水電站起重設(shè)備變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計選型

1、水電站起重設(shè)備變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計選型郎子熒 四川省夾江水工機械廠電氣分廠，四川夾江614100     摘要  針對水電站提升機構(gòu)的特點，對變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計、選型以及應(yīng)注意的事項進行了簡要的分析。     關(guān)鍵字  水電站；提升機；變頻調(diào)速系統(tǒng)；設(shè)計 Hydropower lifting equipment design and selection of Frequency Control System    Abstract

2、0;  Enhance the character of the body for the station, on the frequency control system design, selection, and should pay attention to a brief analysis.    Keywords   Hydropower; elevator; frequency control system; Design     0 引言變頻調(diào)速技術(shù)從上世紀(jì)90 年代中

3、期開始應(yīng)用在我廠設(shè)計生產(chǎn)的機電產(chǎn)品中。我廠的機電產(chǎn)品主要是電站起重設(shè)備，起重設(shè)備在電氣傳動中屬于一種比較特殊的負載類型，從傳動角度來說它強調(diào)的是動態(tài)性能，從控制角度來說更重視系統(tǒng)對安全性和可靠性的保障能力。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)注意以下幾個方面。1 變頻器控制方式的選擇控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在，所以，必須首先確定負載特性，要弄清變頻器控制的對象是什么。其實只要按負載特性設(shè)計系統(tǒng)滿足使用要求、調(diào)速方便、運行可靠就可以了，這樣才能做到量才使用、經(jīng)濟實惠，降低設(shè)計成本，并非檔次越高越好。1.1 提升機構(gòu)提升機構(gòu)的負載特性是位能性負載，也是恒轉(zhuǎn)矩負載。它對起動性能的要求是低速大轉(zhuǎn)矩，

4、甚至有時需要達到零速滿轉(zhuǎn)矩，力矩響應(yīng)要快。這就要求變頻器能夠產(chǎn)生比負載轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩，超出的這部分轉(zhuǎn)矩用于加速。位能性負載還要求在全速度范圍內(nèi)力矩衰減要盡可能小，能經(jīng)常地快速制動。下降時調(diào)速系統(tǒng)處于再生制動狀態(tài)，將再生的電能回饋到電網(wǎng)上或消耗在電阻上，同時要有足夠高的頻率分辨率。所以，選擇具有高起動性能、力矩響應(yīng)快、低速力矩特性好，是起重設(shè)備對變頻器的主要要求。ABB 公司的ACS800 系列是ACS600 系列的第二代采用DTC技術(shù)設(shè)計的變頻器，DTC控制技術(shù)也就是直接轉(zhuǎn)矩控制，它是目前最先進的控制交流異步電機的方式。直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入，該模型每隔2

5、5s產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進行比較，給出其最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，實時調(diào)整逆變電路的通斷狀態(tài)，進而調(diào)整電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達到精確控制的目的。它能夠在開環(huán)方式下對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行準(zhǔn)確控制，在零速附近區(qū)域達到1.5 倍額定力矩。如果再配上提升機專用軟件，就使得提升機構(gòu)有了最佳的運行安全性和杰出的提升性能。Siemens 公司的6SE70系列變頻器，采用的控制方式是磁場定向閉環(huán)控制，也就是矢量控制，它適用于高動態(tài)性能傳動的頻率控制和轉(zhuǎn)速控制等。矢量控制可以達到同直流傳動系統(tǒng)相媲美的動態(tài)性能，它能準(zhǔn)確

6、地推斷和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流分量和磁通分量，其調(diào)節(jié)頻率可達2.5 kHz，所以預(yù)先給定的轉(zhuǎn)矩可以準(zhǔn)確地維持和限定，當(dāng)調(diào)速范圍110 時可以不用測速編碼器，它的過載電流為額定電流的1.36 倍。6SE70系列變頻器的另一個最大特點是具有豐富的軟件功能，其軟件提供了最大的可操作性和靈活性。上述兩種變頻器在相同容量下，ABB 的ACS800系列的價格要高于Siemens公司的6SE70系列。1.2 行走機構(gòu)行走機構(gòu)的特點是電機正反向運行，始終處于電動狀態(tài)，無發(fā)電運行工況，機構(gòu)起制動時間較長，所以變頻器選用無特殊限制，可用性比較寬。Siemens公司的6SE440 系列通用型變頻器是性價比較高的一種選擇。2

7、變頻器容量的選擇負載特性一旦確定變頻器容量可以用三個參數(shù)來表述，即變頻器的功率、額定電流和最大電流。在這三個電氣參數(shù)中，額定電流是一個反映變頻裝置負載能力的關(guān)鍵量，因此應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負載總電流不允許超過變頻器的額定電流，同時還應(yīng)使電機的起動電流小于變頻器的最大電流，也就是說變頻器的過載能力一定要包絡(luò)電機過載能力。這是選擇變頻器的基本原則，下面舉例說明。查變頻器選型手冊，變頻器過載能力ABB 為1.5，Siemens為1.36；Imax為變頻器最大輸出電流，此值在電機軸功率為額定功率的150%時可以連續(xù)工作10 s。依據(jù)以上三條選用ABB公司的ACS800 系列變頻器，訂貨號為ACS800

