摘要： 陜西某發電有限公司#3機組擴容改造，將原兩臺吸風機改為一臺大吸風機，為了提高效能為電機配套了一臺北京利德華福高壓變頻器。大功率電機的變頻拖動在北 京利德華福的高壓變頻應用中并不少見，但電廠為了機組運行可靠要求變頻器在在突然異常的情況下盡可能切入工頻運行，保證機組不停機。

    這種應用在以前的調試中也偶爾遇到，但功率大多在1000kW以下，如此大功率電機的應用調試就存在很大風險，調試不好很有可能損壞電機或者變頻器，甚至造成廠用電供電事故。

    關鍵詞：大功率電機變頻緊急切工頻

一、 現場情況概述

    電機參數

    變頻器參數
 

    現場設計結構如圖（1）所示，由于電流比較大，回路切換均使用高壓斷路器，正常情況下依次合閘QF0-QF2-QF3,電機變頻主回路接通，QF1在檢查到變頻器帶高壓時延時自動合閘，抑制變頻器上電瞬間的勵磁涌流。

    變頻器啟動后電機變頻運行，但當變頻器發生重故障跳閘時，自動分開QF2、QF3,變頻器判斷是否可以切工頻，如果非電機過流故障，非電機接地故障，發出合工頻允許信號，DCS根據鍋爐運行情況分析是否可以切工頻，如果允許就合QF4，電機切換至工頻運行。

                                         圖1 切換控制的主電路

    做電機變頻切工頻轉換時大多會遇到過這樣的情況：電機由變頻運行狀態直接向工頻運行狀態切換時有時會產生特別大的沖擊電流，能達到其直接啟動電流的兩倍，約 為其額定電流的十四五倍，但有的時候卻幾乎沒有電流沖擊；而斷開變頻一段時間后再轉向工頻時就不會再出現太大的沖擊電流，延時的時間越長出現的沖擊電流的 峰值就會越小。但時間越長容易導致風機轉速下降，爐膛正壓造成危險，所以具體多長時間切是個關鍵問題。

二、問題的分析

三相電動機正常運行時，以同步轉速旋轉的主磁場在定子三相繞組內感應對稱的三相電動勢。若斷開電源后，主磁場消失，但曾經被主磁場磁化的轉子鐵芯依然存在剩 磁，與此同時由于慣性轉子依然高速旋轉，在定子線圈產生的感應電動勢并不會在極短的時間內消失，只是有所衰減。圖2是電機兩相之間,在斷開變頻器輸出前、后的的定子繞組的電壓波形，由此可看出，斷開電源后定子線圈的感應電動勢逐漸衰減的過程。圖3是圖2的展開，仔細觀察該圖可以看出，隨著轉速的降低，轉子繞組電壓頻率也在緩慢的下降。

                                                  圖2 定子電壓衰減波形1

                                                   圖3 定子電壓衰減波形2

    由于變頻器輸出的是PWM波，其相位不易觀察，測得在工頻狀態下的電壓波形進行進一步的分析。因為變頻器50Hz時的輸出電壓與工頻電壓作用在電機上基本時等效的，并不影響分析結果。圖4是電機在工頻電源下突然斷開電源后的電壓波形圖，由該圖可以看出，電壓波形沒有跳變，所以斷開瞬間感應電動勢與電源電壓是 同相位的,其幅值也是基本相等的。隨著剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時伴隨著轉速的降低感應電動勢的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開。頻率越低，單位時間內拉開的相位差也就越大。

    為了確定QF4的合閘時機，必須等待一定的時間，保證反電動勢足夠小，這樣沖擊電流才會被限制在預期范圍以內，保證投切可靠，否則會使沖擊電流過大QF0速斷保護跳閘而投切失敗。但時間越長電機失速越大，QF4合閘后長時間不能到達額定轉速，電機加速時電流過大并持續時間過長，超過綜合保護裝置中設定的電機啟動時間導致過流一段動作跳閘而投切失敗。其次電機功率比較大，啟動時間過長，電機大電流導致廠用電母線電壓拉低，其他設備運行失常或故障。所以確定合閘時機是一個很重要的問題。

