毕业论文-变频调速系统中电动机保护问题的研究.doc
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1、毕业论文题目变频调速系统中电动机保护问题的研究作 者: 专 业:班 级: 学 号:指导老师:2021年4月20日目 录第章 绪 论 厂用电机变频改造的意义 国内外厂用异步电机变频调速概况 国外厂用异步电机变频调速情况 国内厂用异步电机变频调速情况 高压变频调速系统继电保护研究现状 小结第章 变频调速系统中的电动机保护分析 变频器原理 主流变频器的性能比较 高压变频调速方案的分析与比较 变频器的保护功能 变频系统中的电动机保护分析 变频系统中接线方式的比较与选择 变频系统的工、变频切换方式选择 工频方式下电动机的保护配置方案 变频方式下电动机保护面临的问题 变频方式下电机差动保护的装设范围分析
2、变频方式下电动机的保护配置方案 本章小结第章 电动机工频运行时保护问题研究 差动保护存在问题的分析及解决方案的研究 不平衡电流导致纵差保护误动的解决措施 饱和识别方案研究 采样坏数据的判别及处理方法 本章小结第章 电动机变频运行时保护及整定研究 长启动保护 电流速断保护 采样值差动保护及相关原理研究 相量差动保护所遇到问题的分析 采样值差动保护原理 、及的选取原那么 采样值差动保护动作模糊区的讨论 采样值差动保护抗饱和原理 采样值差动保护实现方案 低电压保护 过电流保护接地保护 变频调速后电动机温度的变化及原因分析 本章小结第章 电动机差动保护装置开发 装置硬件设计 装置硬件的总体设计 保护装
3、置的架构 保护装置的结构设计 装置软件设计 装置软件传统开发的缺乏及图形化平台的提出 图形化保护平台根本功能的实现 保护元件的划分与数据传递 微机保护中图形化编程的实现5 组态逻辑结果的生成和编译 代码的烧录与加载 本章小结第章 结论与展望参考文献致 谢变频调速系统中电动机保护问题的研究 摘 要为了降低厂用电率,同时为了改善电机的运行环境,目前越来越多的电厂在进行高压电动机采用变频器调速的技术改造。改造对电动机的传统保护方式产生怎样的影响,传统保护方式能否在改造后正确动作,倘假设不能正确动作义该如何重新整定以适应变频运行环境,这些问题自然地得到了继电保护工作者的重视和研究。针对上述存在的问题,
4、本文对厂用电机变频改造后的继电保护进行了研究,提出了有效的理论方法。主要工作如下:简要介绍了国内外电厂中电动机应用变频器实现变频调速的情况;对目前国内采用的高压电动机变频调速方案和不同的一次接线设计的优缺点进行了分析;给出了电动机工频方式下的保护配置,通过对电动机变频运行时面临问题的分析,给出了电动机变频运行方式下的保护配置;针对工频运行方式下的电动机差动保护误动和饱和问题,分别分析了问题的原因,并提出解决方案。以电动机变频运行时的保护及整定为重点,从改造带给电动机常规保护的影响着手,详细分析了改造后电动机的长启动保护、电流速断保护、低电压保护、接地保护、过电流保护的整定方法;针对变频运行时相
5、量差动不能使用的问题,提出了应用采样值差动保护作为需配置著动保护的电动机主保护的解决措施,深入分析了采样值差动保护的原理、及选择方法、动作模糊区等问题,最后给出了采样值差动的保护方案。文章最后简略介绍了电动机差动保护装置的硬件配置,论述了基于图形化开发平台的电动机保护软件开发思想,分析描述了图形化平台的功能与特点,并基于该平台完成了差动保护动作逻辑图的组态,实现了基于该平台的电动机差动保护软件的开发。关键词:变频;异步电动机:微机保护;变频调速系统中电动机保护问题的研究第章 绪 论厂用电机变频改造的意义目前,厂用电机系统存在的主要问题是:电动机及被拖动设备效率低,电动机、风机、泵等设备陈旧落后
6、,效率比国外先进水平低个百分点;系统匹配不合理,“大马拉小车现象严重,设备长期低负荷运行;系统调节方式落后,大局部风机、泵类采用机械节流方式调节,效率比调速方式约低。这是因为,由于电网负荷结构的变化,近年来电网的负荷峰谷差越来越大,局部时段发电机负荷降低,很多大型火电机组也要参与调峰和深调峰运行。频繁的调峰任务使高压电机的启停次数增加,在启动过程中因受冲击而造成过热、绝缘损坏以至烧坏电机的情况逐年增加,严重影响电动机的机械寿命;另一方面,采用调整挡板、阀门的开度或空放回流的方法进行输出量的调节,导致辅机和驱动电动机长期运行在低效率工作区,造成大量节流损失,能源浪费严重。电厂在生产电能的同时,本
