1 對環境的適應能力
1.1 對電網電壓波動的適應能力
當母線上電動機成組自起動、當母線上最大一台電動機組起動時對變頻器運行的影響,這與變頻器允許的輸入電壓波動範圍參數有關,對於火電機組應保證母線電壓跌落30%時變頻器不會停機。
另外,在母線切換等情況下所造成的母線電壓暫態失電發生後,變頻器應具有持續或恢復運行的功能(有些廠家稱為“失壓再起動功能”),即在母線電壓瞬間降低或消失(如事故切換)時變頻器不跳閘或使電機系統慣性運行;當母線電壓重新恢復正常後,變頻器能根據捕捉到的電動機轉速正確調整自身輸出,重新拖動電動機運行的功能。
1.2 對現場環境的適應能力
高壓變頻器大多安裝於現場輔機附近,灰塵較多,灰塵進入變頻櫃內會導致絕緣下降或擊穿損壞電子元器件;灰塵堵塞濾網造成功率櫃散熱效果差,易導致功率模組過熱失效損壞。 有些廠家把空氣濾網設計為在運行中可拆換清洗,便於維護。 在南方高溫、潮濕氣候地區,應選擇對環境溫濕度要求低、系統溫升相對低的產品,以保證安全穩定運行。
2 對自身小故障的承受能力
高壓變頻器具有單元旁路功能,即某個功率單元出故障時該單元應能夠自動退出,整個系統可持續帶故障運行,這實際是一種冗餘設計技術。 此時應注意單元旁路後對變頻器帶載能力的影響,主要考慮變頻裝置每相功率單元個數、控制系統的電壓補償。
單元串聯越多,故障概率越大,單個單元故障對輸出能力的影響越小,二者應折中取捨。 若採用電壓補償演算法、中性點偏移演算法可提高系統單元旁路後的帶載能力,但此種方法可能帶來共模電壓等問題,需視電動機絕緣安全等設備具體情況取捨。
高壓變頻器的控制系統電源至關重要,應設計採用多路控制電源供電,多通道互為備用、無擾切換;風扇冷卻器的冗餘設計也有助於提高系統的抗擾動能力。
3 對外部故障的承受能力
對輸入側的外部故障,如外部電網故障造成母線電壓跌落時對高壓變頻器運行的影響。 廣東省某電廠機組曾發生過這樣的事故:由於外部電網暫態故障造成廠用電母線電壓閃變跌落,導致輔機變頻器停機,雖然外部電網的故障很快切除,但由於變頻器拖動的重要輔機停運導致機組甩負荷。 因此暫態停電再起動功能應是電廠機組輔機高壓變頻器提高外部故障承受能力的可靠保證。
對輸出側的外部故障,如電纜擊穿短路或電動機的單相接地甚至相間短路故障對高壓變頻器的影響。 高壓變頻器應配置單相接地故障檢測功能,根據現場情況選擇設定告警或跳閘保護。
4 設備的故障恢復時間
設備故障分為兩種類型:一是瞬間可自行恢復的故障,這種故障一旦出現之後,能在較短的時間內自行恢復,而具有轉速自動跟蹤功能的變頻裝置能顯著提高在此種故障情況下的運行能力和可靠性。 廣東省正在運行的部分高壓變頻器在雷雨季節發生雷擊時頻繁停機,就是因為不具備此種功能所致;
其二是發生永久性損壞故障後裝置的恢復時間,功率單元模組化可以在短時間內更換備用模組,使設備在短時間內恢復運行。
5 變頻改造對電機保護的影響
高壓變頻器一般均配置工頻旁路櫃,以保證在變頻器出現故障或檢修時,通過工頻旁路櫃的切換電機恢復工頻運行,保證生產持續不斷。但這種切換也帶來了相應保護配置的問題:電動機在變頻運行狀態下開關櫃應裝設變壓器保護(因變頻器內部與廠用電連接部分為輸入移相整流變壓器),而在工頻運行時應裝設電動機保護。
