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大中型电机的水电阻柜变频改造案例
作者:山东西子电机 发布日期:2019-07-23 05:58

  

  
  
  
  
  
  
  

水阻柜电机的变频器改造案例

  一、水阻柜原理
水阻起动柜是近年来运用比较广泛的电机起动设备。水阻,也就是液体电阻(在水中添加电解粉构成水电阻),顾名思义就是在电机定子回路(鼠笼型电机)或转子回路(绕线式电机)中串入液态电阻,电机在起动过程中液态电阻阻值在预定的时间内自动无级减小,直至阻值接近为零,将液阻自动切除,电机投入正常运行,每小时最多可以启动2-3次。

  二、运动过程
水阻柜运行过程:高压开关柜合闸的同时,水阻柜接收到高压开关柜的合闸信号,水阻柜动极板自上而下开始运行,在设定的时间内动极板运动过程中电阻值逐渐下降,当电阻接近于零时,通过一个限位开关,使水阻柜内的真空接触器(contactor)吸合,将水电阻短接掉,电机启动完成,经过延时几秒后,动极板自动复位至原始状态,等待一下次启动。如水阻柜在预定的时间内起动没有完成就会发出一个故障报警信号,自动切断开关柜,确保电机不开路。

  三、水阻柜缺点
水阻的效率低,只能做软启动。如果作为调速,必须将水阻柜箱体(液体电阻部分)长期带电,一旦出现箱体漏液或者液体电阻减少或者干枯,必出现生产(Produce)事故或者安全事故。并且由于箱体液体电阻长期带电,发热严重,要有外围散热设备才能维持运行。所以相对人力维护成本也会增加。

  四、水阻柜的改造方式
在现场的实际改造中:虽然水阻柜存在以上缺点,但是客户在水阻柜改造变频时还是会保留工频水阻启动的模式。
(一)一般水阻柜有两种改造方式,按照电机的不同,分为两种水阻串接方式
1、转子串水阻
即马达属于绕线式电机,即转子回路未短接。此时通过改变起动过程中转子回路的电阻值来逐步实现软起动。
2、定子串水阻
即电机属于鼠笼型电机,即转子回路在电机内部已短接。此时通过改变起动过程中定子回路的电阻值来逐步实现软启动。
(二)按照实现方式的不同,分为两种水阻
1、温度改变阻值大小
即在启动过程中,由于液体内部的电解液随着液体温度的升高,电解液分子活动加剧,使电阻值逐步减小,逐步改变机端电压,使之达到软起动的目的。
2、柜内增加极板升降电机
通过柜内增加极板升降电机,匀速的改变输入输出极板之间的距离,改变电阻值的大小,逐步改变机端电压,使之达到软起动的目的。
注:其中若是温度(temperature)改变阻值大小,主要属于定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)串水阻系列(即鼠笼式电机)。
若通过极板升降电机改变阻值大小,则定子和转子串水阻都可。

目前常用的方式还是通过极板升降的方式,方便控制启动过程。

  五、水阻的内部结构
(一)若以温度改变阻值
其柜内部主要包括:
1、旁路柜
主要是起动完毕后,将水阻柜短接。
按一次原理的不同,和短接接触器的数量,有的在短接后将水阻完全拖开的,有的在短接后,水阻仍然带电。
根据客户需要,选择真空断路器或者真空接触器。真空断路器需要分、合闸操作,而真空接触器又分为电保持和机械保持式,电保持不需另增加分闸操作,掉电即分闸,而机械保持式需要分闸操作。
2、水阻柜主体
主要包括3个独立的水箱,每个水箱底部有一固定的铜极板,水箱上部有一固定的铜极板,分别引出进出一次线。(针对鼠笼式马达讲的:定子串水阻)
主要根据电机大小,计算需要的散热液体体积,则柜体体积有大有小。例如电机在10MW,则水阻柜主体可能(maybe)达到10m*2m*4m。
(二)极板升降改变阻值
其柜内部主要包括:水箱(三相分开)、一套极板、极板升降电机和相应的轴承,及短接接触器(短接的接触器也应客户需要)、PLC等。

