1.1 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力

當(dāng)母線(xiàn)上電動(dòng)機(jī)成組自起動(dòng)、當(dāng)母線(xiàn)上最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)時(shí)對(duì)變頻器運(yùn)行的影響,這與變頻器允許的輸入電壓波動(dòng)范圍參數(shù)有關(guān),對(duì)于火電機(jī)組應(yīng)保證母線(xiàn)電壓跌落30%時(shí)變頻器不會(huì)停機(jī)。

另外,在母線(xiàn)切換等情況下所造成的母線(xiàn)電壓瞬時(shí)失電發(fā)生后,變頻器應(yīng)具有持續(xù)或恢復(fù)運(yùn)行的功能(有些廠家稱(chēng)為“失壓再起動(dòng)功能”),即在母線(xiàn)電壓瞬間降低或消失(如事故切換)時(shí)變頻器不跳閘或使電機(jī)系統(tǒng)慣性運(yùn)行;當(dāng)母線(xiàn)電壓重新恢復(fù)正常后,變頻器能根據(jù)捕捉到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正確調(diào)整自身輸出,重新拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的功能。

1.2 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力

高壓變頻器大多安裝于現(xiàn)場(chǎng)輔機(jī)附近,灰塵較多,灰塵進(jìn)入變頻柜內(nèi)會(huì)導(dǎo)致絕緣下降或擊穿損壞電子元器件;灰塵堵塞濾網(wǎng)造成功率柜散熱效果差,易導(dǎo)致功率模塊過(guò)熱失效損壞。有些廠家把空氣濾網(wǎng)設(shè)計(jì)為在運(yùn)行中可拆換清洗,便于維護(hù)。在南方高溫、潮濕氣候地區(qū),應(yīng)選擇對(duì)環(huán)境溫濕度要求低、系統(tǒng)溫升相對(duì)低的產(chǎn)品,以保證安全穩(wěn)定運(yùn)行。

高壓變頻器具有單元旁路功能,即某個(gè)功率單元出故障時(shí)該單元應(yīng)能夠自動(dòng)退出,整個(gè)系統(tǒng)可持續(xù)帶故障運(yùn)行,這實(shí)際是一種冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。此時(shí)應(yīng)注意單元旁路后對(duì)變頻器帶載能力的影響,主要考慮變頻裝置每相功率單元個(gè)數(shù)、控制系統(tǒng)的電壓補(bǔ)償。

單元串聯(lián)越多,故障概率越大,單個(gè)單元故障對(duì)輸出能力的影響越小,二者應(yīng)折中取舍。若采用電壓補(bǔ)償算法、中性點(diǎn)偏移算法可提高系統(tǒng)單元旁路后的帶載能力,但此種方法可能帶來(lái)共模電壓等問(wèn)題,需視電動(dòng)機(jī)絕緣安全等設(shè)備具體情況取舍。

高壓變頻器的控制系統(tǒng)電源至關(guān)重要,應(yīng)設(shè)計(jì)采用多路控制電源供電,多通道互為備用、無(wú)擾切換;風(fēng)扇冷卻器的冗余設(shè)計(jì)也有助于提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

對(duì)輸入側(cè)的外部故障,如外部電網(wǎng)故障造成母線(xiàn)電壓跌落時(shí)對(duì)高壓變頻器運(yùn)行的影響。廣東省某電廠機(jī)組曾發(fā)生過(guò)這樣的事故:由于外部電網(wǎng)瞬時(shí)故障造成廠用電母線(xiàn)電壓閃變跌落,導(dǎo)致輔機(jī)變頻器停機(jī),雖然外部電網(wǎng)的故障很快切除,但由于變頻器拖動(dòng)的重要輔機(jī)停運(yùn)導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷。因此瞬時(shí)停電再起動(dòng)功能應(yīng)是電廠機(jī)組輔機(jī)高壓變頻器提高外部故障承受能力的可靠保證。

對(duì)輸出側(cè)的外部故障,如電纜擊穿短路或電動(dòng)機(jī)的單相接地甚至相間短路故障對(duì)高壓變頻器的影響。高壓變頻器應(yīng)配置單相接地故障檢測(cè)功能,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇設(shè)定告警或跳閘保護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)廣東省高壓電動(dòng)機(jī)由于絕緣損壞導(dǎo)致的相間短路故障每年平均約20臺(tái),雖然相對(duì)概率較小,但對(duì)于采用過(guò)流能力極其有限的電力電子器件的高壓變頻器,短路電流的沖擊對(duì)設(shè)備的損害是巨大的,可能導(dǎo)致設(shè)備損壞的嚴(yán)重故障。高壓變頻器對(duì)輸出相間短路的承受能力與保護(hù)技術(shù)是設(shè)備選型、保證設(shè)備安全應(yīng)考慮的一項(xiàng)重要因素。

設(shè)備故障分為兩種類(lèi)型:一是瞬間可自行恢復(fù)的故障,這種故障一旦出現(xiàn)之后,能在較短的時(shí)間內(nèi)自行恢復(fù),而具有轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤功能的變頻裝置能顯著提高在此種故障情況下的運(yùn)行能力和可靠性。廣東省正在運(yùn)行的部分高壓變頻器在雷雨季節(jié)發(fā)生雷擊時(shí)頻繁停機(jī),就是因?yàn)椴痪邆浯朔N功能所致;