8、-01-0050-3，變頻對應(yīng)參數(shù)如下所列：額定功率Pe=30 kW；視在功率Smax= 39.49 kV·A；額定電流Ihd=60 A；最大電流Imax=112 A。顯而易見，均滿足變頻運行電機YP2200L2-6的要求。需要注意的是現(xiàn)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中選用的電機大多為變頻電機，變頻電機的基準(zhǔn)工作制為S1 （連續(xù)定額），但是它也可運行在S3 （反復(fù)短時）工作方式下。當(dāng)電機運行在S3工作方式時，電機的出力須增加15%。水電站上用于啟閉閘門的起重設(shè)備多為S3工作方式，計算選擇提升電機容量時，應(yīng)滿足S3工作方式下傳動機構(gòu)的需要。因此，在選擇變頻器時一定要知道機構(gòu)運行在哪一種工作制下，否則會

9、造成變頻器選小的可能。3 快速熔斷器的選擇變頻器必須使用快速熔斷器作為短路保護。由于變頻器內(nèi)半導(dǎo)體和晶閘管的熱容量低，承受過載能力差，所以在發(fā)生過載或短路時希望快速斷電?？焖偃蹟嗥髟?.1 倍額定載荷電流時工作45 h都不會熔斷，但在46倍額定電流時僅0.020.03 s即迅速熔斷。國產(chǎn)RS3型熔斷器常用于大容量晶閘管器件的的短路保護，它分斷能力強，限流特性好，功率損耗低，能可靠保護半導(dǎo)體器件及其成套裝置。熔體額定電流按IR 1.5Ih來選擇，Ihd為變頻器連續(xù)額定電流，1.5 為變頻器容許的過載電流倍數(shù)（ABB），不同廠商的變頻器過載電流倍數(shù)是不同的。4 制動電阻器選擇位能性負載在下降過程中

10、，電機處于發(fā)電運行狀態(tài)并產(chǎn)生制動作用，此刻變頻器吸收電動機的動能，再生能量將存儲在變頻器的中間直流電路的儲能電容中，導(dǎo)致變頻器的直流母線電壓上升。當(dāng)制動功率超過變頻器的功率損耗時，中間電路的電壓上升會使變頻器保護跳閘。因此在中間電路放置一個負載以吸收制動功率，負載由一個制動模塊和一個外部電阻器構(gòu)成，制動模塊也就是常說的制動斬波器。有了這個制動單元后，當(dāng)變頻器的中間回路電壓超過設(shè)定的極限值時，制動單元就開始起作用。有的變頻器廠商已經(jīng)把制動斬波器集成在變頻器的內(nèi)部，有的作為變頻器的可選件，在位能性負載中制動斬波器是必須選配的。制動電阻器應(yīng)依據(jù)負載特性計算所得，一般按以下方法進行選擇。 方

11、法一的計算值要略小于方法二的計算值，也可以用兩種方法分別計算，選電阻器時將制動功率向上靠，電阻值向下靠，這樣可以保證有更大的電流泄放空間。在水電站一些高揚程起重機上這一點很重要，因為電阻器在不同工作制和暫載率下的電流值是不相同的，如果電阻器選擇不恰當(dāng)，仍然會造成直流過壓故障。5 注意事項1）變頻器的工作環(huán)境變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而設(shè)計的，一般海拔在1 000 m以下、溫度在40以下不需要降容。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，在選擇變頻器時要考慮由此造成的降容因素。2）變頻器主電路的連線變頻器的輸入線R、S、T，輸出線U、V、W 和接地線絕對不能錯接，否則會造成嚴(yán)重后果。水電

12、站起重設(shè)備上的變頻器與電機之間距離比較長，在選擇電纜時除了考慮載流量以外還應(yīng)考慮電壓降，一般要求U（23）%U。從變頻器到電機之間的動力電纜最好選用屏蔽電纜，這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當(dāng)電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時，電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作，此時就要配置輸出電抗器。3）變頻器的接地正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段。變頻器應(yīng)分別和大地相連，不允許一臺變頻器的接地端和另一臺變頻器的接地端相聯(lián)接后再接地，也不允許與動力設(shè)備接地點共地。接地線應(yīng)短而粗，接地電阻值越小越好。4）防止電磁波干擾變頻器在工作中由于整流和變頻產(chǎn)生高次諧波，會引起電網(wǎng)電壓波形的畸

13、變，對周圍的儀表、儀器有一定的干擾，變頻器容量越大，這種影響越嚴(yán)重。因此，一些儀表、電子系統(tǒng)，PLC等應(yīng)盡量避免與變頻器同裝在一個柜體內(nèi)，控制電路應(yīng)用變壓器進行隔離，電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽電纜，屏蔽層應(yīng)可靠接地。5）變頻器的防雷變頻器中一般都設(shè)有雷電吸收網(wǎng)絡(luò)，主要防止瞬間的雷電侵入，使變頻器損壞。但在實際工作中，單靠變頻器的吸收網(wǎng)絡(luò)是不能滿足要求的，在雷電活躍地區(qū)這一問題尤為重要。水電站的起重設(shè)備大多是移動設(shè)備，電源是通過電纜引入的，應(yīng)做好線路上的防雷防浪涌保護，在電源進線端加裝一只三相電涌保護器基本上能夠解決雷擊問題。6 結(jié)語變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)以負載的機械特性為主要設(shè)計參數(shù)，保證系統(tǒng)的動靜態(tài)指標(biāo)良好，合理選擇變頻器，并解決變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中的實際問題，才能使所設(shè)計的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高的靜動態(tài)指標(biāo)和良好的性能價格比。作者簡介：