  六、运行方式(现场实际操作的依据数据和实现方法)
(一)温度改变阻值
1、工频模式下
待厂家调试完后,每个极板都浸泡在水中,水中加入了根据计算的电解粉。起动时,通电后,则水阻内,温度逐渐升高,电解液分子活动加剧,极板之间的电阻值逐步减小,电机端的电压逐步由低到高,根据调整的时间,起动完毕后,短接真空接触器(温度改变阻值这种主要用于鼠笼式电机),起动完成,水阻被甩开。此种原理的水阻,电机进行连续重启时,由于每次重启时,由于水温不一致,因此其启动特性会有差异。在启动时间间隔较长的情况下,其启动特性基本可保持一致。
2、变频模式下
上高压后,直接短接接触器(短接接触器动作信号取自高压开关QF0的常开点)。高压电机指额定电压在1000V以上电动机。常使用的是6000V和10000V电压,由于国外的电网不同,也有3300V和6600V的电压等级。高压电机分为:高压同步电机;高压异步电机;高压异步绕线式电动机;高压鼠笼型电机等。
(二)极板升降改变阻值(重点介绍)
1、运动过程
待厂家调试完后,每个极板都浸泡在水中,水中加入了根据计算的电解粉。起动前,上极板在最上面,起动时,上极板在升降电机的带动下,逐步下移,(有的设置是下移几秒,停几秒,继续下移,重复)则两极板之间的距离减小,相应的两极板之间的电阻值减小,则电机端的电压逐步由低到高,当上极板移动到最下限位时,短接真空接触器。与此同时,上极板开始往上回升,升到最上限位时,起动完成。此种方式的水阻,电机连续启动时,启动特性差别不会很大,但是伺服电机等部件造成水阻柜的维护工作增加。(适用于鼠笼式及绕线式电机)。
2、现场参照的实际数据及控制逻辑(Logic)
(1)一般水阻启动时,起动电流倍数在2~3.5倍之间,网侧压降都能满足上一级变压器的容量要求;
(2)根据电机大小,起动时间一般设置为20~40秒,时间一般都可调,一般超过40秒,则开关柜会有反时限保护;
(3)“水阻起动信号”。现在一般的水阻柜,都是采用PLC控制,其中,水阻柜起动信号,取的是对应的开关起动柜的“断路器合闸状态”,也就是说,当客户的开关柜的断路器合闸以后, 水阻柜的PLC接收到信号后,就开始起动,如极板开始下移;
(4)当开关柜的断路器分闸以后,水阻柜的PLC接收到信号后,就将短接接触器分断;
(5)即:水阻柜接触器动作的条件是高压断路器QF0合闸(取自QF0常开点)。
3、水阻柜改造变频器后现场需要做的改动

  (1)转子串水阻(对应绕线式电机,手动旁路)

  ①一次回路的改造,与普通的变频改造一样;

  ②二次回路的改造,需从水阻柜的短接接触器引出一对“短接接触器常闭点”,接入变频器的“急停”回路,可理解为:若水阻柜的短接接触器不短接,则变频器无法起动。要注意的是接入“急停”回路时,要绕过“远程/就地”转换开关。
即等绕线式电机转子短接后,作为鼠笼式电机起动;

  ③水阻柜启动条件串入工频状态。

  ④现场应用案例介绍。安徽怀宁上峰水泥(材料:粉状水硬性无机胶凝材料)采用了“转子串水阻”模式的变频改造,现场电机参数如下表所示:
电机型号
YPKK800-6
转速
993R/MIN
功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)
2800KW
电机厂家
公司
额定电压
10KV
水阻柜类型
极板升降改变阻值
额定电流
191.4A
功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)因数
0.881
负载
B线窑尾高温风机
现场要求水阻柜改造变频,且工频运行模式下保留水阻柜的软起功能,电机为三相异步绕线式电动机,水阻柜类型有柜内增加极板升降电机(即极板升降改变阻值)。变频器(Variable-frequency Drive)为一托一手动旁路柜,变频器旁路柜一次接线和标配接线方式一样的,如图1所示,从客户母线过来的10KV线是不经过水阻柜的(仅仅客户的AC380V控制电到水阻柜)。
此时,变频器模式下,水阻柜的旁路柜内的短接接触器在这里就相当于短接转子,使绕线式电机变为鼠笼式电机供变频器使用。工频模式下,为电机软起,软起成功后,水阻柜的旁路柜内的短接断路器在这里就相当于短接转子,使绕线式电机变为鼠笼式电机供工频使用。
采用工频模式运行时,首先合闸QS3,DCS远程合闸QF断路器,水阻柜接收到QF合闸信号及工频状态后,水阻柜运行,此时水阻柜极板自上而下运行,通过水阻柜实现软起,当极板运行至底部的时候,有个限位开关,通过连锁,给水阻柜接触器KM一个信号,使水阻柜内的真空接触器KM吸合,将水电阻短接掉并保持,绕线式变成鼠笼式电机启动完成,经过延时几秒后,动极板自动复位至原始(Original)状态,等待一下次启动。
采用变频模式运行时,首先QS1、QS2隔离开关合闸,DCS启动QF合闸,高压电进入变频器,(水阻柜启动信号串入工频状态,此时启动不了,),同时KM水阻柜接触器接收到QF合闸信号后。
KM直接短接,绕线式变为鼠笼式电机,变频器接收到KM短接信号后,通过DSC远程启动/停止/调节变频输出。
另外,我也见过另类的转子串水阻变频改造,用户直接将电机的转子连接处打开,将转子上直接短接上铜排,则成为了鼠笼式电机。此时,已完全甩开了水阻。但万一变频器发生故障,变频转为工频时,则需要将转子上的铜排拆下(不拆下实现不了软起,相当于鼠笼式电机直接工频启动,导致客户的变压器容量受不了),比较麻烦。但选择权在于用户,用户认为自己的转子经常会发生放炮现象,所以短接后比较合适。

