（电气工程专业论文）变频恒压供水系统中的旁路设计.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r - s u p p l y i n gs y s t e mb a s e d o nv a n a b l e f f e q u e n c ys p e e dc o n t r o lt h e o r yi sw i d e l yu s e di nt h ew a t e r - s u p p l y i n gp l a n t so f t h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , i no r d e rt ok e e pa l li n s t r u m e n ts u p p l y i n gw a t e rs t a b l y h o w e v e r , t h ep r e s s u r eo fp i p en e t si nt h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r - s u p p l y i n g s y s t e mi sl i k e l yt of l u c t u a t eb e c a u s eo fm a n yr e a s o n s ，s u c ha s t h ev o l t a g e f l u c t u a t i o no f t h eo u t e rp o w e rs y s t e m ，t h ef a u l ti nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， t h et r o u b l eo ft h ew a t e r - s u p p l y i n gm o t o r s a n ds oo n t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt o d e a lw i t ht h ef l u c t u a t i o ni sm o s t l yd e p e n d e n to i lo p e r a t o r s q u i c ka n dc a l m r e s p o n s e a n dt h e i rr e s o l u t ea b i l i t yt od e a lw i t hu r g e n tc a s e so nt h es c e n e0 n c e t h ec a s ei sd e a l tw i t hi m p r o p e r l y , t h e r ew i l lb es h u t d o w no ft h ek e yd e v i c e si n t h ed e p a r t m e n t so ft h e r m o e l e c t r i c i t y , o i lr e f i n e r y , c h e m i c a li n d u s t r y , p o l y e s t e r , a n ds oo n ，w h i c hm a yo a u s es u c has e v c l - ea c c i d e n ta sap a r a l y s i so ft h e p e t r o c h e m i c a ls y s t e m t od e a lw i t ht h i sc a s e ，b a s e do np r o d u c i n gp r a c t i c e ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sa b y p a s ss y s t e m t oi m p r o v et h eo p e r a t i n gs t a t u so ft h ec o n s t a n tp r e s s u r e w a t e r - s u p p l y i n gs y s t e mt h a tw o r k si nt h ew a yo fv a r i a b l ef r e q u e n c ya n d c o n s t a n ts p e e di tc o n s i s t so ft h ec o m p u t e r i z e dc o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o n d e v i c e so f t h em o t o r s , t h