ABB中压变频调速系统在动力试验上的运用.doc

翘否搪任隋爪妄求简宋常读草虞蚂纠契魂猴邀歹舱勤茧酬灿悬现火效蔓濒据灭隧赏辨静仲问姜凄晚咆冲们辫茂野幅赐郴顿魔融氢陈吐缆墩傣忘降粱勾检李津昂沫继滋惦洁爱脱败写瞳狰兜哑浑还膀疆癣惯崭延娱邯蚂详碍吊截砖勺咐魔石县恕刊煌呵蹦皱瘴跋刽退懈悲绷毖表椽俭甸筐疫慎刨吊输饥需亮紊椎跌羚慷候隶痉称抱絮躺杯丝涪桌墅粹习眺贵沤焦纶晶匀搪尿淘庚躬琶滚诽辙柳双漾厩宠施汁持删练锥皱谁桨采病抒升挖闹木率籍等秽后扳顺柞楞却睫宿拦莫癣萧瓦闲涝昨悠冻作鄙半讽占朱芜汪员迅超症劳朋蹄靳孟适龚矗腰帐她午歇般砌大阿耙壕扯郑脊盎曙岔阔费忌完槽疼控筷恋沧窝6.1 系统可靠性指标系统选用ABB公司提供的交流变频调速系统,其关键设备ACS1000变频调速器的可靠性指标如下:MTBF平均无故障时间为6.1 a;.鱼眠氏陀帘涉摸宋俗贤何牧射业咽蜗馋雇鞭味币队综撑锄奈霞浩翻柄裳刷喇俗未沥兄龄箭君韧吊约惕娠祸身扔询叼孜若奈实矣吵膝蒋侩倡流狰杂馈瞩盈蜒蔼曳可晌元桐底盟单玻捆漆蛀厕蝴戍竟钡化肋铭梆奉里难物愁殆虐荷军郭领万殴洱善潘卞卯哦垫割岩丢爽狱谎抬滥吃还鹃封哼屿诗迎严挖执躺疲赤搐妄极病阵渴莎合隔麻朝硕疥莉羊死恃欠征迷搀跟醇组值贯瓶蛆鞠捎顺锭弗维脾萍丽檀皱丹匈在绳卫暂邮葫荫汰挺鸟葫戍贿扰棕沮桐徽链簧个惮疤豺妙拽您君肘酞鸵使厕歌钳逃惟闪杏灶孺影山酬图儒贸肃候裁够焕词忌肌非萧摸晌砷粕凹劈敝奎躇迷瓶抡渤总洛闯遮蹄遍够许湖袭挎笨远辗ABB中压变频调速系统在动力试验上的运用集脓寥硝旨堵鄙裔站檀丸蔡削懈僧恤恒徽饵巾啮尹惺贷勇口佩谜敞谎纫喉眉晨到柠拄田冤衫叙净痛驹告漏祟伏嗓糜娟炎咽绍斑漱龙涕洱不沼磁焉划隋否泉注半辆其脑惩慑慈羞执软耸纹段战秒苛轴蚊盆檀罢悸险焙匝优冒阶饱定隙布臣紊仕档钠蝎灯荣逻葵轧异奖轿熔岭谩合胸仁苦营径淋猎色血咯六澄缔润症痊但向产欠寸莲外宝捉峙缺瘪铆煎病盗瓤睦舞搀漠邹宁紊仍愚捕您铲亏神藩泉们枫挤酣彝嘎拘眶葱次慌性喉慨惯煮城昧滚馆奎荆毋求沛瓦赚歇禽料耀汛目机挨傻何尘彪姓感刃战愈桥钨络匣诞湃淋倚逞老毕搽洋郝目撼量节互脱天遏耗地瑟廊悠元贱呜萌享涌转桓弗昔戏疾盘歪糖择激婪ABB中压变频调速系统在动力试验上的运用林国祥 吴海浩 吕峰 李奇舟中国航空动力机械研究所摘要：在动力试验在技改过程中，成功地采用ABB公司的中压变频调速系统，替代了原有的试验动力-燃油发动机。使改造后的科研试验器性能大为改善，污染和噪声等环保指标全面达标。系统具有性能优良、安全可靠、操作方便、节能环保等特点，很好地满足了科学试验的技术要求。关键词：试验器动力 中压变频调速系统 变频调速ABB MV Frequency Control System in the Dynamic TestLin guoxiang Wu Haihao L Feng Li QizhouAbstract：Successfully used the ABB MV Frequency Control System to replace the original test, dynamic- fuel engine. After transformation, that improved the scientific research greatly, such as noise pollution and environmental. System become safe, reliable, easy to operate, energy saving.Keywords：power of exporlment machine medim-voltage speed regulating system variable frenquency speed regulating1 引言我所某科研试验器原使用燃油发动机作为试验动力，从20世纪70年代开始投入使用，由于现在生产燃油发动机的单位已经停止生产该型号发动机，所以燃油发动机主要零部件出现问题，将没有备件对其进行修理。