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7MW高壓變頻電源在水泵測試臺中的應用

2016-08-09 17:34:00
The Applications of 7MW High Voltage Power Inverter in the Pump Test Taichung
新風光電子科技股份有限公司  杜鋒  張文勇  陳建行
湖南南方長河泵業有限公司  鐘雄俊  于俊雄
Du Feng  Zhang Wenyong  Chen Jianhang  Zhong Xiongjun  Yu Junxiong

摘  要:本文介紹了風光牌7MW變頻電源在湖南南方長河泵業有限公司水泵測試臺廠的應用情況。測試臺通過采用風光牌高壓變頻電源實現了水泵性能測試功能。
關鍵詞:高壓變頻電源   水泵   測試臺   應用
Abstract: This paper describes the application of Fengguang cards 7MW power inverter in Hunan Nanfang Changhe Pump Co. pump test bench factory. Test bench by using Fengguang cards high voltage power inverter achieves the pump performance testing.
Keywords:High voltage power inverter  Pump  Test taichung   Applications
1前言
湖南南方長河泵業有限公司是南方泵業股份有限公司的全資子公司,位于湖南省長沙經濟技術開發區,是南方泵業股份有限公司中高端大中型泵銷售、研發、制造及實驗基地。
該公司主要產品包括單級雙吸中開離心泵、臥式多級中開離心泵、立式長軸泵、筒袋式冷凝泵、立式及潛水式斜流泵、立式及潛水式軸流泵、蝸殼式混流泵及污水泵、節段式多級離心泵、泵用直角齒輪箱、大中型外殼水冷式深井泵專用電機,各種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。廣泛應用在電力、冶金、鋼鐵、水利、市政、環保、疏浚、石油、化工、消防等行業,每年約有70%以上的產品出口到歐美等六十多個國家,是國內中開泵、長軸泵產品規格最全、出口量最大的企業。
2 水泵測試中心
湖南南方長河泵業有限公司水泵測試中心,擬對原有變頻電源設備進行升級改造,采用全自動上位機測控系統,改造后可以對各種型式水泵進行性能測試,可以真實地把握水泵的出廠性能以及水泵研發效果。
長河泵業原有技術參數如下:高壓變頻電源設備輸入電壓10kV,輸出電壓10kV/6kV,輸出電流的范圍為0A-400A;頻率范圍為0-75Hz可調,升級改造后變化為:輸入電壓10kV,輸出電壓1100V-10000V范圍內的無極調壓;輸出電流的范圍為0A-450A;頻率范圍為輸出電壓范圍內的任一電壓可0-75Hz可調。
測試中心采用全自動上位機測控系統,可對整個測試中心全方位監控,采用高精度檢測儀器儀表、傳感器和計算機相結合自動測控、采集、處理、分析電力參數及流體參數,測試結果可自動進行顯示、打印制表、繪制特性曲線(變速、變徑、變角),系統不確定度分析。中央控制室與接待室數據可同步運行顯示。
3 風光高壓變頻電源控制系統基本參數
風光高壓變頻電源系統,以高可靠性、易操作、高性能為設計目標。高壓變頻電源系統采用新IGBT功率器件,全數字化微機控制,有關電源基本參數如表1所示。

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 4高壓變頻電源系統
高壓變頻電源系統采用直接“高-高”變換形式,為單元串聯多電平拓撲結構,主體結構由多個功率模塊串聯而成,從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出,它對電網諧波污染小,輸入諧波畸變小于3%,直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準,輸入功率因數高,不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置;輸出波形質量好,輸出電壓諧波畸變小于2%,不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機。
4.1電源系統拓撲結構
變頻電源裝置0-10kV輸出,每個系統共有24個功率單元,每8個功率單元串連構成一相,其系統結構如圖1所示。

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圖1 變頻電源系統結構示意圖
4.2功率單元
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣,二次繞組采用星形折邊接法,實現多重化,以達到降低輸入諧波電流的目的。每個功率單元結構上完全一致,可以互換,為基本的單相逆變電路,整流側為二極管三相全橋, IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制,并且有自動單元旁路功能,大大提高系統運行的可靠性。
4.3功率柜
柜內主要對功率單元進行組合,通過每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電,通過對每個單元的PWM波形進行重組,得到非常好的PWM波形,dv/dt小,可減少對電纜和電機的絕緣損壞,無須輸出濾波器就可以輸出電纜長度很長,電機不需要降額使用。
4.4控制柜
控制器采用32位高速DSP芯片,精確的算法保證電機達到最優的運行性能。彩色嵌入式人機界面提供友好的全中文監控和操作界面,同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器包括一臺內置的PLC,用于柜體內開關信號的邏輯處理,以及與現場各種操作信號和狀態信號(包括DCS/RS485//Modbus)的協調,并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量。控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術,低壓部分和高壓部分完全可靠隔離,系統應具有極高的安全性,同時具有很好的抗電磁干擾性能。
4.5變壓器柜及風機
主要包括為功率單元供電的移相變壓器,輸入側的電壓、電流檢測器件,以及溫度檢測器件溫控器。變頻電源功率柜頂部和變壓器柜頂部所配冷卻風機。干式變壓器繞組底部也配有冷卻風機,由溫控儀檢測變壓器繞組溫度進行控制。
4.6上位機接口清單
上位機接口清單如圖2所示。
 