7、身也是耗电大户。设备效率低,厂用电率居高不下是长期以来困扰发电企业的主要问题之一,尤其是年以来,因为燃煤价格的上扬,发电本钱大幅提高,造成发电企业盈利水平下降。随着电力行业改革的不断深化,厂网分家、竟价上网政策的逐步实施,降低厂用电率,减小发电本钱,提高上网电能的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济目标,而且要求越来越迫切,因此发电厂较以前更加重视以经济效益为中心、追求经济效益最大化的经营方针。改造落后高耗能设备,降低电耗,提高经济效益将是电厂今后一段时间内的重点工作。国内电机系统的用电量约占全国用电量的,全国现有各类电机系统总装机容量约亿千瓦,运行效率比国外先进水平低个百分点,相当于每年浪费
8、电能约亿千瓦时】,由此可知,电机节电潜力巨大。对发电厂机组进行高压变频技术改造,无疑是降低厂用电率最好的手段之一。?“十一五十大重点节能工程实施意见?提出,为了提高电机系统效率,应推广变频调速这种先进的电机调速技术,改善风机、泵类电机系统调节方式,逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式,重点对大中型变工况电机系统进行调速改造,合理匹配电机系统,消除“大马拉小车现象。目前,越来越多的电厂在进行高压电动机采用变频器调速的技术改造。有些业主在新建电厂中明确提出,重要辅机必须考虑采用变频器拖动。实现异步电动机的变频调速,是创造异步电动机近百年以来人们翘首以待的“世纪之梦。通过人们不懈努力、提高和完善,其
9、调速工作特性毫不逊色,即使与直流调速系统相比,某些方面还将超过直流调速。采用变频调速后,可以很方便地构成闭环控制,进行自动调节。调节器输出的信号传到变频器,通过变频器调节电机转速,可以平滑稳定地调整输出特性,而且调速精度高、性能稳定、维护简单,易于实现生产过程的自动控制。国内外厂用异步电机变频调速概况国外厂用异步电机变频调速情况美国电力研究所于年就开始研究电力电子可调速传动在电厂大型异步电动机上的应用,并在年进行了连续五年的风机和泵类负载大型异步电动机变频调速现场试验,对大型变频调速装置的可靠性得出肯定的结论,认为只要使用细心,电力电子装置是耐用和可靠的,而控制系统更可以提供无故障运行;目前设
10、计完备的变频器在即使出现故障时也可以通过功率单元旁路、切换运转等方法防止停机。研究同时认为,在年度负载曲线和燃料费用正确配合的情况下,年可收回投资费用。各工程的投资回收年数差异较大,主要因为燃料价格较高,燃油和燃气机组回收本钱更快。随着的开展美国发电厂开始大量应用型直接高压变频器,并开始采用矢量控制。到年已有台以上电流源型变频器在发电厂大型异步电动机上使用,功率范围为:如一台燃油气机组上安置了两台变频调速装置,以控制两台感应式异步电动机的转速,该机组长期运行在甚低负荷工况,在非峰值期间,该机组有时空转运行,未改造前风机在低负荷工况效率下降,改造后风机效率可接近试验水平的,且根本不受机组负荷的影
11、响,全年可节省费用万美元,两年即收同投资。目前,国外发电厂已经将中高压变频调速技术比较广泛地应用于大型异步电动机中,通过它们长期运行实践可见,中高压大功率变频调速系统的经济效益良好,其可靠性也是可以得到保证的。国内厂用异步电机变频调速情况近年来,国家大力支持节能技术改造工作,?中华人民共和国节能法?、国务院、财政部等都对节能有规定,指出“实现交流电动机调速节电作为重点措施,认真推广。发电厂的发电煤耗、厂用电率指标为发电厂考核的首要指标,另外,电网迅速开展,对机组的调峰能力要求越来越高,调节辅机以适应电力平安、经济运行,直接影响到电厂的平安性和发电本钱,国内许多发电厂采用了变频技术进行技术改造,
