摘要：变频器已被广泛地应用于火力发电厂里的给煤机，但是当给煤机应用变频器后，6kv厂用电源瞬停切换时会导致锅炉熄火停炉，造成重大经济损失。以上海宝钢股份公司电厂为例，介绍了电厂锅炉给煤机变频器因电源瞬停或电压瞬时变化引起跳闸的隐患，对变频器主电路及其工作原理进行分
引言
通用变频器以其优越的调速性能和节能效果已被广泛应用。在国内电力行业已投用和新建的大、中型燃煤电厂中，锅炉制粉系统的给煤机已纷纷采用通用变频器替代滑差调速控制驱动。不仅提高了给煤机的给定控制性能和计量精度，而且与原来滑差调速控制相比具有显著的节能效果。在各种容量的调速传动系统中，电压型通用变频器已经成为各行业用户首选的调速驱动装置。
在上海宝钢股份公司电厂3台350MW引进机组的锅炉制粉系统中，15台给煤机均采用美国STOCK公司产品，经对2O世纪80年代初投产的2台机组的给煤机进行技术改造后，采用通用变频器来调速，控制性能和计量精度得到了提升。改造后发现给煤机使用变频器后，当6kV厂用电源瞬停切换时，机组原有的FCB（机组快速切回）功能在实际运行中无法实现，经试验和查找确认是运行中的变频器在6kv厂用电源瞬停切换时发生全部跳闸造成的。20世纪90年代末投产的第3台机组变频器调速给煤机也有同样情况发生。
一、通用变频器用于给煤机的隐患
目前国内外各变频器制造商生产的通用变频器属电压型，都设有“电源电压异常波动”保护功能。变频器交流电源供电时，当电压波动大于额定电压的±15％时，变频器内部自身的保护功能将跳闸。
该厂锅炉制粉系统的给煤机采用通用变频器驱动后，变频器的电源因6kv厂用电瞬时停电切换（持续时间约为600ms）时，电压瞬时变化量超过了变频器的允许值，所有运行中的给煤机变频器同时跳闸而触发发电机组的MFT（锅炉主燃料断）保护功能动作，并使FCB功能不能实现，导致锅炉立即熄火停炉。一次熄火停炉后再重启不但在经济上造成几十万元的损失，还降低了机组对电网供电的品质。
虽然一些品牌的通用变频器具有电源瞬停再启动的功能，当发生变频器电源瞬停时能停止输出不作故障跳闸处理，但有一个停止信号输出，虽然电压瞬间恢复到额定电压的85％后再自动重新启动，这对于锅炉给煤机，在自动重新启动之前在这一停止信号输出的瞬间，已经造成MFT保护功能的动作，还是会导致机组停炉。因此，在电厂锅炉给煤机上使用通用变频器，必须采取相应的技术措施来提高抗电源电压瞬时变化的能力，消除发电机组正常运行及故障时6kV厂用电切换中的隐患。
在该厂的3台350Mw燃煤发电机组中，为了提升发电机组在发生某些故障后能快速恢复向电网供电的能力，设置了FCB的功能。其作用是当发电机组发生某些故障时，能避免锅炉熄火停炉（即停机不停炉），它可避免一次因紧急停炉对锅炉各子系统设备造成巨大的冲击损耗，延长锅炉系统设备的使用寿命。且当故障解除后，具有快速恢复向电网正常供电的能力，提升了发电机组的供电品质，还可获得显著的节水、节电、节省燃料和供电效益。因此给煤机变频器在电源瞬停或电压瞬时变化时维持连续运行对电厂极其重要。
二、已有技术和措施
2.1 采用直流电源供电
国内外有一些品牌公司制造的通用变频器供电电源具有交流、直流两用的配置。对于重要敏感的驱动设备采用直流电源供电，以避免因交流电源发生瞬时停电或电压短期变化引起变频器跳闸。其缺点是用户需要配置性能可靠、大容量、高电压(54OV左右)的专用蓄电池组和充电装置，整个装置占地空间大，成本高，维护工作多，运行成本高。
2.2 采用UPS（不间断电源）电源供电
对于驱动重要敏感设备的中小容量通用变频器，通过UPS来供电，可以避免因交流电源发生瞬时停电或电压短期变化引起变频器跳闸。其缺点是UPS电源无论采取一对一配置，还是集中配置，设备体积大，价格高，维护工作多，运行自损耗大。
