在工業(yè)自動(dòng)化教學(xué)中對(duì)水阻柜電機(jī)的變頻改法

一、摘要：由于水泥行業(yè)一般地處偏遠(yuǎn)，電網(wǎng)容量有限，所以很多大型設(shè)備的啟動(dòng)都采用軟啟動(dòng)，西南，西北地區(qū)尤其普遍�；�于成本考慮，大部分企業(yè)都選用水阻啟動(dòng)。隨著近幾年國家節(jié)能降耗政策的落實(shí)，以及國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中變頻器技術(shù)的日趨成熟和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，很多水泥行業(yè)由使用水阻考慮變頻器改造。本文就目前水阻的原理和變頻器的原理，著重解釋一下水阻調(diào)速或水阻啟動(dòng)的高壓電機(jī)（風(fēng)機(jī)，水泵）的變頻器改造。
1.1原理：水阻起動(dòng)柜是近年來運(yùn)用比較廣泛的電機(jī)起動(dòng)設(shè)備。水阻，也就是液體電阻（在水中添加電解粉構(gòu)成水電阻），顧名思義就是在電機(jī)定子回路（籠型電機(jī)）或轉(zhuǎn)子回路（對(duì)繞線電機(jī)）中串入液態(tài)電阻，電機(jī)在起動(dòng)過程中液態(tài)電阻阻值在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)無級(jí)減小，直至阻值接近為零，將液阻自動(dòng)切除，電機(jī)投入正常運(yùn)行，每小時(shí)最多可以啟動(dòng)2-3次。
1.2組成：液體電阻起動(dòng)柜主要由以下幾個(gè)部分組成：水箱、極板（分動(dòng)極板及靜極板）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)（行程開關(guān)）及相關(guān)電器元件，如繼電器（或PLC）、時(shí)間繼電器、接觸器、按鈕、指示燈等狀置構(gòu)成，主要適用于400V、3kV、6kV、10kV各個(gè)電壓等級(jí)，功率范圍從500kW-30000kW。
1.3運(yùn)行過程：運(yùn)行過程如下：電機(jī)開關(guān)柜合閘的同時(shí)，水阻柜接收到真空斷路器運(yùn)行信號(hào)，動(dòng)極板自上而下開始運(yùn)行，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)電阻值逐漸下降，當(dāng)電阻接近于零時(shí)，安裝在水阻柜內(nèi)的真空接觸器吸合，電機(jī)啟動(dòng)完成，經(jīng)過延時(shí)幾秒后，動(dòng)極板自動(dòng)復(fù)位至原始狀態(tài)，等待次啟動(dòng)。如水阻柜在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)沒有完成就會(huì)發(fā)出一個(gè)故障報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)切斷開關(guān)柜，確保電機(jī)不開路。1.4運(yùn)行原理：對(duì)于籠型電機(jī)而言，液體電阻起動(dòng)柜有兩種方案，對(duì)于星型接法的電機(jī)，如星點(diǎn)能夠打開，原理與繞線電機(jī)水阻柜的原理基本相同（水阻相當(dāng)于串在轉(zhuǎn)子上，當(dāng)啟動(dòng)完畢后，再用水阻自帶的斷路器或者真空接觸器把電機(jī)星點(diǎn)短接），對(duì)于角型接法或星點(diǎn)不能打開的籠型電機(jī)，水阻柜只能串接在定子回路中，電機(jī)啟動(dòng)完畢后需要將水阻柜用斷路器隔離開，以防水阻柜長期帶電引發(fā)安全事故。目前，不少水阻柜生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)時(shí)為降低成本，水阻柜只采用一臺(tái)真空斷路器，電機(jī)啟動(dòng)完成后水阻柜仍然帶電，這是不安全的，萬一水箱受損，液體泄露，必定引發(fā)安全事故。
1.5水阻缺點(diǎn)：水阻的效率低，只能做軟啟動(dòng)。如果作為調(diào)速，必須將水阻柜箱體（液體電阻部分）長期帶電，一旦出現(xiàn)箱體漏液或者液體電阻減少或者干枯，必出現(xiàn)生產(chǎn)事故或者安全事故。并且由于箱體液體電阻長期帶電，發(fā)熱嚴(yán)重，要有外圍散熱設(shè)備才能維持運(yùn)行。所以相對(duì)人力維護(hù)成本也會(huì)增加。 
二、變頻器：2.1變頻器結(jié)構(gòu)原理：HARSVERT-A系列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，適合國內(nèi)電網(wǎng)特性，符合國內(nèi)用戶使用習(xí)慣的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)為電壓源型高壓變頻器，具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。HARSVERT-A系列高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（簡稱CSML）。由若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；精確的故障報(bào)警保護(hù)；具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)的安全可靠。電網(wǎng)電壓（10kV）經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機(jī)。10kV輸出電壓每相有8個(gè)額定電壓為700V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓5600V，線電壓達(dá)到10kV左右，每個(gè)功率單元承受全部的電機(jī)電流，但只提供1/8的相電壓和1/24的輸出功率。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達(dá)到理想的諧波抵消效果。對(duì)10kV輸出電壓，給24個(gè)功率單元供電的24個(gè)二次繞組每3個(gè)一組，分為8個(gè)不同的相位組，互差60/8度電度角，形成48脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，輸入功率因數(shù)可以達(dá)到0.96以上。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，且輸出電平數(shù)增加。電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等都大大降低，可以直接用于普通異步電機(jī)，不會(huì)產(chǎn)生輸出電纜較長時(shí)行波反射引起的浪涌電壓增加而造成電機(jī)絕緣破壞問題。
