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

摘要：針對某電廠連續(xù)卸船機(jī)變頻器故障頻繁的現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，提出并完成了提升機(jī)構(gòu)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的改造，使得變頻器頻報過流、過熱等故障的問題得到了有效解決，大大提高了卸船機(jī)運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：卸船機(jī);變頻器;原因分析;改造

1 設(shè)備概述

某電廠#1、#2鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)（以下簡稱“卸船機(jī)”或“CSU”，即Continuous Ship Unloader）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Emerson CT公司的Unidrive SPMD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380～480 V，內(nèi)含制動單元。

#1、#2卸船機(jī)自2007年投產(chǎn)以來，在日常使用過程中，其提升機(jī)構(gòu)變頻器經(jīng)常報過流、過熱故障，故障代碼為：O.ht1（熱模型功率過溫）、O.ht2（散熱器過溫）、OI.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(hù)成本不菲，嚴(yán)重影響了卸船機(jī)的安全可靠運(yùn)行。

2 變頻器故障分析

#1、#2連續(xù)卸船機(jī)的取料提升機(jī)構(gòu)是由兩臺變頻器分別驅(qū)動兩臺提升電機(jī)，提升電機(jī)功率為160 kW，提升變頻器選用Emerson CT公司的SPMD1404。提升機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩的給定，SPMD從驅(qū)動單元含有從控制單元和功率擴(kuò)展電纜。兩套提升機(jī)構(gòu)均未使用電機(jī)脈沖編碼器作為速度反饋。

經(jīng)分析，當(dāng)前提升機(jī)構(gòu)變頻器故障頻頻甚至損壞，其根本原因是卸船機(jī)在主機(jī)廠進(jìn)行系統(tǒng)集成時存在軟硬件設(shè)計缺陷。當(dāng)卸船機(jī)鏈斗啟動時，主機(jī)先啟動，延時輸出轉(zhuǎn)矩的給定至從機(jī)，從機(jī)跟隨啟動，這樣就產(chǎn)生了變頻器運(yùn)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(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)，另一臺提升電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行有效保護(hù)，這就是提升機(jī)構(gòu)變頻器經(jīng)常報過流、過熱等故障進(jìn)而燒毀的根本原因。

3 改造方案及過程

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

（1）在硬件設(shè)計上，將提升機(jī)構(gòu)的兩臺變頻器并聯(lián)運(yùn)行。把提升機(jī)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(jī)，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(jī)，這樣，變頻器啟動時，提升機(jī)構(gòu)的兩臺電機(jī)同步啟動，能夠降低提升機(jī)構(gòu)因兩臺電機(jī)出力不平衡產(chǎn)生的振動，改善變頻器運(yùn)行的工作環(huán)境。

提升機(jī)構(gòu)的兩臺電機(jī)啟動模式改為并聯(lián)后，變頻器無法對單臺電機(jī)提供有效保護(hù)，因此，為有效保護(hù)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(hù)電機(jī)，在電機(jī)進(jìn)線側(cè)分別加裝匹配的電機(jī)保護(hù)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(hù)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(jìn)行重載試車，在帶重載情況下對相關(guān)參數(shù)繼續(xù)進(jìn)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(jī)電控系統(tǒng)的驅(qū)動和PLC是通過Profibus DP進(jìn)行相關(guān)控制的數(shù)據(jù)交換，例如PLC→變頻器的控制字和給定，逆變器→PLC的狀態(tài)字和各種反饋。由于對驅(qū)動參數(shù)進(jìn)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(jī)保護(hù)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(jìn)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(dú)立的“防止提升機(jī)過載自動處理模塊”，此模塊可實(shí)時監(jiān)控提升變頻器的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)變頻器有過載趨勢時，此獨(dú)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(shí)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(yùn)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(jī)的鏈斗提升機(jī)在額定負(fù)載下輸出總電流為430 A左右，經(jīng)常出現(xiàn)過載，改造后鏈斗提升機(jī)在額定負(fù)載下輸出總電流下降為380 A左右，因此鏈斗提升機(jī)每運(yùn)行1 h能節(jié)電37 kW·h左右（單臺提升機(jī)電機(jī)額定功率為160 kW），兩臺卸船機(jī)運(yùn)行一天可節(jié)電1 776 kW·h，按投入率80%計算，每年運(yùn)行292天，節(jié)約用電累計約520 000 kW·h，達(dá)到了節(jié)能降耗的作用，年累計節(jié)約電費(fèi)約20萬元。

（2）設(shè)備故障節(jié)支收益：改造前，#1、#2卸船機(jī)鏈斗提升機(jī)構(gòu)變頻器頻報過流、模塊過熱、IGBT損壞等故障，故障代碼為O.ht1（熱模型功率過溫）、O.ht2（散熱器過溫）、OI.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5 h左右，費(fèi)時費(fèi)力，影響生產(chǎn)效率。綜合下來，改造后每年可節(jié)約費(fèi)用約20萬元。

（3）兩臺連續(xù)卸船機(jī)的提升機(jī)構(gòu)變頻驅(qū)動系統(tǒng)改造后，變頻器運(yùn)行符合改造預(yù)期（圖1），變頻器電流（電機(jī)電流）、電機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)，運(yùn)行電流較之前減小10%左右。變頻器啟動時，提升機(jī)構(gòu)的兩臺電機(jī)同步啟動，減小了提升機(jī)構(gòu)因兩臺電機(jī)出力不平衡產(chǎn)生的振動，改善了變頻器運(yùn)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(hù)工作量及硬件成本，大大提高了卸船機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性與工作效率，安全經(jīng)濟(jì)，社會效益十分顯著。

5 結(jié)語

連續(xù)卸船機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對于火電機(jī)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(jī)變頻器故障頻繁的現(xiàn)象進(jìn)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(jī)在主機(jī)廠進(jìn)行系統(tǒng)集成時存在軟硬件設(shè)計缺陷。提升機(jī)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(jī)組卸船機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

收稿日期：2021-06-15

作者簡介：邱樂平（1970—），男，廣東連平人，主要從事火電廠燃料管理與檢修工作。