(dāng)變頻器電源開關(guān)合上后，三相交流電源經(jīng)二極管整流橋D轉(zhuǎn)換成直流，直流輸出首先經(jīng)啟動充電電阻R向濾波電容C充電，當(dāng)直流環(huán)節(jié) DC上的電壓達到一閡值電壓，變頻器內(nèi)部電壓檢測回路控制微型接觸器K接通（或晶閘管導(dǎo)通），短接啟動充電電阻R，再繼續(xù)加速向濾波電容C充電，直至直流環(huán)節(jié)DC上的電壓達到工作電壓，變頻器便處于待機狀態(tài)。
3.2 電源電壓異常時的跳閘
變頻器在外部“啟動’，指令信號控制下運轉(zhuǎn)時，三相可控逆變橋TR按“速度”指令信號將直流電壓逆變成相應(yīng)的三相交流電壓和頻率輸出，驅(qū)動交流電動機調(diào)速運轉(zhuǎn)。當(dāng)運行中的變頻器三相交流電源瞬時停電或電壓瞬時變化時，主電路直流環(huán)節(jié)DC上的電壓因帶著電動機負載運轉(zhuǎn)將快速下降，當(dāng)降到“低電壓”保護的動作值時立即跳閘。對于小慣量負載的電動機，其轉(zhuǎn)速迅速降到零，這個過程的持續(xù)時間視變頻器容量和電動機負載大小而定。
現(xiàn)有標(biāo)準的通用變頻器帶額定負載一般維持十到數(shù)十毫秒，因此，通用變頻器在有特殊要求的應(yīng)用領(lǐng)域使用會受到一定的限制。
四、維持變頻器連續(xù)運行的新方法
在該廠3臺350MW機組的6kV廠用電系統(tǒng)中，因機組某種故障或外部電網(wǎng)的系統(tǒng)故障，6kV廠用電源系統(tǒng)由快切裝置瞬時停電切換到公用 6kV電源時，或者因廠用電源系統(tǒng)上大容量設(shè)備啟動操作或廠用電源系統(tǒng)上發(fā)生短路造成電源電壓暫時變化時，接在廠用電源6kv系統(tǒng)下的 400 V MCC母線上的給煤機變頻器因母線上的剩余電壓瞬時降到額定電壓的85％以下(或15％以上)，運行中的給煤機變頻器因內(nèi)部直流環(huán)節(jié)上的電壓降到“低電壓”，（或“過電壓”）設(shè)定值而全部跳閘，機組 DCS 控制系統(tǒng)中的PPS（機組保護裝置）收到運行中給煤機全部“停止”信號后，觸發(fā)MFT保護動作，使FCB功能條件不能成立，導(dǎo)致鍋爐熄火停爐。對此，該廠迫切需要解決這一因廠用電瞬?；螂妷核矔r變化引起運行中的給煤機全部跳閘而導(dǎo)致鍋爐熄火停爐的重大隱患。
4.1 方法一
根據(jù)通用變頻器主回路的工作原理，對于電源瞬時停電時間短、電源系統(tǒng)電壓下降量小、驅(qū)動電動機功率小的變頻器，在直流環(huán)節(jié)DC上，依據(jù)用戶電動機實際運行負載容量的大小，可直接在濾波電容C上并接相應(yīng)電容量的儲能電容器Cs，以增加直流段上存儲的能量來維持變頻器在電源瞬停切換期間或電壓暫時、瞬時變化時繼續(xù)按原輸出值驅(qū)動電動機平穩(wěn)運行。
此方法結(jié)合給煤機控制電源回路改進，簡單易行，完全能夠滿足一般小功率電動機應(yīng)用，已在該廠給煤機上成功實施。
4.2 方法二
對用于電源瞬停切換時間較長或電壓變化持續(xù)時間較長、電動機負載容量較大的通用變頻器，受變頻器最大允許通態(tài)電流的限制，欲增設(shè)的大容量并接儲能電容器CS不能直接并接。若直接并接則產(chǎn)生3種情況：燒毀整流橋D、充電電阻R、微型接觸器K接點；跳變頻器輸入側(cè)開關(guān)；抬高直流環(huán)節(jié)Dc上工作電壓較大，易引起主回路上的相關(guān)元器件提前老化或損壞。因此，用于這樣的場合時，在直流環(huán)節(jié)Dc上需通過增設(shè)1個充放電組件再來并接儲能電容器CS, 避免變頻器交流電源投入時對直流環(huán)節(jié)DC的充電造成過流沖擊。在電源瞬停切換或電壓暫時、瞬時變化期間能使直流環(huán)節(jié)DC上的電容器C放電一再充電過程達到平緩過度，且維持電動機原轉(zhuǎn)速下連續(xù)運行。圖2為并接充放電組件和儲能電容器的示意。
