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

0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)從上世紀(jì)90 年代中期開始應(yīng)用在我廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品中。我廠的機(jī)電產(chǎn)品主要是電站起重設(shè)備，起重設(shè)備在電氣傳動(dòng)中屬于一種比較特殊的負(fù)載類型，從傳動(dòng)角度來說它強(qiáng)調(diào)的是動(dòng)態(tài)性能，從控制角度來說更重視系統(tǒng)對(duì)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(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)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(fù)載特性，要弄清變頻器控制的對(duì)象是什么。其實(shí)只要按負(fù)載特性設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足使用要求、調(diào)速方便、運(yùn)行可靠就可以了，這樣才能做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，降低設(shè)計(jì)成本，并非檔次越高越好。

1.1 提升機(jī)構(gòu)

提升機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性是位能性負(fù)載，也是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。它對(duì)起動(dòng)性能的要求是低速大轉(zhuǎn)矩，甚至有時(shí)需要達(dá)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(fù)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(fù)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(dòng)。下降時(shí)調(diào)速系統(tǒng)處于再生制動(dòng)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(shí)要有足夠高的頻率分辨率。所以，選擇具有高起動(dòng)性能、力矩響應(yīng)快、低速力矩特性好，是起重設(shè)備對(duì)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(jì)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(jìn)的控制交流異步電機(jī)的方式。直接轉(zhuǎn)矩控制以測(cè)量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入，該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，給出其最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測(cè)量，實(shí)時(shí)調(diào)整逆變電路的通斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)到精確控制的目的。它能夠在開環(huán)方式下對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，在零速附近區(qū)域達(dá)到1.5 倍額定力矩。如果再配上提升機(jī)專用軟件，就使得提升機(jī)構(gòu)有了最佳的運(yùn)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(chǎng)定向閉環(huán)控制，也就是矢量控制，它適用于高動(dòng)態(tài)性能傳動(dòng)的頻率控制和轉(zhuǎn)速控制等。矢量控制可以達(dá)到同直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美的動(dòng)態(tài)性能，它能準(zhǔn)確地推斷和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流分量和磁通分量，其調(diào)節(jié)頻率可達(dá)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1∶10 時(shí)可以不用測(cè)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(gè)最大特點(diǎn)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(jià)格要高于Siemens公司的6SE70系列。

1.2 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是電機(jī)正反向運(yùn)行，始終處于電動(dòng)狀態(tài)，無發(fā)電運(yùn)行工況，機(jī)構(gòu)起制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，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(jià)比較高的一種選擇。

2 變頻器容量的選擇

負(fù)載特性一旦確定變頻器容量可以用三個(gè)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(gè)電氣參數(shù)中，額定電流是一個(gè)反映變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量，因此應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負(fù)載總電流不允許超過變頻器的額定電流，同時(shí)還應(yīng)使電機(jī)的起動(dòng)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(jī)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(cè)，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(jī)軸功率為額定功率的150%時(shí)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(hào)為ACS800-01-0050-3，變頻對(duì)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(yùn)行電機(jī)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(jī)大多為變頻電機(jī)，變頻電機(jī)的基準(zhǔn)工作制為S1 (連續(xù)定額)，但是它也可運(yùn)行在S3 (反復(fù)短時(shí))工作方式下。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在S3工作方式時(shí)，電機(jī)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(jì)算選擇提升電機(jī)容量時(shí)，應(yīng)滿足S3工作方式下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的需要。因此，在選擇變頻器時(shí)一定要知道機(jī)構(gòu)運(yùn)行在哪一種工作制下，否則會(huì)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(hù)。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(shí)希望快速斷電?？焖偃蹟嗥髟?.1 倍額定載荷電流時(shí)工作4～5 h都不會(huì)熔斷，但在4～6倍額定電流時(shí)僅0.02～0.03 s即迅速熔斷。國(guó)產(chǎn)RS3型熔斷器常用于大容量晶閘管器件的的短路保護(hù)，它分?jǐn)嗄芰?qiáng)，限流特性好，功率損耗低，能可靠保護(hù)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(dòng)電阻器選擇

位能性負(fù)載在下降過程中，電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)并產(chǎn)生制動(dòng)作用，此刻變頻器吸收電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能，再生能量將存儲(chǔ)在變頻器的中間直流電路的儲(chǔ)能電容中，導(dǎo)致變頻器的直流母線電壓上升。當(dāng)制動(dòng)功率超過變頻器的功率損耗時(shí)，中間電路的電壓上升會(huì)使變頻器保護(hù)跳閘。因此在中間電路放置一個(gè)負(fù)載以吸收制動(dòng)功率，負(fù)載由一個(gè)制動(dòng)模塊和一個(gè)外部電阻器構(gòu)成，制動(dòng)模塊也就是常說的制動(dòng)斬波器。有了這個(gè)制動(dòng)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(shí)，制動(dòng)單元就開始起作用。有的變頻器廠商已經(jīng)把制動(dòng)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(fù)載中制動(dòng)斬波器是必須選配的。制動(dòng)電阻器應(yīng)依據(jù)負(fù)載特性計(jì)算所得，一般按以下方法進(jìn)行選擇。