在工業自動化教學中對水阻柜電機的變頻改法

一、摘要：由于水泥行業一般地處偏遠，電網容量有限，所以很多大型設備的啟動都采用軟啟動，西南，西北地區尤其普遍。基于成本考慮，大部分企業都選用水阻啟動。隨著近幾年國家節能降耗政策的落實，以及國內工業自動化設備中變頻器技術的日趨成熟和價格優勢，很多水泥行業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速或水阻啟動的高壓電機（風機，水泵）的變頻器改造。
1.1原理：水阻起動柜是近年來運用比較廣泛的電機起動設備。水阻，也就是液體電阻（在水中添加電解粉構成水電阻），顧名思義就是在電機定子回路（籠型電機）或轉子回路（對繞線電機）中串入液態電阻，電機在起動過程中液態電阻阻值在預定的時間內自動無級減小，直至阻值接近為零，將液阻自動切除，電機投入正常運行，每小時最多可以啟動2-3次。
1.2組成：液體電阻起動柜主要由以下幾個部分組成：水箱、極板（分動極板及靜極板）、傳動機構、限位機構（行程開關）及相關電器元件，如繼電器（或PLC）、時間繼電器、接觸器、按鈕、指示燈等狀置構成，主要適用于400V、3kV、6kV、10kV各個電壓等級，功率范圍從500kW-30000kW。
1.3運行過程：運行過程如下：電機開關柜合閘的同時，水阻柜接收到真空斷路器運行信號，動極板自上而下開始運行，在設定的時間內電阻值逐漸下降，當電阻接近于零時，安裝在水阻柜內的真空接觸器吸合，電機啟動完成，經過延時幾秒后，動極板自動復位至原始狀態，等待次啟動。如水阻柜在預定的時間內起動沒有完成就會發出一個故障報警信號，自動切斷開關柜，確保電機不開路。1.4運行原理：對于籠型電機而言，液體電阻起動柜有兩種方案，對于星型接法的電機，如星點能夠打開，原理與繞線電機水阻柜的原理基本相同（水阻相當于串在轉子上，當啟動完畢后，再用水阻自帶的斷路器或者真空接觸器把電機星點短接），對于角型接法或星點不能打開的籠型電機，水阻柜只能串接在定子回路中，電機啟動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安全事故。目前，不少水阻柜生產廠家在設計及生產時為降低成本，水阻柜只采用一臺真空斷路器，電機啟動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，必定引發安全事故。
1.5水阻缺點：水阻的效率低，只能做軟啟動。如果作為調速，必須將水阻柜箱體（液體電阻部分）長期帶電，一旦出現箱體漏液或者液體電阻減少或者干枯，必出現生產事故或者安全事故。并且由于箱體液體電阻長期帶電，發熱嚴重，要有外圍散熱設備才能維持運行。所以相對人力維護成本也會增加。 
二、變頻器：2.1變頻器結構原理：HARSVERT-A系列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術有限公司生產，具有自主知識產權，適合國內電網特性，符合國內用戶使用習慣的調速系統。該系統為電壓源型高壓變頻器，具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、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。HARSVERT-A系列高壓變頻器采用單元串聯多電平PWM拓撲結構（簡稱CSML）。由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；精確的故障報警保護；具有電力電子保護和工業電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠。電網電壓（10kV）經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電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機。10kV輸出電壓每相有8個額定電壓為700V的功率單元串聯而成，輸出相電壓5600V，線電壓達到10kV左右，每個功率單元承受全部的電機電流，但只提供1/8的相電壓和1/24的輸出功率。每個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，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。對10kV輸出電壓，給24個功率單元供電的24個二次繞組每3個一組，分為8個不同的相位組，互差60/8度電度角，形成48脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，輸入功率因數可以達到0.96以上。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺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頻率，以降低開關損耗，且輸出電平數增加。電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音、轉矩脈動等都大大降低，可以直接用于普通異步電機，不會產生輸出電纜較長時行波反射引起的浪涌電壓增加而造成電機絕緣破壞問題。
2.2變頻器優點及缺點(1)優點：功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內所有功率單元結構上完全一致，可以互換。減少備品備件備庫。輸入干式變壓器免維護，可靠性高。變壓器的防護與變頻器共同防護為IP21防護外殼，可防止直徑大于12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動物進入，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%)，輸入功率因數高(>0.95)，電流諧波少(<4%)，無須功率因數補償/諧波抑制裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；減少配件的損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產效率。    