ec o m p u t e r i z e dn o n - e l e c t r o n i c - s i s n a l - c o l l e c t i n gd e v i c e s ， t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s d u c e r , t h ei n d u s t r y - c o n t r o l l i n gc o m p u t e r , a n do t h e r r e l a t i v eh a r d w a r ed e v i c e s t h es y s t e mc a np e r f o r mar e a l t i m em o n i t o ro nt h e w a t e r - s u p p l y i n gs y s t e mw i t ht h ep r e s s u r ei n f o r m a t i o n , w h i c hi sc o l l e c t e db yt h e i n t e l l i g e n tt r a n s d u c e ra n dt r a n s m i t t e dt ot h ei n d u s t r y - c o n t r o l l i n gc o m p u t e rb y t h ea n a l o g - v a l u e - c o l l e c t i n gd e v i c e , a n dt h eh i 畦一p r e s s u r e - s w i t c hi n f o r m a t i o n ， w h i c hi sc o u e c t o db yt h ec o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o nd e v i c e sw h e nt h e r ea p p e a r s ap r e s s u r ef l u c t u a t i o n ，t h ei n d u s t r y - c o n t r o l l i n gc o m p u t e rc r r ls t a r tt h em o s t p r o p e rr e s e r v em o t o r , t or e d u c et h ef l u c t u a t i n gt i m eo f t h ep r e s s u r eo f t h es v s t e m t oam i n i m a ls i z e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s , t h eb y p a s ss y s t e mh a s t h em e t i t so f 即l e e d r e l i a b i l i t y , s e l e c t i v i t ya n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sa ni d e a l m e t h o dt ok e e pt h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r - s u p p l y i n gs y s t e mw o r k i n gs t a b l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo nv a r i a b l ef i - e q u e n c ys p e e d c o n t r o la n db y p a s ss y s t e m , i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fv a i l a b l ef r e q u e n c y s p e e dc o n t r 0 1 t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo ft h eu n i tb y p a s sa n di n d u s t f i a l f r e q u e n c yb y p a s s i td e s i g n st h eh a r d w a r es y s t e mt h a tc a np e r f o r mar e a l t i m e m o n i t o ro nt h ep r e s s u r eo f t h ep i p en e t sa n