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變頻調(diào)速系統(tǒng)在水電站起重設(shè)備的運用
時間:2017-03-06 11:36 來源:未知 作者:admin
文章摘要：水電站橋機或門機傳動負荷分為摩擦類負荷和位能式負荷，摩擦類有：大、小車行走機構(gòu)，其中大車行走由多臺電機驅(qū)動；位能式有主、副起升機構(gòu)，其中主起升機構(gòu)可能有多臺電機驅(qū)動。速度一般分為3檔或5檔，在司機室用凸輪控制手柄來控制各套機構(gòu)多檔速運行。
水電站橋機或門機傳動負荷分為摩擦類負荷和位能式負荷，摩擦類有：大、小車行走機構(gòu)，其中大車行走由多臺電機驅(qū)動；位能式有主、副起升機構(gòu)，其中主起升機構(gòu)可能有多臺電機驅(qū)動。速度一般分為3檔或5檔，在司機室用凸輪控制手柄來控制各套機構(gòu)多檔速運行。
目前人們所說的變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要指利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能來控制交流電動機的轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)越直流傳動的特點，在很多場合都作為首選的傳動方案。在水電站主要運用在主廠房橋機、壩頂門機和尾水門機重要的起重設(shè)備上，通常這些設(shè)備起重量大（最大可大1000多噸），起重性能要求調(diào)速范圍大，可靠性高。在這一領(lǐng)域已經(jīng)取代直流傳動和轉(zhuǎn)子串電阻交流調(diào)速系統(tǒng)，得到了廣泛運用。本文僅就個人體會談一談水電站起重設(shè)備中變頻器電路設(shè)計、安裝、參數(shù)調(diào)整、常見故障及對策，希望與同行共勉。
變頻器的選擇分為品牌的選擇和型號的選擇，由于橋機或門機在電站的重要性要求變頻器具有很高的可靠性，通常選用國外知名品牌如西門子、ABB、日本安川、施奈德等產(chǎn)品。我個人認為西門子系列功能齊全，參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，難學(xué)不易掌握，適合大型系統(tǒng)復(fù)雜的門機、橋機設(shè)備和經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員；ABB和安川的產(chǎn)品功能較齊全，參數(shù)設(shè)置簡單，通俗易懂，當然對不同品牌的產(chǎn)品個人喜好不同，因人而宜。
對于行走機構(gòu)變頻器起動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的150%左右，制動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的100%左右，所以變頻器應(yīng)選擇具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，而且起動和制動轉(zhuǎn)矩都比較大，過載時間和過載能力大的變頻器，功率可選擇與電動機功率同一檔型號，帶多臺電機行走機構(gòu)的變頻器可選擇比電動機總功率大一檔型號，一般應(yīng)配置制動單元，其型號可采用推薦值。
對于起升機構(gòu)變頻器一般要求大的起動轉(zhuǎn)矩和能量回饋功能，能夠快速實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，變頻器應(yīng)選擇具有四象限運行能力的變頻器，功率一般選擇比驅(qū)動電機功率大一檔的型號，制動單元為必配，其型號一般比推薦值大一型號。
變頻器控制方式有u/f、無傳感器的磁通矢量（開環(huán)）控制、帶傳感器的磁通矢量控制（閉環(huán)）等方式。對于行走機構(gòu)一般采用u/f控制，特別是對于變頻器帶多臺電機的行走機構(gòu)只能采用u/f控制；對于起升機構(gòu)可采用開環(huán)、閉環(huán)控制兩種方式，閉環(huán)控制調(diào)速性能更穩(wěn)定，更安全，且僅僅增加了傳感器，成本增加不多，所以得到廣泛運用。
在大功率變頻器輸入端考慮到高次諧波對電網(wǎng)的污染，增加電抗器；輸出端考慮到下降時電機處于發(fā)電機狀況，回饋電能產(chǎn)生的高次諧波對其他設(shè)備的干擾，一般應(yīng)裝設(shè)輸出電抗器。功率較小的變頻器可以不考慮。
變頻器與電機間動力電纜應(yīng)選擇屏蔽電纜，屏蔽電纜可降低高次諧波對其他設(shè)備（如荷載、高度、速度傳感器，PLC通信線）的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。變頻器與電機間距離應(yīng)盡量短，降低高頻載波電流損失，保證電機正常運行。
調(diào)速系統(tǒng)的控制電源應(yīng)選用變壓器隔離，避免高次諧波直接耦合到控制回路，干擾控制信號。
變頻器的安裝應(yīng)注意散熱，盤柜內(nèi)的應(yīng)裝散熱風(fēng)扇，對于裝在受暴曬的門機大梁內(nèi)的應(yīng)裝設(shè)空調(diào)。
電纜敷設(shè)時動力線和控制、信號線應(yīng)注意盡量分開，減小干擾。在盤柜內(nèi)應(yīng)一側(cè)走動力線，另一側(cè)走控制信號線；柜外應(yīng)分槽敷設(shè)，在滑線架上應(yīng)該分層布置。
屏蔽線的安裝：屏蔽層應(yīng)盡量靠近電纜終端接地，增加保護長度；同時接地時應(yīng)使用卡子把屏蔽層和電纜一起壓緊，避免把屏蔽層擰成一股，這樣可減小高頻阻抗，增強高頻電流回流能力，降低高次諧波的干擾。屏蔽線應(yīng)兩端接地（兩端地電位應(yīng)確保相等）。