此方法結(jié)合給煤機控制電源回路的改進，完全能夠滿足較大功率電動機的應(yīng)用，也能應(yīng)用于其他有特殊要求的行業(yè)。這種方法已在該廠給煤機上實施。
4.3 技術(shù)特點
以上2 種方法是采用安全和有效的技術(shù)措施來解決通用變頻器交流電源瞬?；螂妷簳簳r變化引起通用變頻器或電壓型變頻單元跳閘的問題。它拓寬了電壓型變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。
其特點是：(l)不需外部配接備用電源，變頻器運行中不增加能耗，增設(shè)的元器件體積小、成本低，且免維護；(2) 能解決電源瞬停切換造成變頻器跳閘的問題，同時又具有緩解電壓暫時、瞬時變化的穩(wěn)壓作用，可避免電源電壓超過額定電壓的±15％所造成變頻器跳閘的問題。本方法應(yīng)用于電廠鍋爐給煤機變頻器上，當(dāng)變頻器電源發(fā)生瞬時停電切換或電壓暫時變化超過額定電壓的±15％時，運行中的給煤機轉(zhuǎn)速能維持不變，使鍋爐制粉系統(tǒng)保持平穩(wěn)運行，不再由此引發(fā)MFT保護功能動作。
4.4 與其他方法的比較
該廠采用的這2種方法，其效果基本涵蓋了其他已有方法的優(yōu)點，且避免了它們的不足之處，具有很好的實用價值。
(l) 每臺給煤機變頻器單獨配接儲能電容器，仍保持每臺給煤機單路電源配置模式；(2) 對系統(tǒng)不產(chǎn)生新的隱患，操作性和安全性較好；(3) 給煤機電氣控制裝置和變頻器發(fā)生故障時原維護處理方式不變；(4) 不需修改原控制系統(tǒng)的硬接線邏輯回路；(5) 能維持變頻器驅(qū)動電動機保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，沒有轉(zhuǎn)速超調(diào)和振蕩的現(xiàn)象；(6)不需要從其他電源系統(tǒng)另接1路備用電源，供電回路簡單，可分段，系統(tǒng)安全性高；(7) 免維護，且運行中沒有能耗。
5 結(jié) 語
該廠自主開發(fā)的這2項技術(shù)適用于各行業(yè)中小容量通用變頻器和電壓型變頻單元的應(yīng)用，原理簡明，實用有效。在該廠采用該方法改造后的給煤機已經(jīng)過數(shù)次實際運行中6kV廠用電瞬停切換的驗證。不但對電廠具有較大的經(jīng)濟效益，確保發(fā)電機組向電網(wǎng)供電的品質(zhì)，而且對其他行業(yè)中需要穩(wěn)定、連續(xù)、可靠運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，也具有實用價值和經(jīng)濟價值。
[參考文獻]
[1] 杜鳳葉．給粉機變頻器跳閘引發(fā)鍋爐MFT動作原因分析及對策[J]．黑龍江電力，2004,26(6):464-466.
[2] 劉維鋒，劉華山，朱國強，等．給粉機控制回路中的隱患分析[J]．發(fā)電設(shè)備，2006 , 20(3):205-207。
[3] 牛茂龍，白永軍．國華準格爾發(fā)電廠給煤機跳閘的原因分析及改造[J]．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2004, 22(5):106-107.
[4] 劉德誠．給煤機微機控制系統(tǒng)低電壓跳閘事故分析及改造[J]. 內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2003, 21(3):41-42.