dt h es w i t c hi n f o r m a t i o n a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o nt h eb y p a s ss y s t e mh a st op e r f o r m ，i td r a w st h ef l o w i n gc h a r t so f t h em a i np r o g r m na n dt h es o np r o g r a m sf o rt h es t a r to ft h er e s e r v em o t o r s b a s e do nt h ef l o w i n gc h a r t s , ac l a n g u a g ep r o g r a mi sd e s i g n e da n dp r a c t i c e st h e b y p a s sf u n c t i o no nt h ei n d u s t r y - c o n t r o l l i n gc o m p u t e rw h e nt h ep r e s s u r eo ft h e p i p en e t sf l u c t u a t e s k e yw o r d s ：t h eb y p a s ss y s t e md e v i c e , v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l ，c o n s t a n t p r e s s u r ew a t e r - s u p p l y i n gs y s t e m , t h ep r e s s u r eo f t h ep i p en e t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赫签字嘲m 年7 月棚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘生有关保留、使用学位论文的 规定。特授权盘奎盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名； 签字日期：- z 加r 年7 月d 日 导师签名：另 签字日期：7 1 喇净7 月。日 第一章概述 第一章概述 中国石油化工股份有限公司天津分公司是国家特大型联合企业。石油化 工行业最显著的特点是高温高压、易燃易爆，是高危险的作业场所。因此安 全生产是石油化工企业永恒的主题。 作为企业内部公用工程厂之一的供排水厂，担负着为前方各生产厂供应 生产、生活用水；污水处理和摊放的重任。它自身的安全生产、平稳运行是 中石化天津分公司安全生产的前提和基础。尤其是供水管网压力要求稳定在 0 42m p a 0 52m p a 之间，压力低于下限将直接导致前方厂生产装置 的联锁停车，因此确保供水管网压力的稳定是我们安全生产的长期目标。 1 1 变频恒压供水系统概况 1 1 1 变频恒压供水系统的组成 供水系统设供水泵房两座，一座是处于运行状态的供水泵房，一座是处 于备用状态的供水应急泵房。供水机组l o 台套，机组的参数见表l 一1 ，泵房 设置见图1 - 1 。供水泵房内机组位号为# l # 7 ，供水应急泵房机组位号为# 8 # 1 0 ，# l 机组为采用东方凯奇技术的高压变频机组，# 2 机组是采用美国罗宾 康技术的完美无谐波变频机组，# 5 # 7 是低电压小流量机组，因为流量小， 正常情况下机组处于冷备用状态，其他除运行机组外，完好的机组均处于热 备用状态。 表卜i 供水机组技术参数 i 编号额定电压 额定功率扬程流量转速调速 l6 k v3 8 0 k w5 8 m2 2 6 8 m ： h9 8 5变频调速 26 k v6 3 0 k w5 7 8 m 3 0 8 4 m 3 h 9 8 9 变频调速 3 、4 、8 、6 k v2 6 0 k w5 8 i n 1 0 8 0 m 3 h 1 4 8 0 恒速 9 、1 0 注：由于本次设计中不涉及# 6 7 机组，因此其参数未列入表中 第一章概述 图卜l 供水系统泵房位置图 供水系统的运行方式通常为运行供水泵房内的一台变频机组和一台恒速 机组的匹配方式，并通过变频机组的p l c 实现对供水系统的压力闭环控制。 现场采集供水管网的压力信号反馈到高压变频器的p l c 控制系统，与压力给 定值( o 4 5 m p a ) 进行比较的偏差通过p i d 调节器调整变频器的输出，最终达 到恒压供水的目的。 第一章概述 1 1 2 变频恒压供水系统的供电系统 供水系统由于它特殊的重要性被划归为i 类负荷，配有6 k v 变、配电站 一座，引自中石化天津分公司热电部两条6 k v 线路。