                                             圖4 電機在工頻下斷開電源后的電壓波形

三、驗證試驗

    為了電機的變頻切工頻能夠試驗，我們必須做以下幾個實驗，一方面驗證切換邏輯的正確性和可靠性，另外一方面就是設定切換時機和保護定值。

    3.1不帶高壓邏輯驗證實驗

    空載模擬實驗主要是驗證切換邏輯的正確性和可靠性，根據變頻器程序設計要求，變頻器若在運行中突然發生重故障，若要切至工頻需要滿足以下幾個條件：

沒有輸出接地故障
變頻器參數設定為允許切工頻
QF2、QF3確實已經分閘
變頻器并非停機減速過程中
變頻器重故障并非過流故障

    當條件都滿足時會在QF3分閘1秒后發出QF4合工頻允許信號，而不是直接合工頻，主要是因為切工頻還要考慮到鍋爐自身的一些條件，如果鍋爐本身負載比較低，要求風量并不大，突然切至工頻時負壓突然急劇上升會導致鍋爐熄滅，所以僅將允許和QF4信號發給DCS，DCS根據鍋爐運行情況，關小出口風門后發出QF4合閘指令，切至工頻，還可以根據情況投油，避免熄火。

                                        圖5 變頻器切工頻判斷邏輯圖

    空載邏輯試驗就是驗證實際動作情況是否與設計邏輯相符合，實驗過程中一定要認真仔細，將高壓開關搖至試驗位，變頻器設置為調試狀態，按照正常邏輯投入變頻運 行狀態，為了方便重故障信號的產生我將開柜門設置為重故障，由于邏輯變化都是秒級動作，眼睛監視精確度不夠，所以我用手機的攝像功能監視PLC狀態指示燈，一切準備就緒后將柜門開一個小縫，至開柜門跳閘邏輯動作，經過多次驗證邏輯正確可靠。

3.2反電動勢測量實驗

    反電動勢試驗是在變頻器的輸出端加裝一組電壓互感器，陜西省電力科學研究院使用電壓偵測設備對互感器的二次側的電壓進行錄波，從而形成一個電壓相對時間的曲線組，根據電壓的大小選擇合適的合閘時機。

    本實驗要在變頻器的輸出開關柜上加裝電壓互感器，開關柜的后柜門就無法關閉，試驗人員還要在附近偵測電壓，所以安全措施就顯得尤為重要，我們用高壓軟電纜將變頻器輸出開關柜的輸出端與一組電壓互感器小車連接，并將高壓軟電纜固定牢靠，用高壓絕緣膠帶包扎完好，接二次線時要注意互感器的極性，二次側要做好可靠接地。

    確認接線正確，做好安全防護工作后，準備就緒我們使用變頻器將風機拖動至700-800轉/分鐘，模擬出一個重障故變頻器跳閘，變頻器輸出斷路器QF3斷開，電壓偵測設備在電機端測出了電壓反電動勢電壓波形。

    根據實驗結果我們發現，由于是變頻拖動，輸出斷開后反電動勢并不是很大，大約16S后反電動勢基本為0.且分斷后1s以后電壓已經降到分段前的50%以下，所以我們認為輸出斷路器分斷后3s左右合工頻斷路器QF4應該不會造成很大沖擊。

3.2變頻切工頻實際驗證實驗

    根據反電動勢試驗的結果，而確定了合閘時機，下一步就要驗證在這個合閘時機的條件下，沖擊電流以及大電流持續的時間，是否能躲過保護定值。

    試驗方案：在電源側高壓開關QF0的電流二次側將電流偵測設備串接其中，檢測變頻切工頻瞬間電流的變化情況。

    試驗數據：
            

        由于帶負載工頻直接啟動電流過大，時間較長，經過商議認為比較危險，并且以后的工況也不可能允許工頻直接啟動，最終決定工頻直接啟動試驗就不做了，變頻飛車啟動工頻效果也比較理想就按照既定方案，正常時使用變頻運行，當變頻發生故障并且工況運行的情況下能夠及時切換成工頻。

四、結束語

    通過上述實驗證明北京利德華福高壓變頻器在較大功率電機上應用的工況中，正常情況下既實現了調速的功能，達到增能減耗的效果，還可以起到軟啟動的作用，減少大功率電機啟動時對電網的沖擊，即使在故障情況下也能順利緊急切換到工頻使用，保證設備運行的可靠性。