高压变频电动机电气控制和继电保护设计优化

高压变频电动机电气控制和继电保护设计优化

翁小川  易陈

华电湖北发电有限公司武昌热电分公司

摘要：在现代工业生产中，高压变频电机是重要的驱动设备之一，其应用范围广泛，如矿山输送、冶金加工、水泵、风力发电等等。然而，由于高压变频电机具有较高的功率密度和转速特性，因此也存在一些安全隐患，比如过载、短路、欠压等问题。为了解决这些问题，需要对高压变频电机的电气控制系统进行优化。因此，本文重点研究高压变频电动机电气控制和继电保护设计优化，以期有效地改善高压变频电机的性能，使其更加可靠稳定地工作。

关键词：高压变频电动机；电气控制；继电保护；设计优化

前言：随着工业自动化的不断发展，高压变频电机在各种机械设备中得到了广泛的应用。然而，由于其高电压特性，高压变频电机也存在着一定的安全隐患。

一、高压变频电动机电气控制分析

（一）电气控制保护配置方案

需要对电机负载进行评估，确定其最大功率值Pmax，然后通过计算得出电机电流Ic和电压Uc的大小，从而判断是否处于超负荷状态。可以使用过载保护电路来检测当前电机负载情况，当超过设定阈值时触发警报或停止运行[1]。需要考虑欠压保护问题，因为如果电机负载不足会导致电机转速过高而损坏电机。因此，建议采用欠压保护装置，以确保电机正常运转。

（二）电气控制差动保护

1.提高差动保护的可靠性

在高压变频电机电气控制系统中，差动保护是保证设备安全运行的重要环节。为了提升差动保护系统的可靠性，改进差动保护算法；增加差动保护器的容错度；加强对差动保护器的测试与维护工作。提出了一种基于模糊逻辑的新型差动保护算法，该算法能够有效地避免误判导致停运的情况发生。通过增加差动保护器的容错度，可以降低故障率并提高系统的稳定性。针对差动保护器的测试与维护问题，建议定期检查差动保护器的状态以及对其进行必要的保养维修。

2.提高励磁变保护的灵敏度

在高压变频电动机中，励磁变保护是非常重要的一环。其主要作用是防止电机过载并保证电机正常运行。然而，传统的励磁变保护方式存在着一些问题，例如灵敏性不够高、反应速度较慢等问题。为了解决这些问题，本研究提出了一种新的励磁变保护方法，旨在提高励磁变保护的灵敏性和响应速度。首先，采用了新型的感应器来检测磁场的变化情况。这种感应器具有更高的灵敏度和更短的响应时间，能够更好地捕捉到磁场变化的情况。其次，在电路上加入了一个快速开关器件，以便于更快地将电流切断或恢复。这样可以大大缩短励磁变保护的时间，从而提高了它的灵敏性[2]。最后，对励磁变保护算法进行了改进，使得它更加智能化和自适应化。通过这些措施，可以有效地提升了励磁变保护的灵敏性和响应速度，确保了电机的安全可靠运行。

二、高压变频电动机继电保护设计优化

（一）保护闭锁逻辑优化

1.逆功率保护

在高压变频电动机中，逆功率保护是一种常见的保护方式。其主要作用是防止电机过载运行时出现电流反激现象，从而保证电机的安全运转。逆功率保护通常采用PID算法进行调节，通过对输入信号进行滤波处理，计算出输出电压的大小，然后将该输出电压反馈到控制器中以实现负载保护的目的。然而，传统的PID算法存在一定的局限性，如稳定性差、反应速度慢等问题。为了提高逆功率保护的效果，具体来说，采用了BP神经网络模型来模拟电机的负载特性，并将其与传统PID算法相结合，实现了更加准确、快速的负载保护效果。在仿真环境中搭建了一个包含电机参数的数据集，并利用Matlab软件进行了数据训练。经过多次迭代优化后，最终得到了一个具有良好性能的神经网络模型，用于预测电机负载情况。同时，针对不同工况下电机负载的特点，分别设置了不同的阈值和时间间隔，确保逆功率保护能够及时响应电机负载变化，保障电机的安全性能。

2.低功率保护

低功率保护是指当电机运行时，由于各种原因导致电压降低到一定程度时，系统会自动关闭电源以避免过载或短路等问题发生。因此，低功率保护是保证电力系统的安全稳定的重要保障之一。目前常用的低功率保护方式主要有三种：电流互感器保护、电压互感器保护以及基于PID算法的保护。其中，电流互感器保护是最常见的一种方法。该方法通过检测电流的变化来判断是否存在过载情况，如果发现过载现象，就会立即切断电源。这种方法简单易行，但其灵敏度较低，容易误判为正常工况而触发保护。为了提高低功率保护的灵敏性和可靠性，本研究提出了一种新的低功率保护方案，即基于PID算法的保护。该方案利用PID算法对电机负载曲线进行建模，并结合电流互感器保护的方式实现低功率保护。具体来说，当电机负载超过设定阈值时，系统将启动PID算法计算负载变化率，并将结果反馈至电流互感器保护装置，从而实现低功率保护。实验验证表明，采用基于PID算法的新型低功率保护方案可以显著提升电机的安全性能和稳定性。同时，该方案具有较高的灵活性，可以在不同的工作条件下进行调整和优化，满足不同应用场景的需求。

（二）保护功能和励磁调节功能有机配合

在电力系统中，高压变频电动机作为一种重要的电源设备，其可靠性和安全性至关重要。为了提高变频电机的运行稳定性和安全性，需要对其进行有效的保护和励磁调节。本章将介绍如何通过有机结合的方式实现对变频电动机的保护与励磁调节功能的有机组合。首先，对于变频电动机的保护功能而言，传统的方法是采用电流互感器来检测并判断故障情况，但是这种方式存在着误差较大、响应速度慢等问题。基于PID算法的新型保护方案，该方案可以有效地识别和诊断变频电动机中的各种故障现象，并且具有较高的准确性和快速性。同时，该方案还可以实时监测变频电动机的工作状态，及时发现异常情况并采取相应的措施加以处理。其次，针对变频电动机的励磁调节问题，利用模糊逻辑推理技术实现了对励磁电压的自动调节。具体来说，该方法可以通过分析不同工况下变频电动机的特性参数，建立相应的数学模型，然后运用模糊控制理论对模型进行求解，从而得到合适的励磁电压值[3]。此外，该方法还具备了自适应能力，能够随着变频电动机的状态变化而动态调整励磁电压，保证变频电动机始终处于最佳工作状态下。通过有机结合的方式，就目前高压变频器在电动机继电保护中的运用而言，实现差动保护主要采用值差动保算法来进行，可以最终使用一台装置来实现变压器与电动机保护装置的功能，这样不仅使高压变频器在电动机继电保护中实现了相应的功能，而且也使成本节省了很多。

三、结语

综上所述，经过改进后的高压变频电动机具有更高的可靠性和更好的性能表现，能够更好地满足用户的需求，对于提高高压变频电动机的安全性能和经济性水平具有重要意义。因此，未来的工作将进一步完善该技术，使其更加成熟可靠，并在更广泛的应用领域得到推广使用。

参考文献：

[1]顾正祥,刘晓兵.高压电动机自动化控制原理及电气调试技术[J].现代制造技术与装备,2020,56(12)：122-124.

[2]刘玉军.高压电器设备的自动化控制及调试要点探究[J].流体测量与控制,2022,3(03)：61-64.

[3]张睿．大容量变频器对电动机继电保护的影响EJ3．继电器，2020，35(17)：9—11．