12、并取得了很好的效果。如山东黄岛发电厂的两台送风机引进美国罗克韦尔变频装置,年节电万度,可节约万元,两年内即可收回全部投资;华能新华电厂的吸风机、给水泵采用美国罗宾康多重化无谐波变频装置,节电率到达;四川华鉴山发电厂在锅炉送引风机上采用国产北京利得华福单元串联多电平变频装置,节电效果到达。随着我国电网的不断扩大和电力作为商品逐渐成为买方市场,机组负荷率降低,大型机组也需要调峰运行甚至两班制运行,发电部门将越来越重视辅机工况调节时的节能问题。通过上述分析,随着高压大容量变频调速技术的日益成熟和产品价格的下降,将其应用于国内发电厂大型辅机,在技术和经济方面都是可行的。高压变频调速系统继电保护研究现状
13、在降低厂用电率的同时,保证机组平安可靠地运行成为电厂管理人员和电气技术人员十分关注的问题因此,应用高压变频器,对电动机继电保护配置方案以及保护整定的影响,理所当然地得到了继电保护工作者的重视和研究。解决好这个课题,成为保证电厂平安运行的关键,具有重要的现实意义。随着变频调速理论和制造工艺的进一步开展,国内外变频厂家对其变频器产品进行了大量的技术改良与完善,变频器的运行可靠性较前几年已经有了很大的提高。但不可否认,变频器作为一个复杂的大功率电力电子装置,其长期稳定运行仍然受一定冈素的影响,如电磁干扰、元器件质量、环境温度、空气洁净度和人员维护水平等,正由于有上述因素的存在,发电厂在厂用高压电动机
14、变频改造上抱有疑虑,发电厂重要辅机一旦跳闸,将直接导致发电生产过程的波动、中断,给电厂平安稳定运行造成冲击。在变频改造中,如何防止由于变频器故障造成的事故,提高机组辅机的运行可靠性,成为电厂最重要的考虑。为此,除了选择可靠性高的变频器外,电厂一般还会要求变频器配置完善的保护功能。因此在以往的高压变频器调速系统的实现上,人们关注电力电子器件的性能及变频功能本身的实现,保护方面较多考虑对电力电子器件的保护,如的吸收电路、快熔保护等,而较少涉及高压变频系统中电动机的保护。高压变频调速系统分为变频、工频两种运行方式,而工频方式下电动机的保护相对成熟,故应把重点放在变频调速系统变频运行时电动机的保护上。
15、本文将对此进行有益的研究。小结本文完成的主要工作有:通过分析电动机变频运行方式与工频方式下电气量的差异,对电动机变频运行时保护面临的问题进行了分析,并给出变频时电动机的保护配置。针对电动机自启动过程中,由于普通保护级传变特性不一致导致差动保护误动这个问题,提出两种有效的解决方案;针对在故障发生时可能存在饱和导致差动保护误动的问题,给出了饱和的主要判别方法。详细分析了改造后电动机的长启动保护、电流速断保护、低电压保护、接地保护、过电流保护的整定方法;针对变频运行时相量差动不能使用的问题,提出了应用采样值差动保护作为需配置差动保护的电动机主保护的解决措施,深入分析了采样值差动保护的原理、及选择方法
16、、动作模糊区等问题,最后给出了采样值差动的保护方案。简略介绍了电动机差动保护的硬件配置,分析描述了图形化平台的功能与特点,并基于该平台完成了差动保护动作逻辑图的组态,实现了基于该平台的电动机差动保护软件的开发。第章变频调速系统中的电动机保护分析变频器原理从交流异步电动机的转速公式可以分析如何改变异步电动机的转速:一式中:以电动机运行时转速电动机电源频率电动机极对数电动机转差率由上式可看出,只要调节、或厂三个变量,即可实现调速目的,由此,可得出三种根本调速方法:改变电机的极对数。属于有级调速,应用场合有限。如某些电厂采用的双速循环水泵、双速引风机即采用这种调速方式。改变电机的转差率。这种调速方式
17、结构简单,有一定的应用场合。如串级调速、转子串电阻调速均属这种方式。改变电机电源的频率厂。该调速方式效率最高,可以构成高动态性能的交流调速系统,是应用场合最多,最有开展前途的一种调速方法。电动机一旦制造完成,其、一般已经确定,由于转速刀与频率厂之间为线性关系,从理论上分析调速范围在,内,线性度都很好。变频调速技术的根本原理即是根据上述电机转速与工作电源输入频率的正比关系,通过改变电动机工作电源频率到达改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交直交电源变换技术,利用半导体器件的通断作用来实现电能频率变化的电子控制装置。它首先把的交流电源利用半导体器件的通断作用变为频率为零的直流电源称为整流