因此在改造時,原有電動機保護應保留,作為工頻運行時的保護裝置,如果變頻器控制系統不具備輸入變壓器的保護功能,從系統安全和合理配置保護的角度考慮,需加裝“隔離移相變壓器”保護;在電動機變頻運行時,退出電動機保護而投變壓器保護。
6 手動旁路和自動旁路
手動切換變頻器的運行方式(工頻——變頻),存在操作複雜、中斷時間久對機組穩定性影響較大的問題。而具有工頻變頻自動切換的變頻器在發生故障時能自動切換至工頻運行,保證了重要輔機的持續運行,降低了對機組乃至對電網的影響。
但是在電動機故障時變頻器自動切換至工頻,會加劇電動機的故障,並有使故障擴大化的危險。在具體的應用中,應充分考慮“自動旁路切換功能”的利弊,最好變頻器控制系統具有判別自身故障和負載故障的能力。
另外自動工頻變頻切換時還應注意開關櫃保護裝置的自動切換、風門或閥門的聯動調節。在變頻檢修完畢後,如何使電機從工頻運行狀態瞬間切換至變頻運行狀態,也是在改造時必須注意的問題。
7 諧波對電網及電動機的影響
低壓變頻器的輸入電流具有很大的高次諧波成份,這些諧波對電網造成“諧波污染”的同時,還降低了變頻器輸入電路的功率因數。而高壓變頻器通常採用多重化整流技術,減小對電網的諧波污染,提高變頻器輸入側的功率因數。有資料表明,採用30脈波的移相變壓器的高壓變頻器,輸入總諧波含量基本小於國標要求的4%,網側的功率因數也可達0.95以上。
輸出電壓、電流諧波對電動機的影響主要體現在增加電動機轉矩的脈動和電機的發熱,從而影響電機繞組的絕緣;共模電壓和軸承電流會加劇軸承電蝕降低機械壽命。一般多單元串聯型式高壓變頻器的每相串聯的功率單元個數達到5個及以上時,輸出電壓的突變率(du/dt)可滿足電機絕緣要求,減少對繞組絕緣與共模電壓軸電流的損害,諧波含量低,可以不考慮其對電機的影響。
電動機低速運行時,自冷電動機的散熱能力將會下降,對於風機和泵類負載,採用單元串聯式的高壓變頻器諧波發熱影響小,電動機在低速運行時由於負載電流較低,發熱量少,因此不必考慮附加散熱措施問題;但對於恒轉矩負載,低速運行時電動機的發熱與高速運行時接近,就要考慮低速運行時加裝強迫風冷等散熱措施。同時,還應注意低速運行時軸承的潤滑問題。
8 變頻器的壽命
高壓變頻器設備的壽命主要決定於電解電容,電解電容的壽命與其運行溫度和紋波電流直接相關。保證運行環境溫度、提高功率模組的散熱效果、降低功率模組溫升對提高系統壽命起到關鍵的作用;另外電容器紋波電流減小其壽命增加,因此系統的運行負載工況對於變頻器的壽命緊密相關。
對於一般的可變負載,在運行環境滿足設計條件下,電解電容器的壽命在8年以上,更換電容器的費用約占系統投資的5%～10%。國內已有廠家推出無極性電容器替代電解電容器,據稱壽命可達20年,但相同體積的無極性電容器的容量要比電解電容小得多,對系統輸入、輸出諧波、功率因數等指標有影響,目前採用無極性電容器濾波的高壓變頻器用量很少,其工藝成熟度以及產品的運行可靠性影響尚待觀察,值得關注。
其二是發生永久性損壞故障後裝置的恢復時間,功率單元模組化可以在短時間內更換備用模組,使設備在短時間內恢復運行。
5 變頻改造對電機保護的影響