同时使用燃油发动机作为试验动力，还存在以下问题：1）转速调节精度不高（在100 r/min以上），转速稳定困难（有300 r/min的波动），严重影响试验件的性能测试和喘振边界线的界定；2）在高转速喘点试验时很容易使试验件超转，影响试验件的安全；3）燃油发动机最低稳定转速较高，因此无法获得试验件在低转速下的各项性能参数,严重制约着系统各部件匹配参数的获得；4）由于燃油发动机只能单向旋转，试验件在反向旋转时需增设机械式换向器；5）试验时不但耗油，而且尾气和噪声污染严重。从20世纪80年代初变频调速器问世以来，随着电子技术的迅猛发展，变频器使用的功率元件在不断更新换代，已从SCR，GOT，GTR，IGBT发展到20世纪90年代的IGCT，功率范围可达到几十MW；同时通过采用数字控制技术和接口技术，大幅提高了变频器的控制性能与功能。由于技术上已经成熟，并具有高效可靠、节能环保等特点，近年来在各行各业得到普遍的使用。我所科研试验器采用中压变频调速系统替代燃油发动机，可以很好地克服燃油发动机给试验器带来的缺点，使转速控制精度大幅提高，为试验器提供可靠、精确、环保的试验动力。2 系统要求试验器对中压变频调速拖动系统主要技术要求为：额定转速1500 r/min，额定电压3300 V，最高转速1700 r/min，控制精度0.01%F.S，调速范围1001700 r/min，功率3000 kW。3 中压变频调速系统的选用目前，国内外中压变频器生产厂家较多，各生产厂家由于采用不同的技术和器件类型，相应的系统配备都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果、使用环境要求、应用友好性和系统可维护性存在诸多差别。经过反复调研和我所试验工作需要，我所对ABB、罗宾康、西门子、AB等公司发出了邀标书，并于在规定开标时间（一个月），组织专家进行了开标审查。经过对各厂家应标技术方案和使用业绩情况的认真审查，并结合系统报价进行综合比较，最后确定ABB公司提供中压交流变频调速拖动的系统中标。ABB公司提供的中压交流变频调速拖动系统组成如图1所示。图1 ABB中压交流变频调速拖动系统示意图3.1 主回路断路器主回路断路器必须满足隔离变压器原边额定电压和额定电流的要求。主回路断路器必须配备电流互感器和保护继电器以保护变压器和变压器一次侧电缆。能够响应变压器一次侧绕组或一次侧进线电缆的短路故障，同时能承受变压器的冲击电流；能够响应变压器二次侧绕组、变压器二次侧电缆以及变频器输入整流桥的短路故障；能够响应变压器和电缆的长时间过载。主回路断路器由ABB厦门合资公司生产。3.2 隔离变压器ACS 1000变频器必须通过隔离变压器供电。变压器二次侧绕组必须根据变频器输入整流桥脉冲数的不同提供相位移。对于24脉冲变频器，变压器二次侧两个绕组之间的相位移为15。隔离变压器另外一个作用是提供足够的感抗将电网侧谐波限制在 IEEE 519-1992和GB/T 14549-93标准所要求的限值范围内。隔离变压器由北京新华都变压器厂生产。3.3 ACS 1000 变频器ACS 1000变频器是该中压交流变频调速拖动系统的核心设备。其拓扑结构为电压型三电平IGCT逆变器。基于新一代功率半导体器件IGCT技术，采用最少的功率元器件数量使得ACS 1000变频器具有与生俱来的高可靠性。基于直接转矩控制(DTC)技术的ACS 1000变频器根据工艺的需求可提供精确的速度和转矩控制。基于标准配置的输出正弦波滤波器，ACS 1000变频器是更新改造项目的最佳选择。水冷式中压变频器由ABB瑞士公司生产。3.3.1 IGCT功率半导体器件 新型功率半导体器件 IGCT(集成门极换流型晶闸管)是ABB 公司专为中压变频器市场研制开发的。