其二是發(fā)生永久性損壞故障后裝置的恢復(fù)時(shí)間,功率單元模塊化可以在短時(shí)間內(nèi)更換備用模塊,使設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。

高壓變頻器一般均配置工頻旁路柜,以保證在變頻器出現(xiàn)故障或檢修時(shí),通過(guò)工頻旁路柜的切換電機(jī)恢復(fù)工頻運(yùn)行,保證生產(chǎn)持續(xù)不斷。但這種切換也帶來(lái)了相應(yīng)保護(hù)配置的問(wèn)題:電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行狀態(tài)下開(kāi)關(guān)柜應(yīng)裝設(shè)變壓器保護(hù)(因變頻器內(nèi)部與廠用電連接部分為輸入移相整流變壓器),而在工頻運(yùn)行時(shí)應(yīng)裝設(shè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)。

因此在改造時(shí),原有電動(dòng)機(jī)保護(hù)應(yīng)保留,作為工頻運(yùn)行時(shí)的保護(hù)裝置,如果變頻器控制系統(tǒng)不具備輸入變壓器的保護(hù)功能,從系統(tǒng)安全和合理配置保護(hù)的角度考慮,需加裝“隔離移相變壓器”保護(hù);在電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí),退出電動(dòng)機(jī)保護(hù)而投變壓器保護(hù)。

手動(dòng)切換變頻器的運(yùn)行方式(工頻——變頻),存在操作復(fù)雜、中斷時(shí)間久對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響較大的問(wèn)題。而具有工頻變頻自動(dòng)切換的變頻器在發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行,保證了重要輔機(jī)的持續(xù)運(yùn)行,降低了對(duì)機(jī)組乃至對(duì)電網(wǎng)的影響。

但是在電動(dòng)機(jī)故障時(shí)變頻器自動(dòng)切換至工頻,會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)的故障,并有使故障擴(kuò)大化的危險(xiǎn)。在具體的應(yīng)用中,應(yīng)充分考慮“自動(dòng)旁路切換功能”的利弊,最好變頻器控制系統(tǒng)具有判別自身故障和負(fù)載故障的能力。

另外自動(dòng)工頻變頻切換時(shí)還應(yīng)注意開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置的自動(dòng)切換、風(fēng)門(mén)或閥門(mén)的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)。在變頻檢修完畢后,如何使電機(jī)從工頻運(yùn)行狀態(tài)瞬間切換至變頻運(yùn)行狀態(tài),也是在改造時(shí)必須注意的問(wèn)題。

低壓變頻器的輸入電流具有很大的高次諧波成份,這些諧波對(duì)電網(wǎng)造成“諧波污染”的同時(shí),還降低了變頻器輸入電路的功率因數(shù)。而高壓變頻器通常采用多重化整流技術(shù),減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,提高變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)。有資料表明,采用30脈波的移相變壓器的高壓變頻器,輸入總諧波含量基本小于國(guó)標(biāo)要求的4%,網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)也可達(dá)0.95以上。

輸出電壓、電流諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要體現(xiàn)在增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電機(jī)的發(fā)熱,從而影響電機(jī)繞組的絕緣;共模電壓和軸承電流會(huì)加劇軸承電蝕降低機(jī)械壽命。一般多單元串聯(lián)型式高壓變頻器的每相串聯(lián)的功率單元個(gè)數(shù)達(dá)到5個(gè)及以上時(shí),輸出電壓的突變率(du/dt)可滿(mǎn)足電機(jī)絕緣要求,減少對(duì)繞組絕緣與共模電壓軸電流的損害,諧波含量低,可以不考慮其對(duì)電機(jī)的影響。

電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí),自冷電動(dòng)機(jī)的散熱能力將會(huì)下降,對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)載,采用單元串聯(lián)式的高壓變頻器諧波發(fā)熱影響小,電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載電流較低,發(fā)熱量少,因此不必考慮附加散熱措施問(wèn)題;但對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與高速運(yùn)行時(shí)接近,就要考慮低速運(yùn)行時(shí)加裝強(qiáng)迫風(fēng)冷等散熱措施。同時(shí),還應(yīng)注意低速運(yùn)行時(shí)軸承的潤(rùn)滑問(wèn)題。

高壓變頻器設(shè)備的壽命主要決定于電解電容,電解電容的壽命與其運(yùn)行溫度和紋波電流直接相關(guān)。保證運(yùn)行環(huán)境溫度、提高功率模塊的散熱效果、降低功率模塊溫升對(duì)提高系統(tǒng)壽命起到關(guān)鍵的作用;另外電容器紋波電流減小其壽命增加,因此系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)載工況對(duì)于變頻器的壽命緊密相關(guān)。

對(duì)于一般的可變負(fù)載,在運(yùn)行環(huán)境滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件下,電解電容器的壽命在8年以上,更換電容器的費(fèi)用約占系統(tǒng)投資的5%～10%。國(guó)內(nèi)已有廠家推出無(wú)極性電容器替代電解電容器,據(jù)稱(chēng)壽命可達(dá)20年,但相同體積的無(wú)極性電容器的容量要比電解電容小得多,對(duì)系統(tǒng)輸入、輸出諧波、功率因數(shù)等指標(biāo)有影響,目前采用無(wú)極性電容器濾波的高壓變頻器用量很少,其工藝成熟度以及產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性影響尚待觀察,值得關(guān)注。