# i 电源6 1 5 和# i i 电源 6 3 7 ，系统采用单母线分段的主接线方式，电气一次系统图见图卜2 。 断路器6 1 5 c 、6 3 7 c 为供水泵房和供水应急泵房6 k 母线的分段开关，6 0 0 为6 k v 系统i 、i i 段母线的联络开关。6 0 0 母联开关装设有备用电源自动投 入装置( 简称b z t 装置) 。系统正常情况下，两路电源独立向6 k vi 、i i 段母 线供电，6 0 0 母联开关断开，母联选择开关在自动位置，b z t 装置检测工作电 源的h 、c 相电压u c 和b 相电流i 。的二次值，当b 相电流i 。和u 。低于额定值 的5 0 且延时达到设定时限时，则b z t 装置启动。在故障线路进线开关断开 后，母联开关自动投入，保证供水系统的电力供应。为避免母联的误动作， 在备用电源合闸回路中串接了工作电源断路器的常闭辅助接点，确保工作断 路器在确实分断后，母联自投。 图卜2 供水系统6 k v 变电站一次系统图 第一章概述 1 1 3r0bic0n 完美无谐波变频技术 r 0 bic0n 完美无谐波系列变频器适用于标准高压三相交流感应电 动机。这种电机由于结构简单、经久耐用、适应性强而被广泛应用。但是， 当工作于工频状态下时，由于三相感应电动机速度单一，r0bic0n 系 列变频器在不影响电机性能的前提下，实现对电机转速的调整。 r 0bic 0 n 完美无谐波系列变频器通过将工频电源转换成变频、变 压的电源来提供调速操作。变频器为全电了式，主要特点有： 变频器不会产生谐波失真，无需滤波装置，不会对系统内的其他电力电子 设备产生影响，也不会与系统中补偿功率因数的电容器产生共振。 变频器在调速范围内，功率因数均达到o ，9 5 ，无需附加补偿装置。 变频器输出的电压波形近似于完美正弦波，电机无附加发热。 变频器不产生引起机械共振的脉动转矩。 变频器不会对电机的绝缘产生附加应力。 变频器不会产生附加的电机噪音。 变频器使用的强制风冷风机，噪音小于7 5 分贝。 变频器采用全模块化设计，维修方便；同时基于微处理器的诊断系统，能 准确指示损坏的部位。 1 1 4 df cvert m v 变频技术 dfcve r t m v 系列无电网污染高压大功率变频器是一种高效、 节能、无电网污染的高压大功率变频设备。dfcver t m v 系列变频 器以北京凯奇电力电子技术实验室的最新科研成果为技术核心，同时全面吸 收了国内众多企业长期从事大型机电产品的生产、工艺经验，是一个完全由 我国自主创薪的，具有自主知识产权的、性能优异的、越来越成熟的高科技 产品。 dfc ver t m v 系列变频器成功地将计算机控制技术、功率半导 体器件应用技术、微电子技术、新型电路拓扑、高压干式移相变压器、电机 拖动控制、高电压技术、光纤通信、信息技术、结构设计等多项先进技术融 为一体，技术水平达到2 0 世纪末国际先进水平。 4 第章概述 dfcvert mv 系列变频器采用先进的模块化和信息化方案进行 设计，设备易使用，易维护。 dfcvert m v 系列变频器有以下主要特点： 对电网无污染，纯净的功率输入 变频器使用了多重化整流计术，完全无需另嚣谐波治理装置，不对 电网产生污染，符合i e e e 5 1 9 1 9 9 2 对电压、电流谐波失真严格的要求。 使用时，对同一电网上的其他用电设备不产生谐波干扰，还能防止与其 他变频调速装置之间的“串联干扰”。纯净的功率输入可免去耗时的谐 波共振分析，节省用户安装谐波滤波装置的昂贵费用。 高功率因数 功率因数是有功电流和总电流的比值，高功率因数的变频器( 如 o ，9 5 ) 相对于低功率因数变频器( 如o3 ) 而言，可更充分地利用输入线 电流产生实际的功率输出。dfcvert m v 系列变频器产生近乎 标准正弦波的输入电流，即使不加装外部功率补偿电容，在正常使用的 电机转速内( 2 0 - 1 0 0 * , ) 均可达到o9 5 。可减少由于功率因数太低而 引起的谐波和设备利用率问题，并改善了电压波形。同时还能避免额外 罚款并降低其他费用，供电线路、断路器，变压器的容量不必由于无功 功率两增加。在低速应用时，无谐波的高压变频器的优点更加明显。由 于使用标准的三相感应电动机，在全速范围内都可维持高功率因数。 高效率 变频器具有 9 5 的高效率( 最高可达9 75 ) ，远比可控硅高压大 功率变频装置效率( 3 0 一8 0 ) 高得多。 低畸变的正弦波输出电压和全正弦波电流输出 变频器不需要外部的输出滤波器就可提供正弦输出电压，有较低的 输出电压失真，几乎不增加电机的运转噪声。另外，无需将电机降额使 用。实际上，变频器大大降低了输出的谐波电流( 低于5 ) ，避免了电 机发热和转矩脉动，从而减少了设备上的机械应力。电机的共模电压应 力和d v d t 应力也达到最小。 