變頻器“一拖三”在脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵啟動上的設(shè)計及應(yīng)用

沈龍云，劉輝，姜大寶，劉寧

目前，在水泥廠高效煙氣脫硫工程中，一般有多臺低壓漿液循環(huán)泵，功率多為200kW及以上，需要大容量、低負(fù)荷率的變壓器才能滿足漿液循環(huán)泵工頻直起（大電流）的要求。而通過變頻器可以實現(xiàn)電機(jī)平滑啟動，同時可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，無工頻直起大電流。變頻器“一拖三”的啟動方式可逐次完成脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵的啟動工作，有效減少脫硫系統(tǒng)車間變壓器的容量，使變壓器在比較經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，可減少初期投資及后期的基本電費(fèi)，此啟動方案已應(yīng)用于多個項目中。本文結(jié)合工程項目實際，介紹了變頻器“一拖三”啟動方式主回路、控制回路的設(shè)計方案，同時針對工程調(diào)試過程中出現(xiàn)的變頻器“一拖三”啟動方式在變頻、工頻的切換過程中，存在的沖擊電流大、易跳閘甚至斷路器或接觸器燒毀的問題，給出了處理建議。

1 變頻器“一拖三”啟動方式設(shè)計方案

1.1 變頻器主回路

項目變頻器主回路如圖1所示，項目有三臺漿液循環(huán)泵，泵電機(jī)（M1、M2、M3）功率均為315kW，三臺漿液循環(huán)泵通過同一臺變頻器來逐次完成啟動。

1.1.1 泵電機(jī)

由于泵電機(jī)功率較大，低壓變頻柜與低壓開關(guān)柜通過母排并柜，低壓變頻柜除了在變頻器上口設(shè)置斷路器Q0外，每臺電機(jī)與電網(wǎng)都通過獨立的斷路器Q1、Q2、Q3進(jìn)行連接。接線過程中要嚴(yán)格保證輸出相序的一致性，即保證變頻、工頻切換后電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向一致。每臺泵電機(jī)配置有單獨的馬達(dá)保護(hù)器KH1、KH2、KH3，以實現(xiàn)工頻情況下對大功率電機(jī)的短路、過載、堵轉(zhuǎn)、缺相等保護(hù)。

1.1.2 變頻器

變頻器的進(jìn)出口電抗器由廠家配套提供，用于抑制啟動過程中產(chǎn)生的諧波（主回路圖中不再示意）。

1.1.3 接觸器

通過控制接觸器KM1～KM6的通斷來實現(xiàn)變頻工頻的切換以完成電機(jī)的啟動。

1.2 控制回路與信號回路

1.2.1 控制回路

（1）電機(jī)

圖1 “一拖三”變頻器主回路

圖2 “一拖三”變頻器控制回路

項目變頻器控制回路如圖2所示，每臺電機(jī)分別在機(jī)旁設(shè)置了現(xiàn)場急停按鈕，用于緊急情況下現(xiàn)場快速停止?jié){液循環(huán)泵；在低壓柜面板即低壓變頻柜上設(shè)置中控/機(jī)旁轉(zhuǎn)換開關(guān)以及啟停按鈕，用于實現(xiàn)對設(shè)備的操作。K1～K3分別為每臺電機(jī)的中控備妥信號，當(dāng)?shù)蛪汗裆系哪撑_電機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至中控位置時，該電機(jī)的備妥信號即上傳至中控系統(tǒng)。

（2）中控系統(tǒng)

Ka～Kc為電機(jī)M1～M3的變頻驅(qū)動信號，Kd～Kf為電機(jī)M1～M3的工頻切換信號，Kg為變頻器驅(qū)動信號，均通過中控系統(tǒng)控制。

（3）接觸器

由于在變頻器的輸出端是不允許與電源相連接的，接觸器KM1與KM4，KM2與KM5，KM3與KM6絕對不允許同時接通，在控制回路中設(shè)有非?？煽康碾姎饣ユi。

1.2.2 信號回路

項目變頻器信號回路如圖3所示，低壓變頻柜與計算機(jī)柜（即中控）的通訊信號共有21個，包括7個DO、1個AO、1個AI及12個DI信號。7個DO信號分別為變頻器驅(qū)動信號、泵電機(jī)M1～M3的驅(qū)動信號、工頻切換信號。1個AO信號與1個AI信號分別為變頻器的頻率給定以及反饋信號。12個DI信號分別為變頻器的故障、運(yùn)行、備妥信號，泵電機(jī)M1～M3的備妥、變頻啟動、工頻運(yùn)行信號。

圖3 “一拖三”變頻器信號回路

1.2.3 變頻、工頻切換

圖2與圖3中所有的中間繼電器的節(jié)點與接觸器的輔助觸點禁止重復(fù)使用。當(dāng)變頻器故障時，可將低壓柜面板選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到機(jī)旁位置進(jìn)行工頻啟動，允許工頻啟動的漿液循環(huán)泵的數(shù)量受變壓器容量的限制。以本項目為例，車間變壓器容量為1 600kVA，負(fù)荷率為66%，三臺循環(huán)泵的負(fù)荷占車間總裝機(jī)負(fù)荷的72%，因此最多允許兩臺漿液循環(huán)泵工頻啟動，且必須是在第一臺泵啟動完成并運(yùn)行穩(wěn)定后，才允許第二臺泵工頻啟動。正常情況下變頻、工頻中控切換要求如下：將變頻器設(shè)置為“自由停機(jī)”模式，當(dāng)?shù)谝慌_泵的頻率達(dá)到工頻且運(yùn)行穩(wěn)定后，中控取消變頻器驅(qū)動命令Kg；變頻器進(jìn)入自由停車狀態(tài)后，中控取消電機(jī)驅(qū)動命令Ka（Kb，Kc），發(fā)出變頻工頻切換命令Kd（Ke，Kf），接通第一臺泵工頻運(yùn)行回路；按照上述方法依次啟動第二臺、第三臺泵。