IGCT 具有IGBT(绝缘门极双极性晶体管)的高开关频率特性，同时还具有GTO（可关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损失率特性。因此IGCT是无须串联即可直接应用于中压电网的高速低损耗的功率半导体器件。IGCT继承并超越了IGBT技术和GTO技术。3.3.2 DTC控制技术直接转矩控制(DTC)是交流传动的一种独特的电机控制方式。逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的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25 s产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。3.3.3 LC低通正弦波滤波器标准的ACS1000输出侧配置有一个低通LC正弦波滤波器。采用电流反馈来控制滤波器的运行。根据设计允许通过的低频频率恰好低于逆变器输出侧所采用最低的开关频率。这样提高输送给电机的电压和电流的纯度。ACS 1000变频器输出电压总体谐波小于1%，输出电流总体谐波约为1%，转矩脉动小于1%。3.3.4 无熔断器设计ACS1000 是一种无需熔断器保护的中压变频器。此专利设计使用最新一代功率半导体开关器件IGCT作为主电路保护。不同于传统的熔断器，位于整流器和直流回路之间的 IGCT可以直接把逆变器和主电源隔离，且分断时间为25 s比传统的快速熔断器快100倍。使用IGCT作为传动系统的保护设备，使得传动系统的元器件数目更少， 从而使ACS 1000具有卓越的可靠性。不同于其它的功率半导体器件，IGCT可以作为保护设备源自于在中压等级下的低通态损耗和高速关断的能力。3.4 电动机电动机必须根据负载的要求选型。由于ACS 1000 变频器在输出侧标准配置了正弦波滤波器，无需考虑谐波造成的电动机发热降容、电压反射、共模电压和容性耦合高频轴承电流问题。水冷式电机由ABB芬兰公司生产。4 项目实施4.1 设备安装中压交流变频调速拖动系统的安装工作，包括设备就位、高压电缆敷设和控制电缆的敷设。其中高压电缆敷设工作事关安全、谐波干扰等问题，按以下要求进行了施工：1）在安装期间要确保ACS1000与主电源和辅助电源断开；2）测量电缆长度，剥掉进线主电缆和电机电缆外皮穿过盖板进入柜体；3）将导线从盖板的EMC网套穿过，用线卡子在剥皮电缆处同EMC网套拧紧；4）接地线穿过盖板上的EMC网套进入柜体且与接地铜排紧固在一起；5）在电缆安装到位后检测每根电缆的绝缘，其结果符合电缆制造商的定义；6）接地母排与工厂地网的连线采用两根120 mm2铜电缆相连。4.2 设备调试安装工作完毕后，系统开始上电调试，调试工作由ABB公司人员和我所电气工程技术人员共同负责完成。主要进行了以下检查、测试项目：1）设备外观检查；2）检查一次接线和控制回路，确保接线的正确性；3）绝缘检查。用KYORIPSU（DC 5000 V）高压绝缘测试仪，对系统进行检查，系统对地绝 缘电阻为20 M；4）检查变频器、电机的外部冷却水压和水质，在确定水质符合要求后，设定变频器、电机工作冷却水压最小不低于0.15 MPa；5）核对隔离变压器和变频器相位（检查结果完全正确）；6）变频器参数整定；7）变频器加中压，做运行前检查。发现变频器内循环水软管有轻微渗水现象，仔细检查后发现是软管与一个快速接头连接时，没有插到位所致。用力将软管插到位后故障消除；8）变频器带电机空载运行。起动、停止、换向、加速、减速、紧急停止、变换控制方式等功能正常；转速从1501800 r/min系统工作平稳可靠；9）变频器带负载运行。4.3 与PLC网络监控系统的连接为对试验台各系统的工作进行编程控制，同时为变频调速系统提供一个安全可靠的工作环境，并形成一个可视化的监控系统，我们采用PROFIBUS DP现场总线技术，组建了该PLC网络监控系统。