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7MW高压变频电源在水泵测试台中的应用

2016-08-09 17:34:00
The Applications of 7MW High Voltage Power Inverter in the Pump Test Taichung
新风光电子科技股份有限公司  杜锋  张文勇  陈建行
湖南南方长河泵业有限公司  钟雄俊  于俊雄
Du Feng  Zhang Wenyong  Chen Jianhang  Zhong Xiongjun  Yu Junxiong

摘  要:本文介绍了风光牌7MW变频电源在湖南南方长河泵业有限公司水泵测试台厂的应用情况。测试台通过采用风光牌高压变频电源实现了水泵性能测试功能。
关键词:高压变频电源   水泵   测试台   应用
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、长轴泵产品规格最全、出口量最大的企业。
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。

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 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。

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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最优的运行性能。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。
 
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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。

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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。

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图4 高压变频电源设备现场运行照片
 
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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


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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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图6型式试验报告
参考文献:
新风光电子用户手册[Z] 新风光电子科技股份有限公司。

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