水電站起重設備變頻調速系統的設計選型

0 引言

變頻調速技術(shù)從上世紀90 年代中期開(kāi)始應用在我廠(chǎng)設計生產(chǎn)的機電產(chǎn)品中。我廠(chǎng)的機電產(chǎn)品主要是電站起重設備，起重設備在電氣傳動(dòng)中屬于一種比較特殊的負載類(lèi)型，從傳動(dòng)角度來(lái)說(shuō)它強調的是動(dòng)態(tài)性能，從控制角度來(lái)說(shuō)更重視系統對安全性和可靠性的保障能力。因此，變頻調速系統的設計應注意以下幾個(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，必須首先確定負載特性，要弄清變頻器控制的對象是什么。其實(shí)只要按負載特性設計系統滿(mǎn)足使用要求、調速方便、運行可靠就可以了，這樣才能做到量才使用、經(jīng)濟實(shí)惠，降低設計成本，并非檔次越高越好。

1.1 提升機構

提升機構的負載特性是位能性負載，也是恒轉矩負載。它對起動(dòng)性能的要求是低速大轉矩，甚至有時(shí)需要達到零速滿(mǎn)轉矩，力矩響應要快。這就要求變頻器能夠產(chǎn)生比負載轉矩更大的轉矩，超出的這部分轉矩用于加速。位能性負載還要求在全速度范圍內力矩衰減要盡可能小，能經(jīng)常地快速制動(dòng)。下降時(shí)調速系統處于再生制動(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、力矩響應快、低速力矩特性好，是起重設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)設計的變頻器，DTC控制技術(shù)也就是直接轉矩控制，它是目前最先進(jìn)的控制交流異步電機的方式。直接轉矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入，該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉矩和磁通實(shí)際值，轉矩比較器和磁通比較器將轉矩和磁通的實(shí)際值與轉矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，給出其最佳開(kāi)關(guān)位置。由此可以看出它是通過(guò)對轉矩和磁通的測量，實(shí)時(shí)調整逆變電路的通斷狀態(tài)，進(jìn)而調整電機的轉矩和磁通，以達到精確控制的目的。它能夠在開(kāi)環(huán)方式下對轉速和轉矩進(jìn)行準確控制，在零速附近區域達到1.5 倍額定力矩。如果再配上提升機專(zhuān)用軟件，就使得提升機構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(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)的頻率控制和轉速控制等。矢量控制可以達到同直流傳動(dòng)系統相媲美的動(dòng)態(tài)性能，它能準確地推斷和調節轉矩電流分量和磁通分量，其調節頻率可達2.5 kHz，所以預先給定的轉矩可以準確地維持和限定，當調速范圍1∶10 時(shí)可以不用測速編碼器，它的過(guò)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 行走機構

行走機構的特點(diǎn)是電機正反向運行，始終處于電動(dòng)狀態(tài)，無(wú)發(fā)電運行工況，機構起制動(dòng)時(shí)間較長(cháng)，所以變頻器選用無(wú)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?xún)r(jià)比較高的一種選擇。

2 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(gè)參數來(lái)表述，即變頻器的功率、額定電流和最大電流。在這三個(gè)電氣參數中，額定電流是一個(gè)反映變頻裝置負載能力的關(guān)鍵量，因此應保證在無(wú)故障狀態(tài)下負載總電流不允許超過(guò)變頻器的額定電流，同時(shí)還應使電機的起動(dòng)電流小于變頻器的最大電流，也就是說(shuō)變頻器的過(guò)載能力一定要包絡(luò )電機過(guò)載能力。這是選擇變頻器的基本原則，下面舉例說(shuō)明。

查變頻器選型手冊，變頻器過(guò)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(shí)可以連續工作10 s。

依據以上三條選用ABB公司的ACS800 系列變頻器，訂貨號為ACS800-01-0050-3，變頻對應參數如下所列：

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(jiàn)，均滿(mǎn)足變頻運行電機YP2200L2-6的要求。

需要注意的是現在變頻調速系統中選用的電機大多為變頻電機，變頻電機的基準工作制為S1 (連續定額)，但是它也可運行在S3 (反復短時(shí))工作方式下。當電機運行在S3工作方式時(shí)，電機的出力須增加15%。水電站上用于啟閉閘門(mén)的起重設備多為S3工作方式，計算選擇提升電機容量時(shí)，應滿(mǎn)足S3工作方式下傳動(dòng)機構的需要。因此，在選擇變頻器時(shí)一定要知道機構運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。由于變頻器內半導體和晶閘管的熱容量低，承受過(guò)載能力差，所以在發(fā)生過(guò)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，能可靠保護半導體器件及其成套裝置。

熔體額定電流按IR≥ 1.5Ih來(lái)選擇，Ihd為變頻器連續額定電流，1.5 為變頻器容許的過(guò)載電流倍數(ABB)，不同廠(chǎng)商的變頻器過(guò)載電流倍數是不同的。

4 制動(dòng)電阻器選擇

位能性負載在下降過(guò)程中，電機處于發(fā)電運行狀態(tài)并產(chǎn)生制動(dòng)作用，此刻變頻器吸收電動(dòng)機的動(dòng)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，導致變頻器的直流母線(xiàn)電壓上升。當制動(dòng)功率超過(guò)變頻器的功率損耗時(shí)，中間電路的電壓上升會(huì )使變頻器保護跳閘。因此在中間電路放置一個(gè)負載以吸收制動(dòng)功率，負載由一個(gè)制動(dòng)模塊和一個(gè)外部電阻器構成，制動(dòng)模塊也就是常說(shuō)的制動(dòng)斬波器。有了這個(gè)制動(dòng)單元后，當變頻器的中間回路電壓超過(guò)設定的極限值時(shí)，制動(dòng)單元就開(kāi)始起作用。有的變頻器廠(chǎng)商已經(jīng)把制動(dòng)斬波器集成在變頻器的內部，有的作為變頻器的可選件，在位能性負載中制動(dòng)斬波器是必須選配的。制動(dòng)電阻器應依據負載特性計算所得，一般按以下方法進(jìn)行選擇。