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圖2上位機接口清單
5 變頻電源主回路
變頻電源主回路如圖3所示。變頻電源能任意拖動10kV/4200kW或6kV/4200kW電機,以及3kV/2300V/1100V等電壓等級電機水泵測試實驗。例如拖動10kV/4200kW,變頻電源參數的輸出額定電壓需設為10kV,過流保護值,輸入測試水泵電機銘牌參數。如需測試其他電壓等級的水泵電機,則只需按照設定為相應的輸出電壓等級,及相應參數即可。

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圖3 高壓變頻電源主回路
6 對外標準接口
整套變頻控制裝置,包括控制柜、功率柜、變壓器柜、旁路柜等所有部件及內部連線一體化設計,需方只須連接高壓輸入、高壓輸出、控制電源和控制線即可。
高壓變頻電源對外接口的具體定義如下:
6.1變頻電源提供的開關量
變頻電源采用自制PLC邏輯控制板,標準數字量配置為24點入、16點出,并且可以根據用戶的不同需求進行I/O點的擴展及參數化設計。其部分輸出定義為:
(1) 變頻電源就緒狀態指示:表示變頻電源已待命,具備啟動條件,1路,常開點,閉合有效。
(2) 變頻電源運行/停機狀態指示:表示變頻電源正在運行,各1路。變頻運行狀態指示為常開點,節點閉合時表示為變頻電源處于運行狀態;變頻停止狀態為常閉點,節點閉合時表示變頻電源處于停止狀態。
(3) 變頻電源控制狀態指示:外控控制狀態為常開點,節點閉合表示變頻電源控制權為現場遠程控制;本地控制狀態為常閉點,節點閉合時表示變頻電源控制權為本地變頻電源控制,各1路。
(4) 變頻電源報警指示:表示變頻電源產生報警信號。包含柜門非法打開、變壓器超溫、控制電源掉電、給定信號斷線、單元故障等信息,1路,常開點,閉合有效。
(5) 變頻電源故障指示:表示變頻電源發生重故障,立即關斷輸出切斷高壓。包含過壓、過流、過載、短路等信息,1路,常開點,閉合有效。
(6) 電機在工頻旁路:表示電動機處于工頻旁路狀態,常開點,閉合有效。
 以上為變頻電源的基本輸出狀態點。
6.2變頻電源提供給高壓開關柜的開關量
高壓開關緊急分斷:變頻電源出現重故障時,自動分斷高壓開關,1路常開點,閉合有效。
高壓合閘允許:允許將高壓開關合閘,1路常開點,閉合有效。
以上所有數字量采用無源接點輸出,定義為接點閉合時有效。除特別注明外,接點容量均為AC220V,3A。
6.3高壓開關柜提供給變頻電源的開關量
高壓就緒:高壓準備就緒,為高壓開關提供的1路常開點,閉合有效。
6.4變頻電源提供的模擬量
變頻電源可以提供2路4~20mA的電流源輸出,帶負載能力均為250Ω。分別為輸出頻率、輸出電流信號。
6.5 DCS提供給變頻電源的開關量
a) 啟動指令:干接點,3秒脈沖閉合時有效,變頻電源開始運行。
b) 停機指令:干接點,3秒脈沖閉合時有效,變頻電源正常停機。
c) 緊急停機指令:干接點,閉合保持有效,變頻電源緊急停機。
6.6 DCS提供給變頻電源的模擬量
變頻電源提供1路4~20mA電流源輸入,其輸入可根據用戶不同的要求進行定義,滿足用戶多方面的需求,可定義為給定頻率、給定轉速、壓力反饋等。
6.7通訊協議
默認通訊協議為MODBUS通訊協議,通訊接口為RS485接口。通訊協議:PROFIBUS通訊協議,提供2個通訊口,與現場上位機組成冗余系統(現場上位機為西門子S7-400冗余系統)。
7 高壓變頻電源在水泵測試臺使用效果
該設備自投運以來,改造達到了預期目的。高壓變頻電源現場運行如圖4所示,變頻電源測試10kV電機水泵的測試界面如圖5所示,高壓變頻電源視在功率476kW,有功功率414kW,輸入電壓10.59kV,輸出電壓10.52kV,輸入電流23.9A,輸出電流24.8A,輸出頻率50.00Hz,測試實驗非常方便。
(1)新風光電子公司生產的JD-BP38-7000高壓變頻電源所有部分裝在配電柜內,不需要另外的電抗器、濾波器等設備裝置。體積小,結構緊湊,安裝簡單,現場配線少,調試周期短,投入生產快。
(2)高壓變頻電源的運行參數及各種指示在觸摸屏均有顯示。
(3)電源帶有標準通訊接口,上位機可以通過通訊完全集控變頻電源。
(4)變頻電源非常方便實現測試各種電機水泵測試需求,只需設定相應的參數即可,可任意拖動10kV/6kV/3kV/2300V/1100V等電壓等級,不超過450A電流,0-72Hz水泵完成測試各種實驗。
(5)具有與進口設備同樣的測試效果,大大降低了水泵測試成本。

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圖4 高壓變頻電源設備現場運行照片
 
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圖5 高壓變頻電源人機界面
(6)附錄用變頻電源測試的水泵型式試驗報告


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測試中心對水泵的流量、揚程、轉速、軸功率及效率等性能參數進行實際測試。在水泵不同流量的條件下,分別對水泵揚程(進口揚程、出口揚程、總揚程)、功率、轉速、效率進行測試。變頻電源根據用戶要求,輸出電壓10kV,帶載輸出穩定,電壓、電流及諧波等各方面性能指標滿足要求,達到了改造的預期目的。型式試驗報告見圖6所示。
 
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圖6型式試驗報告
參考文獻:
新風光電子用戶手冊[Z] 新風光電子科技股份有限公司。

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