水电站起重设备变频调速系统的设计选型

0 引言

变频调速技术从上世纪90 年代中期开始应用在我厂设计生产的机电产品中。我厂的机电产品主要是电站起重设备，起重设备在电气传动中属于一种比较特殊的负载类型，从传动角度来说它强调的是动态性能，从控制角度来说更重视系统对安全性和可靠性的保障能力。因此，变频调速系统的设计应注意以下几个方面。

1 变频器控制方式的选择

控制方式是决定变频器使用性能的关键所在，所以，必须首先确定负载特性，要弄清变频器控制的对象是什么。其实只要按负载特性设计系统满足使用要求、调速方便、运行可靠就可以了，这样才能做到量才使用、经济实惠，降低设计成本，并非档次越高越好。

1.1 提升机构

提升机构的负载特性是位能性负载，也是恒转矩负载。它对起动性能的要求是低速大转矩，甚至有时需要达到零速满转矩，力矩响应要快。这就要求变频器能够产生比负载转矩更大的转矩，超出的这部分转矩用于加速。位能性负载还要求在全速度范围内力矩衰减要尽可能小，能经常地快速制动。下降时调速系统处于再生制动状态，将再生的电能回馈到电网上或消耗在电阻上，同时要有足够高的频率分辨率。所以，选择具有高起动性能、力矩响应快、低速力矩特性好，是起重设备对变频器的主要要求。

ABB 公司的ACS800 系列是ACS600 系列的第二代采用DTC技术设计的变频器，DTC控制技术也就是直接转矩控制，它是目前最先进的控制交流异步电机的方式。直接转矩控制以测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每隔25μs产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，给出其最佳开关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，实时调整逆变电路的通断状态，进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。它能够在开环方式下对转速和转矩进行准确控制，在零速附近区域达到1.5 倍额定力矩。如果再配上提升机专用软件，就使得提升机构有了最佳的运行安全性和杰出的提升性能。

Siemens 公司的6SE70系列变频器，采用的控制方式是磁场定向闭环控制，也就是矢量控制，它适用于高动态性能传动的频率控制和转速控制等。矢量控制可以达到同直流传动系统相媲美的动态性能，它能准确地推断和调节转矩电流分量和磁通分量，其调节频率可达2.5 kHz，所以预先给定的转矩可以准确地维持和限定，当调速范围<1∶10 时可以不用测速编码器，它的过载电流为额定电流的1.36 倍。6SE70系列变频器的另一个最大特点是具有丰富的软件功能，其软件提供了最大的可操作性和灵活性。上述两种变频器在相同容量下，ABB 的ACS800系列的价格要高于Siemens公司的6SE70系列。

1.2 行走机构

行走机构的特点是电机正反向运行，始终处于电动状态，无发电运行工况，机构起制动时间较长，所以变频器选用无特殊限制，可用性比较宽。Siemens公司的6SE440 系列通用型变频器是性价比较高的一种选择。

2 变频器容量的选择

负载特性一旦确定变频器容量可以用三个参数来表述，即变频器的功率、额定电流和最大电流。在这三个电气参数中，额定电流是一个反映变频装置负载能力的关键量，因此应保证在无故障状态下负载总电流不允许超过变频器的额定电流，同时还应使电机的起动电流小于变频器的最大电流，也就是说变频器的过载能力一定要包络电机过载能力。这是选择变频器的基本原则，下面举例说明。

查变频器选型手册，变频器过载能力ABB 为1.5，Siemens为1.36;

Imax为变频器最大输出电流，此值在电机轴功率为额定功率的150%时可以连续工作10 s。

依据以上三条选用ABB公司的ACS800 系列变频器，订货号为ACS800-01-0050-3，变频对应参数如下所列：

额定功率Pe=30 kW;

视在功率Smax= 39.49 kV·A;

额定电流Ihd=60 A;

最大电流Imax=112 A。

显而易见，均满足变频运行电机YP2200L2-6的要求。

需要注意的是现在变频调速系统中选用的电机大多为变频电机，变频电机的基准工作制为S1 (连续定额)，但是它也可运行在S3 (反复短时)工作方式下。当电机运行在S3工作方式时，电机的出力须增加15%。水电站上用于启闭闸门的起重设备多为S3工作方式，计算选择提升电机容量时，应满足S3工作方式下传动机构的需要。因此，在选择变频器时一定要知道机构运行在哪一种工作制下，否则会造成变频器选小的可能。