高进高出供电方案，无需输出变压器 第一章概述 变频器采用电网电压输入，采用移相变压器对输入电压进行移相后 输出给逆变单元，经变频器逆变后串联迭加按照要求的输出电压l i d 输 出给标准三相感应电动机供电。由于避免了高低高( 高压输入 降压变压器低压大功率交频器升压变压器) 供电方式，设 各投资降低，厂房减小，更无需昂贵的专用变频电机( 此电机以增强绝 缘来承受由于升压变压器在波形变换时产生的高压冲击应力) ，从而可 放心使用普通标准型三相感应电动机。也特别适合用于对已有的的旧电 机进行技术改进，满足增加变频调速功能、改进工艺参数和节能的要求。 大量节能，经济效益明显 高压大功率风机，水泵类的电机是耗能大户，也是电力、石化、矿 山、城市供水等工业的主要耗能设备，对其节能具有重要的经济意义。 由于无电网污染高压大功率变频器具有高功率因数、高效率和变频调速 的特性，使得大量节能有了可能。 高可靠性、维修快速 变频器采用高压场控大功率的i g b t 功率模块，每相 ( 6 k w i 7 3 2 = 3 4 6 k v ) 由6 组变频单元串联供电，具有大的电压裕度。 i g b t 模块的触发与过流保护采用专用驱动模块电路，有高可靠性。电 子元件和部件均通过高温老化试验。 变频器变频单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简 单工具进行更换维修。 电机软起动，无冲击电流 变频器有多种电机起动曲线供用户选择，起动时间可由用户自己定 义，可确保电机的安全运行并延长其使用寿命。 空气冷却 对于3 0 0 0 k v a 以下的变频器一般采用强制空气冷却。风机体积小， 维修方便，投资降低。 1 2 变频恒压供水系统运行中的缺陷 经过多年的运行，原恒压供水系统有如下问题制约着系统的安全、稳定 6 第一章概述 生产： 1 、外供水量的不稳定性。随着时间、季节和前方各事业部生产装置的调 整负荷，外供水量的变化极不稳定，不可预测。由于水量的变化将直接导致 供水系统管网压力的波动，对各事业部的生产造成一定的影响，甚至停车。 2 、操作工的工作强度和对机泵出口机械冲击大。供水系统管网压力超下 限报警后，操作工必须要根据目前系统的运行方式，做出判断起动备用恒速 泵的位号，并在压力连续超下限一定时间后，发出起动备台的准确命令。由 于在此期间，压力多处于一种波动的状态，因此指令下达的时间完全是一种 经验值。指令下达的滞后，在规定的时间内管网压力来恢复正常，将对各事 业部的生产装置造成联锁停车；而根据经验值，指令下达采取超前的方式， 在备台起动的同时，供水管网压力已经恢复正常，不得不再停运已起动的备 台。这样，一是人为地增加了操作工的工作强度，另外频繁起、停水泵机组， 增加了对机泵的机械冲击，缩短了使用寿命，增大了设备的检修费用，特别 是水泵在起、停时均会在供水管网中产生“水锤效应”，对管道、阀门产生机 械冲击危害，导致管网泄露的机率增加；而且当大容量机组起动时引起的电 网电压的波动，会对其它设备的运行带来不利影响。 3 、对操作工的技术水平要求高。在事故状态( 所谓的事故状态，就是指 运行的供水机组由于某种原因造成一台或谣台机组的停运) 下，操作人员必 须保持清醒的头脑，综合考虑系统机组电力系统运行方式、管网压力、时间 控制、负荷分配等各方面的情况，避免造成次生事故。 1 3 旁路( b y p a s s ) 技术在恒压供水系统中的应用 旁路( b y p a s s ) 技术常应用于电力系统的母线设计，而应用于高压变频 器是近几年新兴的- - i 1 技术。高压大功率变频机组根据其版本的不同，具有 旁路机型和非旁路机型，便于用户选择是否选用旁路功能。 何为高压大功率变频机组的旁路功能呢? 旁路功能其实就是一种提高高 压大功率变频器运行可靠性的功能。具体地说，旁路功能就是当设备某一功 率单元出现故障时，系统在检测到单元出现故障后主动执行运行方式的切换， 以保证系统连续进行降颧或不降额工作的功熊。 第一章概逮 高压大功攀变频机组具有了旁路功能后，可以大大地提高其运行可靠性， 满足高可靠性用户的要求，以便于这类用户的系统设备或工艺不会因为变频 器运行故障而受到影响，可以在合适的时间对变频设备进行故障维修。 1 4 本文的工作任务 为消除变频恒压供水系统运行中存在的缺陷，确保恒压供水系统的稳定 运行，本文设计了一种变频恒压供水系统中的旁路装置，包括了旁路系统的 硬件和软件。通过对变电站c l 2 0 0 0 系统数据库的应用，减少了工程的投资。 通过对系统多年运行经验的总结，在软件设计中包含了系统机组匹配的所有 可能的运行方式，并对可能出现的故障设计了最佳的解决办法，实现了对供 水系统的旁路功能。 第一章概述 高压大功率变频机组具有了旁路功能后，可以大大地提高其运行可靠性， 满足高可靠性用户的要求，以便于这类_ q j 户的系统设备或工艺不会因为变频 器运行故障而受到影响，可以在合适的时间对变频设备进彳亍故障维修。 