高壓變頻器一般均配置工頻旁路櫃,以保證在變頻器出現故障或檢修時,通過工頻旁路櫃的切換電機恢復工頻運行,保證生產持續不斷。但這種切換也帶來了相應保護配置的問題:電動機在變頻運行狀態下開關櫃應裝設變壓器保護(因變頻器內部與廠用電連接部分為輸入移相整流變壓器),而在工頻運行時應裝設電動機保護。
因此在改造時,原有電動機保護應保留,作為工頻運行時的保護裝置,如果變頻器控制系統不具備輸入變壓器的保護功能,從系統安全和合理配置保護的角度考慮,需加裝“隔離移相變壓器”保護;在電動機變頻運行時,退出電動機保護而投變壓器保護。
6 手動旁路和自動旁路
手動切換變頻器的運行方式(工頻——變頻),存在操作複雜、中斷時間久對機組穩定性影響較大的問題。而具有工頻變頻自動切換的變頻器在發生故障時能自動切換至工頻運行,保證了重要輔機的持續運行,降低了對機組乃至對電網的影響。
但是在電動機故障時變頻器自動切換至工頻,會加劇電動機的故障,並有使故障擴大化的危險。在具體的應用中,應充分考慮“自動旁路切換功能”的利弊,最好變頻器控制系統具有判別自身故障和負載故障的能力。
另外自動工頻變頻切換時還應注意開關櫃保護裝置的自動切換、風門或閥門的聯動調節。在變頻檢修完畢後,如何使電機從工頻運行狀態瞬間切換至變頻運行狀態,也是在改造時必須注意的問題。
7 諧波對電網及電動機的影響
低壓變頻器的輸入電流具有很大的高次諧波成份,這些諧波對電網造成“諧波污染”的同時,還降低了變頻器輸入電路的功率因數。而高壓變頻器通常採用多重化整流技術,減小對電網的諧波污染,提高變頻器輸入側的功率因數。有資料表明,採用30脈波的移相變壓器的高壓變頻器,輸入總諧波含量基本小於國標要求的4%,網側的功率因數也可達0.95以上。
輸出電壓、電流諧波對電動機的影響主要體現在增加電動機轉矩的脈動和電機的發熱,從而影響電機繞組的絕緣;共模電壓和軸承電流會加劇軸承電蝕降低機械壽命。一般多單元串聯型式高壓變頻器的每相串聯的功率單元個數達到5個及以上時,輸出電壓的突變率(du/dt)可滿足電機絕緣要求,減少對繞組絕緣與共模電壓軸電流的損害,諧波含量低,可以不考慮其對電機的影響。
電動機低速運行時,自冷電動機的散熱能力將會下降,對於風機和泵類負載,採用單元串聯式的高壓變頻器諧波發熱影響小,電動機在低速運行時由於負載電流較低,發熱量少,因此不必考慮附加散熱措施問題;但對於恒轉矩負載,低速運行時電動機的發熱與高速運行時接近,就要考慮低速運行時加裝強迫風冷等散熱措施。同時,還應注意低速運行時軸承的潤滑問題。
8 變頻器的壽命
高壓變頻器設備的壽命主要決定於電解電容,電解電容的壽命與其運行溫度和紋波電流直接相關。保證運行環境溫度、提高功率模組的散熱效果、降低功率模組溫升對提高系統壽命起到關鍵的作用;另外電容器紋波電流減小其壽命增加,因此系統的運行負載工況對於變頻器的壽命緊密相關。
對於一般的可變負載,在運行環境滿足設計條件下,電解電容器的壽命在8年以上,更換電容器的費用約占系統投資的5%～10%。國內已有廠家推出無極性電容器替代電解電容器,據稱壽命可達20年,但相同體積的無極性電容器的容量要比電解電容小得多,對系統輸入、輸出諧波、功率因數等指標有影響,目前採用無極性電容器濾波的高壓變頻器用量很少,其工藝成熟度以及產品的運行可靠性影響尚待觀察,值得關注。