2.3 配置动态电压补偿装置(VR)
它的工作原理是将动态电压补偿装置串接在电源和通用变频器之间，装置中的电压监测单元一旦检测到电压凹陷（下降），即触发控制内部逆变器，将装置内直流电压逆变成相应幅值和相位的交流电压叠加到电压凹陷的线路上，整个过程约2ms，使通用变频器免受电压波动的影响。其缺点是动态电压补偿装置是有源的，需要从其他电源系统另接一路电源，不管是一对一还是集中配置，设备体积大，价格很高，运行成本也很高。
2.4 配置两路交流电源
变频器电源分别从2段专用供电母线上接出，且该2段供电母线按互为备用的方式配置。其"常用-备用"，互为切换回路必须在变频器"低电"压”保护跳闸前将备用电源快速切换上去。其接触器切换回路不能带延时，若切换逻辑回路异常或失控，有造成切换失败和不安全的隐患，供电安全性差[1-2]
2.5 优化给煤机控制器的控制逻辑[3-4]
对给煤机控制器内部的控制逻辑作优化修改，这个修改需给煤机控制器的制造厂实施。其方法是在给煤机变频器因电源瞬停切换已实际跳闸的期间，给煤机的控制器中的逻辑对变频器的“停止”和给煤机电动机的“失速”信号作延时处理，使上位的控制系统仍接收到“运行中’，的信号，在电源恢复正常时再自动重启给煤机变频器。其优点是设备改动少，缺点是当厂用电瞬时停电切换或因其他原因造成电源电压波动超过额定电压的士15％时，运行中的所有给煤机同时有一个“缈闸一再启动”的过程，虽然能避免触发MFT保护动作和熄火停炉故障，但给煤机实际有一个瞬停的时间，再启动后的输出对制粉系统会产生超调和振荡现象。
三、通用变频器
中小容量通用变频器内部主电路一般有2 种，目前应用较多的是中点钳位式，其主电路如图l所示。
3.1 主电路简述
它由二极管整流桥D、直流环节DC和逆变桥TR3部分组成。工作原理是当变频器电源开关合上后，三相交流电源经二极管整流桥D转换成直流，直流输出首先经启动充电电阻R向滤波电容C充电，当直流环节 DC上的电压达到一阂值电压，变频器内部电压检测回路控制微型接触器K接通（或晶闸管导通），短接启动充电电阻R，再继续加速向滤波电容C充电，直至直流环节DC上的电压达到工作电压，变频器便处于待机状态。
3.2 电源电压异常时的跳闸
变频器在外部“启动’，指令信号控制下运转时，三相可控逆变桥TR按“速度”指令信号将直流电压逆变成相应的三相交流电压和频率输出，驱动交流电动机调速运转。当运行中的变频器三相交流电源瞬时停电或电压瞬时变化时，主电路直流环节DC上的电压因带着电动机负载运转将快速下降，当降到“低电压”保护的动作值时立即跳闸。对于小惯量负载的电动机，其转速迅速降到零，这个过程的持续时间视变频器容量和电动机负载大小而定。
现有标准的通用变频器带额定负载一般维持十到数十毫秒，因此，通用变频器在有特殊要求的应用领域使用会受到一定的限制。
四、维持变频器连续运行的新方法
在该厂3台350MW机组的6kV厂用电系统中，因机组某种故障或外部电网的系统故障，6kV厂用电源系统由快切装置瞬时停电切换到公用 6kV电源时，或者因厂用电源系统上大容量设备启动操作或厂用电源系统上发生短路造成电源电压暂时变化时，接在厂用电源6kv系统下的 400 V MCC母线上的给煤机变频器因母线上的剩余电压瞬时降到额定电压的85％以下(或15％以上)，运行中的给煤机变频器因内部直流环节上的电压降到“低电压”，（或“过电压”）设定值而全部跳闸，机组 DCS 控制系统中的PPS（机组保护装置）收到运行中给煤机全部“停止”信号后，触发MFT保护动作，使FCB功能条件不能成立，导致锅炉熄火停炉。对此，该厂迫切需要解决这一因厂用电瞬停或电压瞬时变化引起运行中的给煤机全部跳闸而导致锅炉熄火停炉的重大隐患。