2 現(xiàn)場應(yīng)用及問題處理

2.1 現(xiàn)場調(diào)試過程出現(xiàn)的問題

變頻器“一拖三”應(yīng)用于脫硫項目漿液循環(huán)泵的依次啟動工作，現(xiàn)場反映，在變頻工頻的切換過程中，出現(xiàn)沖擊電流大、容易跳閘的問題，甚至有的現(xiàn)場出現(xiàn)了斷路器或者接觸器燒毀的現(xiàn)象。

2.2 問題分析

查閱大量文獻(xiàn)與資料發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生上述問題的主要原因是由于在變頻工頻切換過程中電壓相位不一致所致[1-2]，具體原因分析如下：

2.3 處理措施

2.3.1 延時切換

如果在變頻轉(zhuǎn)工頻時使電動機(jī)定子感應(yīng)電動勢大大減少，甚至在感應(yīng)電動勢等于零之后再合閘接上工頻電源，顯然能避免過大的電流沖擊。但是如果電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低過多，切換成工頻時相當(dāng)于電機(jī)變?yōu)橹苯訂?，變頻器就失去了降低啟動電流的功能。由于延時切換過程中沖擊電流仍存在，設(shè)計時，可以嘗試將斷路器Q1～Q3與接觸器KM4～KM6額定電流適當(dāng)放大；調(diào)試時，將斷路器短延時時間設(shè)置為0.4～0.5s左右[3]，要確保大功率電機(jī)的斷路器短延時整定值低于低壓開關(guān)柜總進(jìn)線斷路器短延時整定值，以防引起總進(jìn)線斷路器跳閘?？蛇x擇在電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低到一半的時候切換工頻，這樣在保證沖擊電流不太大的情況下，使變頻器的啟動功能得到一定的發(fā)揮。

圖4 三相異步電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻相量圖[1]

（1）nt/nMN的計算

電動機(jī)斷電以后的自由制動過程，轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：

式中：

nt——t秒時轉(zhuǎn)速，r/min

nMN——電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min

τM——拖動系統(tǒng)的機(jī)械時間常數(shù)，s

e——自然對數(shù)的底數(shù)

泵的機(jī)械時間常數(shù) τM=（0.7～1.0）s[2]，通過式（1）計算，t=0.4s時，nt/nMN百分比為56.47%～67%；t=0.5s時，nt/nMN百分比為48.95%～60.65%。

（2）E/E0的計算

電動機(jī)電磁時間常數(shù)經(jīng)過實驗測得τE≈0.6s[2]，在電磁過渡過程中，定子繞組電動勢衰減公式為：

式中：

E——定子繞組電動勢在t秒時的有效值，V

E0——定子繞組電動勢的初始有效值，V

τE——切斷電源后的電磁時間常數(shù)，s

e——自然對數(shù)的底數(shù)

通過式（2）計算，t=0.4s時，E/E0百分比為51.34%；t=0.5s時，E/E0百分比為43.46%。

綜上所述，延時切換具體操作步驟如下，先將變頻器設(shè)置為“自由停機(jī)”模式，當(dāng)?shù)谝慌_泵的頻率達(dá)到工頻時，且在工頻下運(yùn)行穩(wěn)定約1min后，中控取消變頻器驅(qū)動命令Kg，變頻器進(jìn)入自由停機(jī)狀態(tài)，中控程序延時0.1s發(fā)出取消電機(jī)驅(qū)動命令Ka（Kb，Kc），而后再延時0.3～0.4s發(fā)出變頻、工頻切換命令Kd（Ke，Kf），可以較順利地完成變頻、工頻切換過程。調(diào)試過程中在變頻與工頻延時切換時，為保障轉(zhuǎn)速不丟失過多，可以將變頻器的頻率略提高一點到52Hz左右再延時切換，以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.2 同相切換

經(jīng)調(diào)研，目前國產(chǎn)品牌產(chǎn)品也有一種變頻轉(zhuǎn)工頻的控制功能，其工作原理是檢測變頻與電網(wǎng)的波形、相位，但是該控制器面板上沒有調(diào)整變頻器的輸出電壓的功能。

3 結(jié)語

目前，變頻器“一拖三”啟動方案的上述兩種不同的變頻工頻切換方法在工程項目中均有應(yīng)用。

（1）采用延時切換的方法所用的設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)性好，合適的延時切換時間是保證切換過程平穩(wěn)進(jìn)行的關(guān)鍵。文中給出的延時切換時間是基于理論計算以及某工程項目調(diào)試反饋所得來的。但是由于不同接觸器反應(yīng)時間不同，不同斷路器的參數(shù)性能不同，不同功率的電動機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)以及電磁時間常數(shù)不同，導(dǎo)致斷路器、接觸器選型以及延時時間的設(shè)置存在差異，在工程調(diào)試階段需要投入一定的人力和時間。

（2）采用同相切換的方法，增加了設(shè)備投入，但可以很好地解決切換過程中存在的沖擊電流問題，節(jié)省調(diào)試時間。