某電廠#1、#2鏈斗式連續(xù)卸船機提升機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)的改造

1設(shè)備概述

某電廠#1、#2鏈斗式連續(xù)卸船機(以下簡稱"卸船機"或"CsU",即ContinuousshipUnloader）電控系統(tǒng)由蒂森克虜伯集成。其中,控制系統(tǒng)采用了AB公司提供的Logix5000系列PLC,配備了電源、處理器、數(shù)字量和模擬量輸入與輸出卡件等:驅(qū)動系統(tǒng)采用了EmersonCT公司的UnidrivesPMD系列交流驅(qū)動器,采用直流輸入,交流逆變器輸出,額定電壓為380～480v,內(nèi)含制動單元。

#1、#2卸船機自2007年投產(chǎn)以來,在日常使用過程中,其提升機構(gòu)變頻器經(jīng)常報過流、過熱故障,故障代碼為:0.ht1(熱模型功率過溫）、0.ht2(散熱器過溫）、0I.AC(檢測到瞬時輸出過流,峰值輸出電流大于225%）。由于變頻器故障頻繁發(fā)生,長期過流過載工作,變頻器IGBT硬件燒壞,只能采取更換受損變頻器的方式維持設(shè)備的使用,因此維護成本不菲,嚴(yán)重影響了卸船機的安全可靠運行。

2變頻器故障分析

#1、#2連續(xù)卸船機的取料提升機構(gòu)是由兩臺變頻器分別驅(qū)動兩臺提升電機,提升電機功率為160kw,提升變頻器選用EmersonCT公司的sPMD1404。提升機構(gòu)的變頻驅(qū)動控制方式采用主從控制方式,其中主驅(qū)動采用開環(huán)矢量速度控制,接收外部控制指令的給定,sPMD主驅(qū)動單元含有主控制單元:從驅(qū)動采用開環(huán)矢量轉(zhuǎn)矩控制,接收主機轉(zhuǎn)矩的給定,sPMD從驅(qū)動單元含有從控制單元和功率擴展電纜。兩套提升機構(gòu)均未使用電機脈沖編碼器作為速度反饋。

經(jīng)分析,當(dāng)前提升機構(gòu)變頻器故障頻頻甚至損壞,其根本原因是卸船機在主機廠進行系統(tǒng)集成時存在軟硬件設(shè)計缺陷。當(dāng)卸船機鏈斗啟動時,主機先啟動,延時輸出轉(zhuǎn)矩的給定至從機,從機跟隨啟動,這樣就產(chǎn)生了變頻器運行的同步性差及出力不一致的問題。當(dāng)前,這種控制方式不能夠使兩個變頻器的負(fù)載達(dá)到均衡,往往一個變頻器已經(jīng)過載,而另一個變頻器出力不夠,甚至出現(xiàn)斗?，F(xiàn)象(即一臺提升電機工作在電動機狀態(tài),另一臺提升電機工作在發(fā)電機狀態(tài)）。由于逆變器本身是具有一定短時過載能力的,如表1所示,出現(xiàn)此種狀況,說明此提升機構(gòu)逆變器不是偶爾處于過載狀態(tài),而是長時間處于過載狀態(tài)。

綜上所述,提升機構(gòu)的兩臺變頻器經(jīng)常處于過流狀態(tài),而且有時存在很大的沖擊電流:而在整機的PLC控制程序中,并沒有相應(yīng)的計算和邏輯處理應(yīng)對這種惡劣情況,從而無法對變頻器進行有效保護,這就是提升機構(gòu)變頻器經(jīng)常報過流、過熱等故障進而燒毀的根本原因。

3改造方案及過程

由于受設(shè)備實際狀態(tài)所限,無法加裝電機脈沖編碼器,實現(xiàn)更優(yōu)化的閉環(huán)控制改造,故依據(jù)現(xiàn)場實際情況,本著經(jīng)濟、合理、可靠及實施方便的原則,對提升機構(gòu)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)進行了如下改造:

(1）在硬件設(shè)計上,將提升機構(gòu)的兩臺變頻器并聯(lián)運行。把提升機構(gòu)原主、從驅(qū)動的兩個變頻器合二為一,變更為使用一個變頻器同時驅(qū)動兩個提升電機,使用一個變頻器控制模塊,統(tǒng)一接收來自PLC控制器的指令。變頻器并聯(lián)后,統(tǒng)一輸出至兩臺電機,這樣,變頻器啟動時,提升機構(gòu)的兩臺電機同步啟動,能夠降低提升機構(gòu)因兩臺電機出力不平衡產(chǎn)生的振動,改善變頻器運行的工作環(huán)境。

提升機構(gòu)的兩臺電機啟動模式改為并聯(lián)后,變頻器無法對單臺電機提供有效保護,因此,為有效保護變頻器功率模塊,抑制輸出諧波電流并改善功率因數(shù),在逆變器輸出側(cè)增加匹配的輸出均衡電抗器:為保護電機,在電機進線側(cè)分別加裝匹配的電機保護單元。受原柜體空間所限,需要在現(xiàn)場額外增加一個控制箱,將需要增加的部件都安裝在箱體內(nèi)?？刂葡浒惭b在電氣房內(nèi),并根據(jù)新的硬件設(shè)計重新規(guī)劃相應(yīng)的電纜接線。