門、橋機變頻調(diào)速系統(tǒng)接地：應(yīng)保證大車、小車和地電位相等，保證屏蔽線兩端電位相等，避免屏蔽層當?shù)鼐�而燒毀屏蔽線。在水電站門機、橋機軌道接地良好，通常用帶彈簧壓力的接地觸頭壓在軌道上，沒有觸頭的一般應(yīng)增設(shè)專用較大截面的地線。軌面上的油漆等應(yīng)刮干凈，確保接觸良好。變頻器、盤柜、電機等應(yīng)焊專用鍍鋅地樁。
常用變頻器，一般出廠時，廠家對每一個參數(shù)都有一個默認值，這些參數(shù)叫工廠值。在這些參數(shù)值的情況下，用戶能以面板操作方式正常運行的，但以面板操作并不滿足門機、橋機傳動系統(tǒng)的要求。所以，用戶在正確使用變頻器之前，要對變頻器參數(shù)時從以下幾個方面進行：
（1）確認電機參數(shù)，變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機銘牌中直接得到。
（2）變頻器采取的控制方式如u/f、無傳感器的磁通矢量控制、帶傳感器的磁通矢量控制等方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進行靜態(tài)或動態(tài)辨識。動態(tài)辨識時應(yīng)注意，打開與減速箱的連軸器，使電機空載辨識，避免變頻器自學(xué)習(xí)時因電機參數(shù)不準確而造成控制精度降低或誤動等故障。
（3）設(shè)定變頻器的啟動方式，一般變頻器在出廠時設(shè)定從面板啟動，用戶可以根據(jù)實際情況選擇啟動方式，可以用面板、外部端子、通訊方式等幾種。
（4）給定信號的選擇，一般變頻器的頻率給定也可以有多種方式，面板給定、外部給定、外部電壓或電流給定、通訊方式給定，當然對于變頻器的頻率給定也可以是這幾種方式的一種或幾種方式之和。正確設(shè)置以上參數(shù)之后，變頻器基本上能正常工作，如要獲得更好的控制效果則只能根據(jù)實際情況修改相關(guān)參數(shù)。
一旦發(fā)生了參數(shù)設(shè)置類故障后，變頻器都不能正常運行，一般可根據(jù)說明書進行修改參數(shù)。如果以上不行，最好是能夠把所有參數(shù)恢復(fù)出廠值，然后按上述步驟重新設(shè)置。案例：三峽450噸門機40噸回轉(zhuǎn)由于動態(tài)辨識中未拆連軸器，電機參數(shù)辨識不準確導(dǎo)致試運轉(zhuǎn)中電機轉(zhuǎn)矩失控故障。
變頻器的過電壓集中表現(xiàn)在直流母線的支流電壓上。正常情況下，變頻器直流電為三相全波整流后的平均值。若以380V線電壓計算，則平均直流電壓Ud= 1.35 U線=513V.在過電壓發(fā)生時，直流母線的儲能電容將被充電，當電壓上至760V左右時，變頻器過電壓保護動作。因此，變頻器來說，都有一個正常的工作電壓范圍，當電壓超過這個范圍時很可能損壞變頻器，常見的過電壓有兩類：a、輸入交流電源過壓，這種情況是指輸入電壓超過正常范圍，在水電站施工階段發(fā)生較多。 b、發(fā)電類過電壓，這種情況出現(xiàn)的概率較高，主要是電機的實際轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速還高，使電動機處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器又沒有安裝制動單元。
過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加減速時間太短、輸出短路等原因引起的。這時一般可通過延長加減速時間、對線路進行檢查。如果斷開負載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路已環(huán)，需要更換變頻器。
過載故障包括變頻過載和電機器過載。其可能是加速時間太短，直流制動量過大、電網(wǎng)電壓太低、負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網(wǎng)電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載，也可能是由于機械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器；如后者則要對生產(chǎn)機械進行檢修。
線路設(shè)計問題，案例四川獅子坪電站125噸橋機，額定電壓為220V的凸輪控制器用在24V的變頻器控制系統(tǒng)，造成控制線路接觸不良，橋機有時動作，有時不動作的故障。解決辦法是加裝中間繼電器。
高次諧波干擾問題，由于接地不良、未使用屏蔽電纜、動力控制未分開、設(shè)備抗干擾能力弱等原因，都可能導(dǎo)致設(shè)備不能正常運行。逐條檢查，若是設(shè)備抗干擾能力差，則應(yīng)更換設(shè)備或降低設(shè)備輸出精度。案例：三峽450噸門機主起升（兩臺變頻器，兩臺電機拖動）其中一臺速度傳感器受到干擾，經(jīng)檢查安裝質(zhì)量良好，為找到干擾原因，確認是設(shè)備抗干擾能力問題，調(diào)試時把兩臺傳感器精度稍微降低后，運行回復(fù)了正常。
由于變頻調(diào)速系統(tǒng)在低速區(qū)運行時，諧波對電機的轉(zhuǎn)矩影響較大，電機轉(zhuǎn)矩相對較小，因此特別是低速一擋可能帶不動額定載荷，此時應(yīng)該迅速提高檔位。案例：三峽450噸壩頂門機在大車（兩臺變頻器，8臺電機）首次行走時（摩擦力較大），檔位在一擋（5HZ）、二檔（10HZ）不能動作，檢查電氣、機械無故障后，把檔位迅速升值5檔，前后多次運動后，橋機才正常運行。
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