高的調速精度和精確的輸出頻率分辨率(0.01HZ)，輸出頻率0.5Hz—120Hz連續可調，完全可以滿足電力機組生產工藝工況的要求；電機可實現軟啟動、軟制動，轉速自動控制；啟動電流小于電機的額定電流；電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響。變頻器預裝具有自主版權的全中文操作和監控軟件，本機及遠程啟停操作、功能設定、參數設定、故障查詢、運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，可實現完整的通用變頻器參數設定功能，可打印輸出運行報表；調整觸摸式面板，可隨時顯示電壓及電流波形、頻率和電機轉速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態；具有很強的診斷、指示能力：可檢測變頻器各部分的運行狀態，完整的故障監測電路、精確的故障定位，所有的功率模塊均為智能化設計，當有故障發生時，將故障信息返回到主控單元中，主控單元會及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路，同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別，使故障點一目了然，適應于一般操作工人和維護人員的技能水平。變頻器直接內置有PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；與機組的DCS系統實現真正的無縫接口。同時也可以根據用戶要求提供MODBUS,PROFIBUS,TCP/IP協議通訊。采用外部模擬信號控制變頻器輸出頻率時(變頻器作為DCS的執行機構)，如果發生模擬信號掉線或短路時，變頻器可以提供報警信號，同時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。當兩路都交流電都斷開，UPS也可以繼續維持運行接近30分鐘。可以繼續運行，同時提供報警。(2)缺點：一次性投入過高。
三、水阻和變頻器的結合3.1變頻器節能原理：風機和水泵，前者工作介質為液體，均屬于流體機械設備。以下就以風機為例說明他們的調速工作原理。由上圖可以看出，風機工作的位置，即風機的風量是由風機特性曲線（風壓特性）和管網特性曲線（風阻特性）決定的，無論是改變風機的特性曲線，或者是改變管網特性曲線，都可以達到改變風量的目的。圖中：風機特性曲：線HA=kQ12、K——風機特性系數；管網特性曲線  HA=Hc-λQ12、λ——管網特性系數。變頻工作方式是指管網特性曲線保持不變，而改變風機的特性曲線。通常采取的方式是保持管網特性曲線不變，即不改變風機出口的大小，而改變風機的特性曲線，即改變風機的轉速，達到改變風量的目的。如下圖所示：風機工作在A點時，其功率為PA＝H1×Q1/102；風機工作在B點時，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，改變風機的風量，風機的軸功率減小很大，節能效果顯著。由流體力學的原理可知，電機轉速與流量、壓力、耗能的關系如下：輸出流量Q與轉速n成正比;Q1/Q2=n1/n2 （1）輸出壓力H與轉速n2正比: H1/H2=(n1/n2)2（2）輸出軸功率P與轉速n3正比:P1/P2=(n1/n2)3（3）如果說，100%轉速-100%流量-100%壓力-100%輸出功率    而，80%轉速- 80%流量- 64%壓力- 51.2%輸出功率    就是說，通過調速方式改變風機風量，風量下降20%時，風機軸功率將下降49%。這也是為什么變頻調速在風機應用上節能十分顯著的原因。     變頻調速在水泵應用上和風機有所區別。在很多場合，負載管路特性的改變是用戶用水量減少（即用戶人為關閥）造成的。不滿足負載特性不變的條件，所以相似定理并不成立。水泵在調速過程中還往往要求壓力恒定，這時水泵的工作點變化將如下圖所示：流量由Q1變為Q2時，如果水泵定速運行，工作點將由A變為B點，壓力將升高，威脅管網安全；如果通過調速方式，水泵工作點將由A變為C點，在提供需要的流量的同時，保持壓力不變。水泵在B、C兩點的輸出功率差為：PB－PC＝（H3－H2）×Q2。    在A、C兩點，盡管水泵速度不同，但由于在兩種情況下水泵所承擔的流量不同，其出口壓力和外管網壓力仍然保持平衡。由于壓力平衡的需要，水泵并聯運行時，調速水泵的速度不能低于N3，否則將出現根本不對外出水的現象。非但不節能，還出現水泵空轉耗能的現象。    如果在管網特性不變的系統中進行水泵調速，并且對水壓沒有要求，這種情況就和前面提到的風機調速類似，節能效益比恒壓供水要顯著得多。
四、變頻器和水阻結合既然變頻器既有節能效果又有軟啟動功能，國家又提倡節能減排，國內價格又趨于平穩，為了響應國家號召，很多新建項目就在考慮用變頻器，而在電網容量有限的地方，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。結合原理圖:硬件回路上只需要將水阻柜和變頻器并聯起來即可，這樣水阻上口和下口均用隔離刀隔離開，保證變頻器運行時，水阻不長期帶電，保證人身安全。另外，QS42和QS44作為機械連鎖，保證不會同時合上，這樣變頻器和水阻分別運行時都能保證對方設備的安全，同理在輸入側QS41和QS43。（此針對籠型電機，如果水阻串入轉子也就是說電機是繞線電機，怎么辦，采用變頻器改造帶水阻的設備，而電機又是繞線電機系統，為了實現全頻率范圍內的恒轉矩控制。轉子繞組已沒有必要外接電組。為避免電刷與集電環之間因接觸不良引起故障，將與集電環相接的三根線之間用導線短接，并將電刷舉起。如果需要保留原繞線式異步電動機轉子串電阻的調速需要，僅需要增加一個高壓接觸即可。在變頻狀態，接觸器吸合，將轉子將與集電環相接的三根線短接。在變頻器需要檢修或退出運行時，接觸器斷開，電機恢復原繞線式異步電動機轉子串電阻的調速方式。軟件回路上如果QS42和QS44，QS41和QS43具有機械連鎖，軟件上不需要做任何修改即可實現變頻器改造水阻。
五、總結：從原理上講變頻器改水阻是完全可實施的方案，從水阻柜和變頻器的優缺點上看，變頻器改造水阻柜響應了國家節能減排政策，進而取代水阻柜是大勢所趨。