(2）重新調(diào)試提升機逆變器。由于硬件連接經(jīng)過優(yōu)化,并且增加了硬件單元,變頻器中與電機等效電路相關(guān)的模型參數(shù)均發(fā)生了變化,需要重新對變頻器進行旋轉(zhuǎn)自整定測試、空載及重載調(diào)試,并調(diào)整相關(guān)變頻器參數(shù)。具體措施為:自整定結(jié)束后,對提升機構(gòu)做空載試車,優(yōu)化給定斜坡控制參數(shù)、電流環(huán)比例增益參數(shù)、轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)、過載保護參數(shù)等,從逆變器側(cè)消除長周期過載可能性:空載優(yōu)化后進行重載試車,在帶重載情況下對相關(guān)參數(shù)繼續(xù)進行調(diào)整,并記錄和對比各載重條件下的過程數(shù)據(jù),如頻率給定、頻率、輸出電壓、電流等,直至達(dá)到最優(yōu)。調(diào)試后變頻器的主要相關(guān)參數(shù)設(shè)定值如表2所示。

(3）優(yōu)化相關(guān)PLC程序。本連續(xù)卸船機電控系統(tǒng)的驅(qū)動和PLC是通過ProfibusDP進行相關(guān)控制的數(shù)據(jù)交換,例如PLC一變頻器的控制字和給定,逆變器一PLC的狀態(tài)字和各種反饋。由于對驅(qū)動參數(shù)進行了優(yōu)化,原程序中與驅(qū)動通信和控制相關(guān)的硬件配置以及軟件編制都需要做相應(yīng)的優(yōu)化。同時,由于增加了電機保護單元,需將此部分信號接入PLC輸入模塊,作為驅(qū)動常規(guī)控制的聯(lián)鎖信號。

硬件改造完成后,同時還對相關(guān)PLC控制程序進行了修改調(diào)整,使之適應(yīng)本次驅(qū)動硬件的改造。在PLC程序中增加了獨立的"防止提升機過載自動處理模塊",此模塊可實時監(jiān)控提升變頻器的運行參數(shù)。當(dāng)變頻器有過載趨勢時,此獨立功能塊將立即介入變頻器控制,通過主動調(diào)整變頻器的控制參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化,從而確保變頻器不會處于長周期過載運行狀態(tài)。

4改造后效果

(1）項目改造節(jié)支收益:改造前,#1、#2卸船機的鏈斗提升機在額定負(fù)載下輸出總電流為430A左右,經(jīng)常出現(xiàn)過載,改造后鏈斗提升機在額定負(fù)載下輸出總電流下降為380A左右,因此鏈斗提升機每運行1h能節(jié)電37kw·h左右(單臺提升機電機額定功率為160kw）,兩臺卸船機運行一天可節(jié)電1776kw·h,按投入率80%計算,每年運行292天,節(jié)約用電累計約520000kw·h,達(dá)到了節(jié)能降耗的作用,年累計節(jié)約電費約20萬元。

(2）設(shè)備故障節(jié)支收益:改造前,#1、#2卸船機鏈斗提升機構(gòu)變頻器頻報過流、模塊過熱、IGBT損壞等故障,故障代碼為0.htl(熱模型功率過溫）、0.ht2(散熱器過溫）、0I.AC(檢測到瞬時輸出過流,峰值輸出電流大于225%）。自2007年投產(chǎn)以來,變頻器已反復(fù)維修和更換了40臺次以上,每次每臺變頻器返廠維修更換元件需要4萬元左右,而采購一臺變頻器的成本高達(dá)10萬元,并且每次更換一臺變頻器需要5h左右,費時費力,影響生產(chǎn)效率。綜合下來,改造后每年可節(jié)約費用約20萬元。

(3）兩臺連續(xù)卸船機的提升機構(gòu)變頻驅(qū)動系統(tǒng)改造后,變頻器運行符合改造預(yù)期(圖1）,變頻器電流(電機電流）、電機運行速度平穩(wěn),運行電流較之前減小10%左右。變頻器啟動時,提升機構(gòu)的兩臺電機同步啟動,減小了提升機構(gòu)因兩臺電機出力不平衡產(chǎn)生的振動,改善了變頻器運行的工作環(huán)境。最重要的是,變頻器頻報過流、過熱等故障的問題得到了有效解決,延長了變頻器使用周期,減少了日常檢修維護工作量及硬件成本,大大提高了卸船機運行的安全穩(wěn)定性與工作效率,安全經(jīng)濟,社會效益十分顯著。

5結(jié)語

連續(xù)卸船機的安全穩(wěn)定運行對于火電機組的可持續(xù)性發(fā)電是非常重要的,本文針對某電廠連續(xù)卸船機變頻器故障頻繁的現(xiàn)象進行了原因分析,提出變頻器長期過流過載工作,造成變頻器IGBT硬件燒壞,其根本原因是卸船機在主機廠進行系統(tǒng)集成時存在軟硬件設(shè)計缺陷。提升機構(gòu)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)改造后,變頻器頻報過流、過熱等故障的問題得到了有效解決,確保了機組卸船機的安全穩(wěn)定運行。