18、;然后把频率为零的直流电源通过电力电子半导体器件的通断作用变换成某一频率的交流电源叫做逆变,从而实现输出交流电源电压与频率的改变。载波正弦波脉宽调制电压逆变器是目前变频电源的主流产品,在工程实际中应用最多下面以图所示的电压型三相桥式变频器电路为例,来说明变频器的工作原理忉。大功率晶体管变频器的基极驱动信号在控制电路中一般常采用载频信号与参考信号玑相比较产生,这里采用双极性等腰三角形锯齿波电压,而为双极性正弦波。在与波形相交处发出调制信号,那么产生的调制波是一系列等幅、等距而不等宽的脉冲列,其调制波形如图所示。从图可以看出,¥调制的根本特点是在半个周期内,中间的脉冲宽,两边的脉冲窄,各脉冲之间等
19、距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比,脉宽根本上呈正弦分布。输出电压的大小和频率均由正弦参考电压珥来控制。当改变的幅值时,脉宽即随之改变,从而改变输出电压的大小;当改变的频率时,输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值必须小于等腰三角形的幅值砜。,否那么就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系。主流变频器的性能比较高压变频器的类型高压变频器根据其高压组成方式可分为直接高压型和高低高型。直接高压型根据有无中间直流环节可分为交交变频器和交直交变频器,由于交交变频器连续可调的频率范围小,一般为额定频率的以下,当前工程中普遍使用的是交直交型变频器。在交直交变频器中,按中间直流滤波环节的不同
20、又可分为电压源型和电流源型。按照上述标准划分出的层次关系如图所示。电流源型变频器是在电压源型变频器之前开展起来的早期拓扑,它在逆变器直流供电侧串联大电感,能抑制短路等故障时电流的上升率,故电流源型变频器的过流和短路保护容易实现;电压源型变频器在直流供电输人端并联有大电容,一般电压源型变频器的过流和短路保护实现起来那么较为困难,只有二电平电压源型变频器设有直流电感,可抑制的上升速率,易实现过流保护和短路保护。功率器件串联二电平电流源型变频器美国罗克韦尔公司的系列采用这种方案。图是功率器件串联二电平电流源型变频器结构示意图,采用大电感作为中间直流滤波环节,整流电路采用晶闸管作为功率器件,根据电流电
21、压的不同,每一个桥臂需由串联,而逆变器采用或、等功率器件串联。这种设计的优点是主回路结构简单,可实现再生制动,变压器可根据需要选用油浸式或干式,变压器和变频柜可分开放置。但由于是电流源型,其输入侧功率因数较低,对母线电压的适应能力差如电压骤降、周波缺失;另外,其输出侧电压电流波形不如单元串联多电平变频器好,对网侧谐波的影响也较单元串联多电平电压源型逆变器大。中性点钳位三电平电压源型变频裂的采用这种结构。三电平高压变频器又称“中性点钳位式高压变频器,是近几年才开发和推出的一种高压变频器,高压变频调速系统采用中性点钳位三电平技术。变频器主要由输入脉冲变压器、整流器、中性点钳位回路、三电平模式逆变器
22、、输出滤波器、控制局部等组成。整流电路一般采用二极管,钳位采用高压快恢复二极管,逆变局部功率器件采用、或。初期使用时,由于输出电压与电机工作电压不直接匹配,对须将高压电机“接法改为“接法。当变频器故障时,又改回去,工频运行。为此可在输出端增设一个自耦升压变压器,可直接用于和高压电机,类似上下高方式。这种结构的优点是器件少,具有电压源型调速范围宽、动态响应速度快、功率因数高等优点,但是有如下缺点:需有变换装置,才能实现工频变频切换。对于高压电机,三电平变频器采用改接的方法,将型接法的电机改为接法。但在进行了改接后,电机的电压与电网的电压不一致,无法实现旁路功能,当变频器出现故障时,为了保证生产的
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