2.2變頻器優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)(1)優(yōu)點(diǎn)：功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)所有功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換。減少備品備件備庫。輸入干式變壓器免維護(hù)，可靠性高。變壓器的防護(hù)與變頻器共同防護(hù)為IP21防護(hù)外殼，可防止直徑大于12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動(dòng)物進(jìn)入，造成短路停電等惡性故障，為帶電部分提供安全屏障。    高效率(>96%)，輸入功率因數(shù)高(>0.95)，電流諧波少(<4%)，無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對(duì)電纜、電機(jī)絕緣無損害，電機(jī)諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動(dòng)，輸出線可以長達(dá)1000米；減少配件的損耗，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。    高的調(diào)速精度和精確的輸出頻率分辨率(0.01HZ)，輸出頻率0.5Hz—120Hz連續(xù)可調(diào)，完全可以滿足電力機(jī)組生產(chǎn)工藝工況的要求；電機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制；啟動(dòng)電流小于電機(jī)的額定電流；電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間可連續(xù)可調(diào)，減少了對(duì)電網(wǎng)影響。變頻器預(yù)裝具有自主版權(quán)的全中文操作和監(jiān)控軟件，本機(jī)及遠(yuǎn)程啟停操作、功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、故障查詢、運(yùn)行記錄查詢等均采用全中文的WINDOWS操作界面；配備7寸彩色液晶觸摸顯示屏，可實(shí)現(xiàn)完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能，可打印輸出運(yùn)行報(bào)表；調(diào)整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓及電流波形、頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機(jī)在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)狀態(tài)；具有很強(qiáng)的診斷、指示能力：可檢測(cè)變頻器各部分的運(yùn)行狀態(tài)，完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障定位，所有的功率模塊均為智能化設(shè)計(jì)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，將故障信息返回到主控單元中，主控單元會(huì)及時(shí)將主要功率元件IGBT關(guān)斷，保護(hù)主電路，同時(shí)在中文人機(jī)界面上精確定位顯示故障位置、類別，使故障點(diǎn)一目了然，適應(yīng)于一般操作工人和維護(hù)人員的技能水平。變頻器直接內(nèi)置有PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要；與機(jī)組的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的無縫接口。同時(shí)也可以根據(jù)用戶要求提供MODBUS,PROFIBUS,TCP/IP協(xié)議通訊。采用外部模擬信號(hào)控制變頻器輸出頻率時(shí)(變頻器作為DCS的執(zhí)行機(jī)構(gòu))，如果發(fā)生模擬信號(hào)掉線或短路時(shí)，變頻器可以提供報(bào)警信號(hào)，同時(shí)保持原有輸出頻率不變。變頻器控制電源可接收雙路交流220V輸入，并配備有UPS，在控制電源任意一路交流電掉電后可以切換到備用電源。當(dāng)兩路都交流電都斷開，UPS也可以繼續(xù)維持運(yùn)行接近30分鐘。可以繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)提供報(bào)警。(2)缺點(diǎn)：一次性投入過高。
三、水阻和變頻器的結(jié)合3.1變頻器節(jié)能原理：風(fēng)機(jī)和水泵，前者工作介質(zhì)為液體，均屬于流體機(jī)械設(shè)備。以下就以風(fēng)機(jī)為例說明他們的調(diào)速工作原理。由上圖可以看出，風(fēng)機(jī)工作的位置，即風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是由風(fēng)機(jī)特性曲線（風(fēng)壓特性）和管網(wǎng)特性曲線（風(fēng)阻特性）決定的，無論是改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，或者是改變管網(wǎng)特性曲線，都可以達(dá)到改變風(fēng)量的目的。圖中：風(fēng)機(jī)特性曲：線HA=kQ12、K——風(fēng)機(jī)特性系數(shù)；管網(wǎng)特性曲線  HA=Hc-λQ12、λ——管網(wǎng)特性系數(shù)。