4.1 方法一
根据通用变频器主回路的工作原理，对于电源瞬时停电时间短、电源系统电压下降量小、驱动电动机功率小的变频器，在直流环节DC上，依据用户电动机实际运行负载容量的大小，可直接在滤波电容C上并接相应电容量的储能电容器Cs，以增加直流段上存储的能量来维持变频器在电源瞬停切换期间或电压暂时、瞬时变化时继续按原输出值驱动电动机平稳运行。
此方法结合给煤机控制电源回路改进，简单易行，完全能够满足一般小功率电动机应用，已在该厂给煤机上成功实施。
4.2 方法二
对用于电源瞬停切换时间较长或电压变化持续时间较长、电动机负载容量较大的通用变频器，受变频器最大允许通态电流的限制，欲增设的大容量并接储能电容器CS不能直接并接。若直接并接则产生3种情况：烧毁整流桥D、充电电阻R、微型接触器K接点；跳变频器输入侧开关；抬高直流环节Dc上工作电压较大，易引起主回路上的相关元器件提前老化或损坏。因此，用于这样的场合时，在直流环节Dc上需通过增设1个充放电组件再来并接储能电容器CS, 避免变频器交流电源投入时对直流环节DC的充电造成过流冲击。在电源瞬停切换或电压暂时、瞬时变化期间能使直流环节DC上的电容器C放电一再充电过程达到平缓过度，且维持电动机原转速下连续运行。图2为并接充放电组件和储能电容器的示意。
此方法结合给煤机控制电源回路的改进，完全能够满足较大功率电动机的应用，也能应用于其他有特殊要求的行业。这种方法已在该厂给煤机上实施。
4.3 技术特点
以上2 种方法是采用安全和有效的技术措施来解决通用变频器交流电源瞬停或电压暂时变化引起通用变频器或电压型变频单元跳闸的问题。它拓宽了电压型变频器的应用领域。
其特点是：(l)不需外部配接备用电源，变频器运行中不增加能耗，增设的元器件体积小、成本低，且免维护；(2) 能解决电源瞬停切换造成变频器跳闸的问题，同时又具有缓解电压暂时、瞬时变化的稳压作用，可避免电源电压超过额定电压的±15％所造成变频器跳闸的问题。本方法应用于电厂锅炉给煤机变频器上，当变频器电源发生瞬时停电切换或电压暂时变化超过额定电压的±15％时，运行中的给煤机转速能维持不变，使锅炉制粉系统保持平稳运行，不再由此引发MFT保护功能动作。
4.4 与其他方法的比较
该厂采用的这2种方法，其效果基本涵盖了其他已有方法的优点，且避免了它们的不足之处，具有很好的实用价值。
(l) 每台给煤机变频器单独配接储能电容器，仍保持每台给煤机单路电源配置模式；(2) 对系统不产生新的隐患，操作性和安全性较好；(3) 给煤机电气控制装置和变频器发生故障时原维护处理方式不变；(4) 不需修改原控制系统的硬接线逻辑回路；(5) 能维持变频器驱动电动机保持平稳运转，没有转速超调和振荡的现象；(6)不需要从其他电源系统另接1路备用电源，供电回路简单，可分段，系统安全性高；(7) 免维护，且运行中没有能耗。
5 结 语
该厂自主开发的这2项技术适用于各行业中小容量通用变频器和电压型变频单元的应用，原理简明，实用有效。在该厂采用该方法改造后的给煤机已经过数次实际运行中6kV厂用电瞬停切换的验证。不但对电厂具有较大的经济效益，确保发电机组向电网供电的品质，而且对其他行业中需要稳定、连续、可靠运转的生产工艺系统，也具有实用价值和经济价值。
[参考文献]
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[2] 刘维锋，刘华山，朱国强，等．给粉机控制回路中的隐患分析[J]．发电设备，2006 , 20(3):205-207。
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