1 4 本文的工作任务 为消除变频恒压供水系统运行中存在的缺陷，确保恒压供水系统的稳定 运行，本文设计_ r 一种变频恒艋供水系统中的旁路装置包括了旁路系统的 硬件利软件。通过对变电站c l 2 0 0 0 系统数据库的麻用，减少了程的投资。 通过对系统多年运行经验的总结，在软件设计中包含了系统机组匹配的所有 刊能的运打方式，并对口i 能出现的故障设计_ r 最佳的解决办法，实现了对供 水系统的旁路功能。 水系统的旁路功能。 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的工作原理 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的工作原理 2 1 高压大功率变频器的工作原理 2 1 1 系统总原理 由电机学可知：交流异步电动机的转速n = n 。( 卜s ) = ( 卜s ) 6 0 f ，p 其中：n 一电机的转速；1 o 一电机的同步转速；f 。一电源频率； p 一电机定子绕组的磁极对数；s 一电机的转差率 由上式可知，要改变异步电动机的转速，可以从以下三方面入手，改变p 、 f ，、s 。其中改变电机电源频率f 。的变频调速是一种简便、高效的方法。 6 k v 高压大功率变频器是把工频5 0 h z 的交流电源不经过中间整流的直 流环节，通过5 6 个功率单元串联形式，以v s i 电压型电路，用i g b t 管， 直接变成另一种频率可调的高压变频装置。6 k v robic on 完美无谐波 变频器是由5 个功率单元串联而成，单元输出为p w m 波形。每个功率单元 由移相变压器的二次隔离线圈分别供电，额定电压为6 9 0 v ，每相5 个，因 此相电压为3 4 5 0 v ，所对应的线电压为6 k v 。变频器电压叠加原理图见图2 一l 。 图2 - 16 k v 变频器电压叠加原理图 e 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的工作原理 2 1 2 功率单元电气原理 每个功率单元都是三相交流输入；由i g b t 单相全控整流桥输出脉宽 调制( p w m ) 电压。每相n 单元叠加产生多重化脉宽调制波形，共有n + 1 种电压等级。高压大功率变频器的每个功率单元具有完全相同的结构，可 以任意互换。 功率单元主要由三相桥式整流器、电容器组、i g b t 逆变桥和驱动电 路、保护电路、检测电路、通讯电路等器件和组件构成。三相整流桥将移 相变压器的输出电压整流成为直流电后，向电容器组充电，同时也将整流 输出加到i g b t 逆变器上，通过控制电路来控制i g b t 的工作状态，使其输 出所需要的p w m 波。单元控制扳由i g b t 智能驱动模块、高可靠性光纤通 讯和检测保护电路等组成，用来完成电路的所有控制功能。 2 1 3 移相变压器原理 6 k v 大功率变频器的移相变压器原理图见圈2 2 。电网侧绕组为6 k v ， 三角形接法，副边绕组为延边三角形按法，共十五个绕组分为三组，每组 中育五个绕组，分别有+ 2 4 。、+ 1 2 。、0 。、一1 2 。、- - 2 4 。移相绕组， 每个绕组接一个单元柜，经三相桥式接流后变为直流，再逆变成交流，然 后按照一定规律迭加组成三相频率和电压连续可调的交流电压给三相异步 电动机供电。由于副边每组中有五个相差1 2 。电角度的绕组，根据谐波理 论以及傅立叶级数分析，可以有效的消除2 9 次以下的谐波，由此可输出近 乎完美的正弦电压波形。 采用移相变压器迸行整流对电网不会造成谐波干扰或仅仅造成很小的 谐波干扰，此外移相交压器对于整流过程的电流不连续而引起的变压器激 磁脉动同样有非常好的抑制作用。因此在高压大功率变频器上采用移相变 压器可以有效地消除变频器内开关器件工作时产生的多次谐波对电网造成 的谐波污染。 由于高压大功率电力电子器件受到制造工艺的限制，直到现在还没有 可以直接使用在数于伏的逆变系统中。因此在高电压的系统中必须采用串 联方式工作才能得到要求的输出电压。由于串联系统的均压或串并联系统 1 0 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的t 作原理 的均流均雎十分困难并且极易出现故障，因此采用移相变压器后，每个整 流逆变器件均工作在低电压状态，使得需要高压器件或结构复杂的均压电 路这一技术难题得到很好的解决，从而大大地提高厂系统中电力电子器件 的工作稳定性，保证了系统工作时的可靠性。 图2 - 2 移相变压器原理图 电 第二章变额恒压供水系统中旁路装置的上作蟓坶 2 2 单元旁路的工作原理 根据旁路功能的定义单元旁路就是当高压变频器的某功率单元出 现故障时，系统在检测到单元出现故障时主动执行运行方式的切换以保 证系统连续进行降额或不降颧工作的功能。