  (2)定子串水阻(对应鼠笼式电机,手动旁路)
这种改造相对复杂,需要确定的内容主要如下:

  ①短接断路器(circuit-breaker)。高压电动机梭型线圈绕制后,用收缩带,黄蜡绸带等绝缘材料包扎,目的是:保护线圈外绝缘、层间绝缘、匝间绝缘不至于损坏。在拉型机时免受模具夹具、鼻端销钉等摩擦,防止松动变形。短接接触器最少是一个,有时也有两个,也可能是三个,如其中要询问清楚各接触器的合、分闸顺序,这个在自动旁路柜中一定要弄清楚,因为在自动变/工频转换过程中,可能会造成严重后果。要询问清楚各接触器的自锁方式,是电保持,还是机械式保持。如是电保持,合分闸共用一个信号即可,如是机械式保持,则合、分闸要分开设计。

  ②水阻柜启动信号。变频改造前,水阻柜起动信号接收的是“断路器常开点信号”(为母线高压开关柜QF0的常开信号,即当QF0合闸后,常开变成常闭,水阻柜启动,工频实现软起),若变频改造后,则一般需要在此起动水阻柜启动信号的回路里增加变频器“工频状态”信号。即工频时,水阻仍正常起动,若变频时,则水阻柜不动作。

  ③水阻柜短接信号。变频改造前,水阻柜短接信号接收的是“极板下限位行程开关信号”。变频改造后,则根据要求灵活改变,需在短接接触器的合、分闸回路增加控分闸回路增加控制(control)信号。控制方式根据客户要求及系统安全性确定。

  ④现场应用案例介绍。枣庄泉头水泥厂采用了“定子串水阻”模式的变频改造,现场电机参数如下表所示:
电机型号
YKKP630-6W
转速
995R/MIN
功率
2800KW
电机厂家
重庆赛力盟电机股份公司
额定电压
10KV
水阻柜类型
极板升降改变阻值
额定电流
186.6A
负载
2#高温风机
一次接线图原理如图2所示,水阻柜内短接接触器为KM,高压经过水阻柜。
图2
定子串水阻一次接线图原理图
此系统为定子串水阻,水阻柜只有一个接触器(contactor)KM,接触器为机械保持式,系统的二次原理更改有以下几部分。
第一部分是PLC程序更改了逻辑,并引出线接到KM的分、合闸线圈。水阻柜接触器KM控制方案如下:
在工频模式下,KM仍由水阻柜本身的逻辑来控制实现软起。
在变频模式下,当高压启动柜断路器(circuit-breaker)QF合闸时,KM就会合闸;当高压启动柜断路器QF分闸时,KM就会分闸。
第二部分是水阻柜起动信号。增加变频器“工频信号”串入起动回路。
第三部分是开关柜允许合闸信号。将变频(frequency conversion)器“高压合闸允许K6”串入高压开关柜QF允许合闸回路,其中从控制器发出的“高压合闸允许K6”串入了“变频状态”信号。
采用工频模式运行时,首先QS43/QS44隔离开关合闸(zhá),DCS启动QF合闸,水阻柜接收到QF合闸信号及工频状态信号后,水阻柜运行,此时水阻柜极板自上而下运行,通过水阻柜实现软起,当极板运行至底部的时候,有个限位开关,通过连锁,给水阻柜接触器KM一个信号。
使水阻柜内的真空接触器KM吸合,将水电阻短接掉并保持,电机启动完成,经过延时几秒后,动极板自动复位至原始状态,等待一下次启动。
采用变频模式运行时,首先QS41/QS42隔离开关合闸,DCS启动QF合闸,(水阻柜启动信号串入工频状态,此时启动不了,也无高压输入QS43断开的),高压电进入变频器,通过DSC远程启动/停止/调节变频输出。
目前,对于绕线式电机,水阻柜主体柜和水阻柜旁路柜是分开独立的,且高压不经过水阻柜,也就是说只有控制电缆进入水阻柜,从水阻柜出线控制电缆到电机转子上。对于鼠笼式电机,水阻柜主体柜和旁路柜是集成的,有高压电缆通过水阻柜再连接到电机定子上。

  
  

  
  

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