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7MW高压变频电源在水泵测试台中的应用

发布时间:2020-04-14 作者:新风光
1前言

湖南南方长河泵业有限公司是南方泵业股份有限公司的全资子公司,位于湖南省长沙经济技术开发区,是南方泵业股份有限公司中高端大中型泵销售、研发、制造及实验基地。

该公司主要产品包括单级双吸中开离心泵、卧式多级中开离心泵、立式长轴泵、筒袋式冷凝泵、立式及潜水式斜流泵、立式及潜水式轴流泵、蜗壳式混流泵及污水泵、节段式多级离心泵、泵用直角齿轮箱、大中型外壳水冷式深井泵专用电机,各种膜法海水淡化用泵以及API610 BB1,BB3,OH1,OH2,VS1,VS6,VS7等石油化工用泵等。广泛应用在电力、冶金、钢铁、水利、市政、环保、疏浚、石油、化工、消防等行业,每年约有70%以上的产品出口到欧美等六十多个国家,是国内中开泵、长轴泵产品规格较全、出口量较大的企业。
2 水泵测试中心

湖南南方长河泵业有限公司水泵测试中心,拟对原有变频电源设备进行升级改造,采用全自动上位机测控系统,改造后可以对各种型式水泵进行性能测试,可以真实地把握水泵的出厂性能以及水泵研发效果。

长河泵业原有技术参数如下:高压变频电源设备输入电压10kV,输出电压10kV/6kV,输出电流的范围为0A-400A;频率范围为0-75Hz可调,升级改造后变化为:输入电压10kV,输出电压1100V-10000V范围内的无极调压;输出电流的范围为0A-450A;频率范围为输出电压范围内的任一电压可0-75Hz可调。

测试中心采用全自动上位机测控系统,可对整个测试中心全方位监控,采用高精度检测仪器仪表、传感器和计算机相结合自动测控、采集、处理、分析电力参数及流体参数,测试结果可自动进行显示、打印制表、绘制特性曲线(变速、变径、变角),系统不确定度分析。中央控制室与接待室数据可同步运行显示。
3 风光高压变频电源控制系统基本参数

风光高压变频电源系统,以高可靠性、易操作、高性能为设计目标。高压变频电源系统采用新IGBT功率器件,全数字化微机控制,有关电源基本参数如表1所示。

 4高压变频电源系统

高压变频电源系统采用直接“高-高”变换形式,为单元串联多电平拓扑结构,主体结构由多个功率模块串联而成,从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出,它对电网谐波污染小,输入谐波畸变小于3%,直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准,输入功率因数高,不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形质量好,输出电压谐波畸变小于2%,不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,不必加输出滤波器,就可以使用普通的异步电机。
4.1电源系统拓扑结构

变频电源装置0-10kV输出,每个系统共有24个功率单元,每8个功率单元串连构成一相,其系统结构如图1所示。




 
图1 变频电源系统结构示意图

4.2功率单元

每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘,二次绕组采用星形折边接法,实现多重化,以达到降低输入谐波电流的目的。每个功率单元结构上完全一致,可以互换,为基本的单相逆变电路,整流侧为二极管三相全桥, IGBT逆变桥的控制方式为PWM控制,并且有自动单元旁路功能,大大提高系统运行的可靠性。
4.3功率柜

柜内主要对功率单元进行组合,通过每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电,通过对每个单元的PWM波形进行重组,得到非常好的PWM波形,dv/dt小,可减少对电缆和电机的绝缘损坏,无须输出滤波器就可以输出电缆长度很长,电机不需要降额使用。
4.4控制柜

控制器采用32位高速DSP芯片,精确的算法保证电机达到较优的运行性能。彩色嵌入式人机界面提供友好的全中文监控和操作界面,同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器包括一台内置的PLC,用于柜体内开关信号的逻辑处理,以及与现场各种操作信号和状态信号(包括DCS/RS485//Modbus)的协调,并且可以根据用户的需要扩展控制开关量。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术,低压部分和高压部分完全可靠隔离,系统应具有极高的安全性,同时具有很好的抗电磁干扰性能。
4.5变压器柜及风机

主要包括为功率单元供电的移相变压器,输入侧的电压、电流检测器件,以及温度检测器件温控器。变频电源功率柜顶部和变压器柜顶部所配冷却风机。干式变压器绕组底部也配有冷却风机,由温控仪检测变压器绕组温度进行控制。
4.6上位机接口清单
上位机接口清单如图2所示。



图2上位机接口清单

5 变频电源主回路

变频电源主回路如图3所示。变频电源能任意拖动10kV/4200kW或6kV/4200kW电机,以及3kV/2300V/1100V等电压等级电机水泵测试实验。例如拖动10kV/4200kW,变频电源参数的输出额定电压需设为10kV,过流保护值,输入测试水泵电机铭牌参数。如需测试其他电压等级的水泵电机,则只需按照设定为相应的输出电压等级,及相应参数即可。



