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案例頻道1．概述
變頻器不僅能夠節約大量能源，而且可以解決生產工藝上能源的合理可靠應用，近幾年我單位因工藝和節能需要，新上了不少高低壓變頻器，而在我公司水處理中心泵站新上的1臺北京合康公司生產的10kV高壓變頻器，在節約能源和穩壓控制上起到了關鍵作用，滿足了軋鋼生產對水壓的需求。該項目在設備選型以及電氣設計中可以作為一個典型的事例。
2．改造對象的描述
該泵站有兩臺水泵機組（一用一備），共用一個母管向軋鋼不間斷供高水壓冷卻水。該水泵機組的電機采用高壓10kV、710kW普通電機，兩臺分別接在不同母線段上；兩臺水泵的開、停由值班人員根據生產調度的要求進行正常的開、停泵操作；該水泵機組的母官水壓要求為1.2Mpa，流量1100m3/h左右；但由于用戶用水情況不穩定，經常產生突變，流量變化為100m3/h—1300m3/h，這樣該泵組的水壓變化很大，母管壓力太高時都可能出現超壓力，值班人員緊急通過調整出水閥門開度來控制母管壓力，水泵內部的壓力就更高，這樣造成能源大量浪費，而且這種情況容易造成水泵和母管的損壞，特別是母管上的卸壓閥動作頻繁經常損壞每年維修費用就在20萬元以上。由于用戶的用水變化的特點無法改變，因此只有用變頻調速以滿足用戶供水的要求，同時使供水設備安全、穩定運行。
該中心泵站高壓水泵電機變頻改造范圍為1#機和2#機，采用一拖二方式進行變頻改造。電機參數如下：
型 號：Y500-4 額定功率：710kW
額定電壓：AC10kV 額定電流：49.6A
額定轉速：1484rpm/min 頻 率：50Hz
絕緣等級：F 功率因數：0.87
接 法：Y 冷卻方式：IC01
3．變頻改造方案說明
高壓變頻器應滿足該泵站兩臺電機變頻改造的技術要求，變頻器采用一拖二帶旁路方案，變頻器可分別帶1#或2#電機，當變頻器出現故障時，可自動切換到另一臺電機工頻旁路運行。高壓變頻器基本要求如下：
1） 要求直接高壓的高高變頻器；
2） 要求變頻器整流脈沖數在18脈沖以上（含18脈沖整流）；
3） 如果帶隔離變壓器要求一定為干式變壓器；變壓器盡量在變頻柜內布置。
4．對于變頻改造的基本要求
按照改造要求，電機變頻將采用如下控制方式：
1） 一套變頻器裝置通過切換可以分別控制兩臺電機，即變頻器可在1＃、2＃電機之間手動切換運行。變頻器兩臺出線開關之間、工頻開關之間以及工頻與變頻開關之間具有完善的硬接線閉鎖功能。
2） 當變頻器出現故障，自動切換到工頻旁路運行，保持生產的連續性，同時切換動作報警信號送監控后臺。
3） 變頻器頻率可在0—50Hz范圍內調節。變頻器單獨設置高精度PI調節功能，4～20mA壓力信號直接來自現場總管壓力變送器的4～20mA壓力信號，自動調節變頻器轉速達到恒壓閉環控制水管壓力的要求。
4） 變頻器電源柜、工頻柜、變頻出線柜間的啟動停止及閉鎖等邏輯需進入現場已有的PLC監控后臺。
5） 可在變頻器操作鍵盤上方便地實現電機的啟停、速度給定及參數調整等。
6） 在操作室PLC后臺系統中可以對變頻器的壓力、電流、轉速、起/停等進行監控。
7） 變頻器故障、保護動作、自動切換等需在監控后臺進行報警顯示。
8） 系統零速至全速起動時間不大于10s
9） 變頻器輸入輸出達到完美無諧波，諧波分量完全滿足GB/T14549-93國標及IEEE519-1992國際標準的要求。
10） 功率因素可以達0.95以上，效率可達97％以上（含輸入隔離變壓器）。
11） 控制電源：兩路交流電源互為備用+UPS電源，大大提高控制電源可靠性。
12） 正常電壓波動范圍：10.5kV±10%。
5．電氣設計幾點注意事項
1）地刀問題
大多數高壓變頻器均為改造項目，原工頻回路的開關柜均為已有，且原開關柜均已加裝地刀。在變頻器改造中將該地刀取消拆除，否則容易造成誤操作而發生事故。工頻柜地刀是與本柜斷路器實現電氣和機械聯鎖的，與新增加的變頻柜不實行聯鎖，在電機處于變頻運行狀態時，工頻柜下柜是帶電的，因此地刀必須處于斷開位置。特別是在變頻器調試前是非常值得關注的安全問題，最可靠的辦法是將該地刀拆除，以徹底杜絕誤操作事故的發生。
2）聯鎖問題
對于高壓變頻器一拖二的方案，整個變頻系統上的開關柜必須采取聯鎖保護，采取的聯鎖措施如下：
1#機變頻出線柜斷路器3DL和工頻回路斷路器1DL之間的聯鎖；
2#機變頻出線柜斷路器4DL和工頻回路斷路器2DL之間的聯鎖；
變頻器輸出斷路器3DL和4DL斷路器之間的聯鎖；
整個系統確保只能由一路電源給電機供電，并保證工頻電源不會倒送至變頻器輸出端造成變頻器功率器件的損壞。為確保斷路器之間的聯鎖能夠可靠，必須通過試驗手段來檢驗。
3）保護設置問題