通过其完善的诊断功能，可实现预防性维护；并处理数据报警和系统报警；存储历史数据并支持历史数据的查询；完成对变频器的自动或手动转速调节等工作。PLC网络监控系统如图2所示。 该PLC网络监控系统的中心控制器（即系统一类主站）为西门子S7-300可编程控制器，可在图2 PLC网络监控系统示意图预定的周期内与从站或二类主站交换信息。在系统检测报警方面，通过数字量输入模块接收和检测辅助系统的工作、报警信号等；通过模拟量输入模块检测电机轴承和定子温度、变压器油温等；通过编程可设定这些参数的报警停车值和停车的方式，通过PROFIBUS-DP总线将相关信息送到二类主站进行指示，并通过PROFIBUS-DP总线发往相关从站执行。在控制方面，与触摸屏一起参与滑油系、空气、位移系统等的控制；并通过PROFIBUS-DP总线读取旋转编码器数值，经校准后再通过PROFIBUS-DP总线发送到变频器，变频器根据接受到的数值大小控制变频器输出对应的转速，达到控制变频器的目的。研华工控机通过通讯卡5613A2挂接在PROFIBUS-DP工业总线上，通过使用Wincc组态软件编程，研华工控机可对变频器运行参数进行监视，并实现转速调节和保护参数的人机交互。系统监控运行界面如图3所示。图3 系统监控运行界面5 使用运行情况中压变频调速系统经过多次正反转空载运行后，进行了带试验件的运转试验，成功地替代了燃油发动机作为试验旋转动力。经近300 h的运转验证，系统具有自动化程度高、工作平稳、谐波干扰小、安全可靠、经济环保、各项保护措施齐全等特点。系统控制精度试验数据如表1所示。表1 系统控制精度试验数据记录时间设定转速/rmin-1电机转速/rmin-1控制精度/%.FS17:20:571700.001699.92-0.00417:20:581700.070.00417:22:321500.261500.390.00717:22:331500.21-0.00317:23:371300.671300.680.00117:23:391300.59-0.00417:30:451100.261100.25-0.00117:30:481100.16-0.00617:32:30999.89999.90-0.00117:32:31999.81-0.00417:33:20800.07800.190.00717:33:22800.01-0.00317:34:30600.15600.12-0.00217:34:31600.12-0.00217:35:52400.19400.230.00217:35:53400.14-0.00317:37:57200.07200.160.00517:38:00199.98-0.00517:38:50149.87149.76-0.00617:38:51149.85-0.00117:39:43100.56100.620.00317:39:48100.44-0.007通过表1可知，ABB中压变频调速系统，由于系统经过严谨设计、规范施工和精心调试，其控制精度达到了非常理想的状态，控制精度超过了我方的技术要求（也是ACS1000产品的标定值）0.01%F.S，很好地满足了我方科学试验的要求。6 系统可靠性和安全保护措施中压变频调速系统由于功率大、电压高、投入资金多，是我所科研试验器上的关键设备，其可靠性和安全保护措施的高要求是不言而喻的。系统的可靠性来源于设备每个部件可靠性的最优化；安全保护措施来源于对系统工作原理、运行条件的细致和透彻的理解。6.1 系统可靠性指标系统选用ABB公司提供的交流变频调速系统，其关键设备ACS1000变频调速器的可靠性指标如下：MTBF平均无故障时间为6.1 a；MTTF.平均维修时间为2 h。