 
图3 高压变频电源主回路

6 对外标准接口

整套变频控制装置,包括控制柜、功率柜、变压器柜、旁路柜等所有部件及内部连线一体化设计,需方只须连接高压输入、高压输出、控制电源和控制线即可。
高压变频电源对外接口的具体定义如下:
6.1变频电源提供的开关量

变频电源采用自制PLC逻辑控制板,标准数字量配置为24点入、16点出,并且可以根据用户的不同需求进行I/O点的扩展及参数化设计。其部分输出定义为:
(1) 变频电源就绪状态指示:表示变频电源已待命,具备启动条件,1路,常开点,闭合有效。
(2) 变频电源运行/停机状态指示:表示变频电源正在运行,各1路。变频运行状态指示为常开点,节点闭合时表示为变频电源处于运行状态;变频停止状态为常闭点,节点闭合时表示变频电源处于停止状态。
(3) 变频电源控制状态指示:外控控制状态为常开点,节点闭合表示变频电源控制权为现场远程控制;本地控制状态为常闭点,节点闭合时表示变频电源控制权为本地变频电源控制,各1路。
(4) 变频电源报警指示:表示变频电源产生报警信号。包含柜门非法打开、变压器超温、控制电源掉电、给定信号断线、单元故障等信息,1路,常开点,闭合有效。
(5) 变频电源故障指示:表示变频电源发生重故障,立即关断输出切断高压。包含过压、过流、过载、短路等信息,1路,常开点,闭合有效。
(6) 电机在工频旁路:表示电动机处于工频旁路状态,常开点,闭合有效。
 以上为变频电源的基本输出状态点。
6.2变频电源提供给高压开关柜的开关量

高压开关紧急分断:变频电源出现重故障时,自动分断高压开关,1路常开点,闭合有效。

高压合闸允许:允许将高压开关合闸,1路常开点,闭合有效。

以上所有数字量采用无源接点输出,定义为接点闭合时有效。除特别注明外,接点容量均为AC220V,3A。
6.3高压开关柜提供给变频电源的开关量

高压就绪:高压准备就绪,为高压开关提供的1路常开点,闭合有效。
6.4变频电源提供的模拟量

变频电源可以提供2路4~20mA的电流源输出,带负载能力均为250Ω。分别为输出频率、输出电流信号。
6.5 DCS提供给变频电源的开关量
a) 启动指令:干接点,3秒脉冲闭合时有效,变频电源开始运行。
b) 停机指令:干接点,3秒脉冲闭合时有效,变频电源正常停机。
c) 紧急停机指令:干接点,闭合保持有效,变频电源紧急停机。
6.6 DCS提供给变频电源的模拟量

变频电源提供1路4~20mA电流源输入,其输入可根据用户不同的要求进行定义,满足用户多方面的需求,可定义为给定频率、给定转速、压力反馈等。
6.7通讯协议

默认通讯协议为MODBUS通讯协议,通讯接口为RS485接口。通讯协议:PROFIBUS通讯协议,提供2个通讯口,与现场上位机组成冗余系统(现场上位机为西门子S7-400冗余系统)。
7 高压变频电源在水泵测试台使用效果

该设备自投运以来,改造达到了预期目的。高压变频电源现场运行如图4所示,变频电源测试10kV电机水泵的测试界面如图5所示,高压变频电源视在功率476kW,有功功率414kW,输入电压10.59kV,输出电压10.52kV,输入电流23.9A,输出电流24.8A,输出频率50.00Hz,测试实验非常方便。
(1)新风光电子公司生产的JD-BP38-7000高压变频电源所有部分装在配电柜内,不需要另外的电抗器、滤波器等设备装置。体积小,结构紧凑,安装简单,现场配线少,调试周期短,投入生产快。
(2)高压变频电源的运行参数及各种指示在触摸屏均有显示。
(3)电源带有标准通讯接口,上位机可以通过通讯完全集控变频电源。
(4)变频电源非常方便实现测试各种电机水泵测试需求,只需设定相应的参数即可,可任意拖动10kV/6kV/3kV/2300V/1100V等电压等级,不超过450A电流,0-72Hz水泵完成测试各种实验。
(5)具有与进口设备同样的测试效果,大大降低了水泵测试成本。



图4 高压变频电源设备现场运行照片

图5 高压变频电源人机界面

(6)附录用变频电源测试的水泵型式试验报告

测试中心对水泵的流量、扬程、转速、轴功率及效率等性能参数进行实际测试。在水泵不同流量的条件下,分别对水泵扬程(进口扬程、出口扬程、总扬程)、功率、转速、效率进行测试。变频电源根据用户要求,输出电压10kV,带载输出稳定,电压、电流及谐波等各方面性能指标满足要求,达到了改造的预期目的。型式试验报告见图6所示。

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