變頻工作方式是指管網(wǎng)特性曲線保持不變，而改變風(fēng)機(jī)的特性曲線。通常采取的方式是保持管網(wǎng)特性曲線不變，即不改變風(fēng)機(jī)出口的大小，而改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，即改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變風(fēng)量的目的。如下圖所示：風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，其功率為PA＝H1×Q1/102；風(fēng)機(jī)工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為PBH2×Q2/102 。Q2<Q1，而且 H2>H1，所以PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)的軸功率減小很大，節(jié)能效果顯著。由流體力學(xué)的原理可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與流量、壓力、耗能的關(guān)系如下：輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;Q1/Q2=n1/n2 （1）輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比: H1/H2=(n1/n2)2（2）輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比:P1/P2=(n1/n2)3（3）如果說，100%轉(zhuǎn)速-100%流量-100%壓力-100%輸出功率    而，80%轉(zhuǎn)速- 80%流量- 64%壓力- 51.2%輸出功率    就是說，通過調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，風(fēng)量下降20%時(shí)，風(fēng)機(jī)軸功率將下降49%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。     變頻調(diào)速在水泵應(yīng)用上和風(fēng)機(jī)有所區(qū)別。在很多場(chǎng)合，負(fù)載管路特性的改變是用戶用水量減少（即用戶人為關(guān)閥）造成的。不滿足負(fù)載特性不變的條件，所以相似定理并不成立。水泵在調(diào)速過程中還往往要求壓力恒定，這時(shí)水泵的工作點(diǎn)變化將如下圖所示：流量由Q1變?yōu)镼2時(shí)，如果水泵定速運(yùn)行，工作點(diǎn)將由A變?yōu)锽點(diǎn)，壓力將升高，威脅管網(wǎng)安全；如果通過調(diào)速方式，水泵工作點(diǎn)將由A變?yōu)镃點(diǎn)，在提供需要的流量的同時(shí)，保持壓力不變。水泵在B、C兩點(diǎn)的輸出功率差為：PB－PC＝（H3－H2）×Q2。    在A、C兩點(diǎn)，盡管水泵速度不同，但由于在兩種情況下水泵所承擔(dān)的流量不同，其出口壓力和外管網(wǎng)壓力仍然保持平衡。由于壓力平衡的需要，水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速水泵的速度不能低于N3，否則將出現(xiàn)根本不對(duì)外出水的現(xiàn)象。非但不節(jié)能，還出現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)耗能的現(xiàn)象。    如果在管網(wǎng)特性不變的系統(tǒng)中進(jìn)行水泵調(diào)速，并且對(duì)水壓沒有要求，這種情況就和前面提到的風(fēng)機(jī)調(diào)速類似，節(jié)能效益比恒壓供水要顯著得多。
四、變頻器和水阻結(jié)合既然變頻器既有節(jié)能效果又有軟啟動(dòng)功能，國家又提倡節(jié)能減排，國內(nèi)價(jià)格又趨于平穩(wěn)，為了響應(yīng)國家號(hào)召，很多新建項(xiàng)目就在考慮用變頻器，而在電網(wǎng)容量有限的地方，水阻也可以作為變頻器的備用，那么水阻和變頻器怎么結(jié)合呢？下面介紹一下，這同樣適合之前用水阻的變頻器改造。結(jié)合原理圖:硬件回路上只需要將水阻柜和變頻器并聯(lián)起來即可，這樣水阻上口和下口均用隔離刀隔離開，保證變頻器運(yùn)行時(shí)，水阻不長期帶電，保證人身安全。另外，QS42和QS44作為機(jī)械連鎖，保證不會(huì)同時(shí)合上，這樣變頻器和水阻分別運(yùn)行時(shí)都能保證對(duì)方設(shè)備的安全，同理在輸入側(cè)QS41和QS43。（此針對(duì)籠型電機(jī)，如果水阻串入轉(zhuǎn)子也就是說電機(jī)是繞線電機(jī)，怎么辦，采用變頻器改造帶水阻的設(shè)備，而電機(jī)又是繞線電機(jī)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)全頻率范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)子繞組已沒有必要外接電組。為避免電刷與集電環(huán)之間因接觸不良引起故障，將與集電環(huán)相接的三根線之間用導(dǎo)線短接，并將電刷舉起。如果需要保留原繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速需要，僅需要增加一個(gè)高壓接觸即可。在變頻狀態(tài)，接觸器吸合，將轉(zhuǎn)子將與集電環(huán)相接的三根線短接。在變頻器需要檢修或退出運(yùn)行時(shí)，接觸器斷開，電機(jī)恢復(fù)原繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式。軟件回路上如果QS42和QS44，QS41和QS43具有機(jī)械連鎖，軟件上不需要做任何修改即可實(shí)現(xiàn)變頻器改造水阻。
五、總結(jié)：從原理上講變頻器改水阻是完全可實(shí)施的方案，從水阻柜和變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)上看，變頻器改造水阻柜響應(yīng)了國家節(jié)能減排政策，進(jìn)而取代水阻柜是大勢(shì)所趨。