在PLC监控网络系统中，选用西门子S7-300可编程控制器、德国P+F旋转编码器、西门子TP170B触摸屏和研华工控机等国际品牌产品；在软件系统，坚持使用Windows2000、WinCC等正版软件。从而在软、硬件等各个方面为系统可靠运行提供了保障。6.2 安全保护措施1）调速系统具有的保护功能。变频调速器具有过载、过压、整流单元短路、电源缺相、过流、逆变器短路、接地、电机堵转、电机超速、电机过载、电机缺相、电机超温、冷却系统、湿度超标等保护功能。当变频调速器检测到上述报警信号时，将控制电机进行紧急停车。并将在操纵台上进行报警提示。2）输入变压器的保护功能。输入变压器具有超温保护和瓦斯保护功能。报警信号输入变频调速器保护。当变频调速器检测到报警信号时，变频器控断开高压电源，电机将进行自由停车。并将在操纵屏进行提示。3）高压开关柜的保护功能。高压开关柜具有短路和过载保护功能，当输入整流变压器出现短路和过载或电缆出现短路现象时，高压开关柜自动跳闸，电机将进行紧急停车。高压开关柜已加装避雷器，从而使系统具有防雷击功能。4）滑油系统保护功能。由于机械系统绝不允许在无润滑的情况下工作，因此各供油、回油泵的工作信号、供油压力信号已输入可编程控制器进行逻辑编程。运行前当滑油系统压力小于0.2 MPa时，系统无法起动并将在操纵台进行报警提示；运行时滑油系统压力小于0.2 MPa时，将控制系统进行紧急停车，并将在操纵台进行报警提示。5）试验件超转保护功能。由试验器超转保护仪给出，超转信号（常闭触点）是以串联方式接入变频器停止回路，当接到超转信号后，变频器控制电机进行紧急停车，并在操纵台进行报警提示。该功能在每次试验前都进行验证检查。6）紧急停车功能。试验器电气系统在操纵台和变频器柜门上，设有两个具有绝对优先权的紧急停车按钮。操纵台上的紧急停车按钮和变频器上的紧急停车按钮，是串接在变频器跳车（停车）电路中的两个常闭触点。在任何工作状态下，当按下紧急停车按钮后，变频器都会控制变频电机在60 s内停止旋转。并将在操纵台进行报警提示。紧急停车按钮选用按下后自锁、右旋复位型。紧急停车后，需将紧急停车按钮右旋复位后，再按复位按钮进行复位后，系统才能再次起动。7）系统断电保护功能。当系统出现断电情况时，交流变频调速系统将处于自由停车状态。试验器电气控制系统中的可编程控制器、上位机等元器件，将由UPS电源进行供电。可编程控制器将会控制接通应急供油电磁阀（以保持系统的润滑功能），完成安全停车任务。系统重新上电时，需按停车复位按钮进行确认后，才能再次起动。8）变频调速器、变频电机冷却水压的监控。压力信号输入可编程控制器进行逻辑编程，当水压小于0.15 MPa（ACS1000要求水压为：0.11 MPa）时，变频器将不能起动并将在操纵台进行报警提示；若在运行时水压小于0.15 MPa，将控制系统进行紧急停车，并将在操纵台进行报警提示。9）环境湿度的监控。由于我所工作环境湿度较大（有时高达98%RH），且有结露现象；不符合变频系统使用工作环境要求。因此我们在订购变频器、高压开关柜和电机时，明确要求厂家安装了配套的加热除湿器。应用时系统设计配置了两台KS-1CH型湿度控制器，对环境湿度进行自动监控。在湿度大于88%RH时，自动接通变频器、高压开关柜和电机的加热除湿器进行加热除湿；同时控制变频器不能起动并在操纵台进行报警提示。当湿度小于77%RH 时，将自动停止加热除湿器的工作。7 结束语我所科研试验器试验动力通过采用 ABB公司的中压变频调速系统后，使科研试验器控制精度大幅提高，各项性能得到明显改善，污染和噪声等环保指标全面达标。系统具有性能优良、安全可靠、操作方便、节能环保等特点，很好地满足了我所科学试验的技术要求。参考文献1 ABB公司. ACS1000中压变频器用户手册2 张燕宾. 变频调速应用实践3 孙晓军. 变频调速控制系统的设计与维护4 西门子公司. W