新訂購的兩臺變頻器出線柜即3DL和4DL柜均加裝了微機保護裝置，該兩臺裝置的保護功能均設置為退出，該保護裝置的主要功能為采集電流和控制斷路器分合閘使用，為何采用退出該保護功能設置，主要從保護變頻器本身著想。如果在變頻運轉狀態該變頻出線開關先于變頻器或變頻電源柜跳閘，由于功率的突然變化，會導致變頻器因負荷IΔ量的突然變化而造成功率單元損壞。因此只需在變頻器本身及其電源柜設置相應的速斷和反時限保護即可滿足要求。而工頻柜的保護設置則與此相同。
4）保護設置引伸問題：
當變頻器出現故障時，在控制回路中設計為變頻器本體輸出一副變頻器故障信號接點到變頻器電源柜5DL的跳閘回路中去，然后通過5DL常閉接點到變頻器出線柜3DL或4DL的跳閘回路中去，先將5DL再將3DL或4DL跳閘，這時啟動工頻旁路自投回路，將1DL或2DL合上，以保證電機的連續運轉。但當變頻器輸出電纜或所帶電機出現故障時，變頻器檢測到故障后同樣輸出相同的一副變頻器故障信號接點，這時變頻器檢測不出是內部故障還是區外故障，以上的動作邏輯要照樣執行，最后用工頻回路的保護將故障切除掉。造成的損害就是發生故障的電氣點再次發生短路。這是我們所不希望的，但從保護變頻器的角度來看只能如此。
有一種情況是另外，就是有冷卻油循環的離心風機上。如果變頻運轉狀態下的離心風機突然接受油壓油溫等儀控信號，必須立即跳閘，否則容易對風機造成損壞，嚴重的甚至造成燒機現象。因此在該類型的風機變頻自投切轉工頻回路的設計上，考慮當有油壓油溫等儀控信號出現時，實行徹底停機或自動啟動備用風機的設計思想。我們采取的設計方案是徹底停機的方案，在工頻自投的合閘回路中串一副儀控信號的常閉接點，當油站正常時，接點閉合，合閘回路通路；當有儀控信號出現時接點打開，自投切不成功，同時將信號送PLC后臺進行報警顯示。在改造中這一點往往是容易被忽視的。
5）變頻器風扇控制電源設計問題
高壓大功率機電設備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進行良好的通風散熱，但通風和防塵又是一對很難解決的矛盾。
因受環境的影響較大，需要保持在一個干燥以及適當溫度的環境下運行，為此我們在變頻器附近安裝了一臺空調來保證變頻器的運行環境。但當變頻器運行在一個濕度較大的環境，必須慎重考慮變頻器冷卻系統的電源設計。常規設計采用雙路電源接入，兩路電源能夠實現自動切換功能，當一路電源失電另一路能夠自動投切上去，在電源輸出回路同時加裝一定容量的UPS電源。并在變頻器的操作步驟上，必須明確規定，在變頻器運行前和停運后均必須將風冷系統運行10分鐘以上，以避免變頻器內部忽冷忽熱而形成淋露，造成單元的損壞。
6）自動投切問題
鋼鐵企業生產是連續性，不容許有停機的情況發生，否則會造成很大的損失，甚至發生安全事故，因此為保證所帶電機的連續運轉，應設置自動投切功能，在變頻出故障的情況下能自動投切至工頻狀態運行。但自動投切不能采用瞬時投切，而應該躲開電動機停機后產生的自感電動勢，選擇在電磁衰減基本結束后進行投切。這樣可以避免電動機定子繞組的電動勢和工頻電源電壓疊加，對電機繞組的絕緣造成破壞。
由電機學理論我們知道異步電動機切斷電源后，存在著一個處于同步發電機狀態的電磁過渡過程。異步電動機切斷電源瞬間，定子繞組的自感電動勢將隨著磁場的消失而消失；轉子的自感電動勢將阻止電流的消失，轉子繞組中的電流將有一個逐漸衰減的過程，同時轉子電流產生一個逐漸衰減的直流磁場。我們在實際調試過程中，采用模擬試驗的方式來測定。一般電磁過渡時間約為5s。
電機的工作頻率是由工況決定的，因此變頻器發生故障時，究竟在多大頻率下工作是無法預知的；故障切換為非同步切換，因此不考慮變頻器輸出頻率與工頻電網電壓、頻率和相位之間的關系。
因此我們對工頻自投回路中的延時繼電器整定為7s時限，經過測試電機均以較小的啟動電流熱啟動，保障了工藝安全，又保證了電機的安全運行。
通常自動投切的情況大致可為兩種情況，一是變頻器本身故障引起的自動投切，另一種是外部電網發生瞬時電壓波動造成變頻器跳閘而引起的自動投切。鋼鐵企業電網發生波動是不能完全避免的，但可以采取相關技術措施減少因電壓波動帶來的停機事故的發生。對高壓斷路器采用低電壓延時1s動作時限來設置，對低壓接觸器采用雙路切換的方式，或對低壓接觸器加裝延時模塊的方式來解決電壓波動引起的跳閘。
6．結束語
變頻改造是一個系統工程。安裝變頻調速裝置后，風機可軟啟軟停，減少設備機械沖擊，延長設備使用壽命。由于變頻調速裝置的頻率控制精度為0.1%，因此壓力控制精度大大提高，保護管網安全穩定運行。系統投運一年來，運行穩定，調節效果顯著，節約了大量的電能。經過測算每年可以節約60萬元以上的經濟效益，經濟效益和社會利益顯著。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號