3 快速熔断器的选择

变频器必须使用快速熔断器作为短路保护。由于变频器内半导体和晶闸管的热容量低，承受过载能力差，所以在发生过载或短路时希望快速断电。快速熔断器在1.1 倍额定载荷电流时工作4～5 h都不会熔断，但在4～6倍额定电流时仅0.02～0.03 s即迅速熔断。国产RS3型熔断器常用于大容量晶闸管器件的的短路保护，它分断能力强，限流特性好，功率损耗低，能可靠保护半导体器件及其成套装置。

熔体额定电流按IR≥ 1.5Ih来选择，Ihd为变频器连续额定电流，1.5 为变频器容许的过载电流倍数(ABB)，不同厂商的变频器过载电流倍数是不同的。

4 制动电阻器选择

位能性负载在下降过程中，电机处于发电运行状态并产生制动作用，此刻变频器吸收电动机的动能，再生能量将存储在变频器的中间直流电路的储能电容中，导致变频器的直流母线电压上升。当制动功率超过变频器的功率损耗时，中间电路的电压上升会使变频器保护跳闸。因此在中间电路放置一个负载以吸收制动功率，负载由一个制动模块和一个外部电阻器构成，制动模块也就是常说的制动斩波器。有了这个制动单元后，当变频器的中间回路电压超过设定的极限值时，制动单元就开始起作用。有的变频器厂商已经把制动斩波器集成在变频器的内部，有的作为变频器的可选件，在位能性负载中制动斩波器是必须选配的。制动电阻器应依据负载特性计算所得，一般按以下方法进行选择。[!--empirenews.page--]

方法一的计算值要略小于方法二的计算值，也可以用两种方法分别计算，选电阻器时将制动功率向上靠，电阻值向下靠，这样可以保证有更大的电流泄放空间。在水电站一些高扬程起重机上这一点很重要，因为电阻器在不同工作制和暂载率下的电流值是不相同的，如果电阻器选择不恰当，仍然会造成直流过压故障。

5 注意事项

1)变频器的工作环境变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而设计的，一般海拔在1 000 m以下、温度在40℃以下不需要降容。若使用环境超出该规定，在选择变频器时要考虑由此造成的降容因素。

2)变频器主电路的连线变频器的输入线R、S、T，输出线U、V、W 和接地线绝对不能错接，否则会造成严重后果。水电站起重设备上的变频器与电机之间距离比较长，在选择电缆时除了考虑载流量以外还应考虑电压降，一般要求△U≤(2～3)%U。从变频器到电机之间的动力电缆最好选用屏蔽电缆，这样可降低电磁辐射和容性漏电流。当电缆长度超过变频器所允许的输出电缆长度时，电缆的杂散电容将影响变频器的正常工作，此时就要配置输出电抗器。

3)变频器的接地正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段。变频器应分别和大地相连，不允许一台变频器的接地端和另一台变频器的接地端相联接后再接地，也不允许与动力设备接地点共地。接地线应短而粗，接地电阻值越小越好。

4)防止电磁波干扰变频器在工作中由于整流和变频产生高次谐波，会引起电网电压波形的畸变，对周围的仪表、仪器有一定的干扰，变频器容量越大，这种影响越严重。因此，一些仪表、电子系统，PLC等应尽量避免与变频器同装在一个柜体内，控制电路应用变压器进行隔离，电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽电缆，屏蔽层应可靠接地。

5)变频器的防雷变频器中一般都设有雷电吸收网络，主要防止瞬间的雷电侵入，使变频器损坏。

但在实际工作中，单靠变频器的吸收网络是不能满足要求的，在雷电活跃地区这一问题尤为重要。水电站的起重设备大多是移动设备，电源是通过电缆引入的，应做好线路上的防雷防浪涌保护，在电源进线端加装一只三相电涌保护器基本上能够解决雷击问题。

6 结语

变频调速系统的设计，应以负载的机械特性为主要设计参数，保证系统的动静态指标良好，合理选择变频器，并解决变频调速系统设计中的实际问题，才能使所设计的变频调速系统具有高的静动态指标和良好的性能价格比。