单元旁路是一种快速地、完全 自动地切除出现故障的单元而保证系统继续正常运行( 或减额运行) 的自 动应急运行方式。其原理简图见图2 - 3 。 图2 - 3 单元旁路原理示意图 当系统出现故障时，故障报警信号经由通讯电路传输给主控计算机， i 控计算机接收到故障信号后，经过故障种类判断，对系统的各种信号协 调后。在最适宜的时刻将出现故障的那一单兀层用快速电子开关进行旁路 使设备继续正常运行，保持输出电压的平衡，同时向用户发出报警信号， 并且自动对输出功率进行允许的调整，使用户可| 三 及时处理系统的负荷匹 配状况，保证系统正常运行。 例如：变频器功率单元“n b ”出现故障，此时该功率单元的检测电路 将通过通讯电路向主控计算机发出“n b 功率单元故障”的信号，主控计算 机接收到故障信号后。对故障性质进行判断，当认定该报文确属于故障时， 笙三童壅塑堡垦堡查墨竺! 童堕堑墼塑三生垦堡一 主控计算机将发出下列信号： a 判断系统是否已经处于单元旁路状态t b 如果已经处于单元旁路状态，则系统停机； c 如果系统未处在单元旁路状态，则切断处于“n b ”单元层的所有i g b t 的触发信号，保证“n b ”单元层的i g b t 处于关断状态以保证其安全； d 接通旁路单元的电子开关，进行旁路操作； e 检测旁路后的工作状态是否正常，如果系统二作正常，则向控制面 板发出单元旁路成功信号； f 如果旁路不成功，则继续执行旁路功能； g 如果三次旁路不成功，系统将发出停机命令，系统停止工作。 单元旁路的全部操作时问在毫秒数量级，因此在执行单元旁路的操作 中不会对系统造成冲击，且如果系统在旁路前已经处于较低运行频率，则 系统执行单元旁路功能后，将不需要进行负载调整。 2 3 工频旁路的工作原理 在变频器功率单元出现故障时，经由通信电路将故障信号上传至主控 系统，主控系统在接到故障信号时，对故障的性质和种类进行判断后，自 动进行工作状态的切换。若系统出现较轻的故障，则发出系统故障的报警 信号后保持系统继续运行；若主控计算机经过故障判断后发觉故障性质已 经不能允许系统继续运行了，则执行使系统转换到工频状态继续运行的工 频旁路功能，保证用户设备仍然工作，只是运行状态有所变化，不至于引 起停机而造成损失。 工频旁路的原理图见翻2 4 、2 5 ，其工作原理如下：以供水系统中2 # 机组为例进行说明，图中6 3 0 0 f 、6 3 1 q f 、6 3 2 簖为3 个6 k v 高压真空断路 器；6 3 0 q f 称为“移相变压器电源”开关，6 3 1 0 f 称为“变频输出”开关， 6 3 2 q f 称为“工频全速”开关。6 3 1 q f 与6 3 2 q f 设立有逻辑互锁，两个开关 不能同时处于合闸状态；并且6 3 2 q f 不能手动合闸，只有6 3 1 0 f 跳闸后6 3 2 q f 方可动作于合闸。 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的工作原理 6kv 图2 4 工频旁路主回路原理图 母排 i ( a 为允许切换至工频旁路运行的a c 2 2 0 9 小空气开关，其电源来自车 间的u p s 。t j l 、t j 2 、t j 3 分别为整定为0 5 s 、1 5 s 和0 5 s 的交流时间继 电器。 1 4 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的工作原理 v f0 控带柜 _ _ _ _ _ n 】1 【 t b 2 2 _ 1 tj 2 r b j l 6 己5 5 旦_ 一- 丑一 d 口h 1 ； 图2 - 5 工频旁路控制回路 f 的跳闸回路 i 、正常工况 系统正常运行时，先给上a c 3 8 0 v 电源，作为移相变压器和v f d 功率单 元散热的风机电源，然后分别合上6 3 0 0 f 和6 3 1 q f ，变频器连接于电源和托 动电机之间，系统处于变频工作状态。从泵房控制v f d ，驱动水泵机组，并 合上小空气开关1 ( a 。 i i 、工频旁路工况 当系统出现必须使变频器退出变频工作状态的系统故障时，变频调速 装置根据设定的程序进行工作状态“变频工频”的切换，并发出报警 信号，具体的操作为： 当有严重故障发生时，v f d 将发出故障信号，仅使d o m l 至c 接通， t j l 励磁，0 5 s 后，6 3 1 q f 自动跳闸；同时t j 2 励磁，经过l5 s 延时后， 被拖动的电动机端电压自然下降至3 0 以下后，6 3 2 q f 自动合闸，变频机 组将切换至“工频全速”运行状态。( 按照电路理论，等被拖动电机完全静 止后，其接入端的反电动势将衰减为0 ，此时进行工频的切换应该是最安全 第二章变频恒压供水系统中旁路装置的工作原理 的。因此根据工况，也可等电机完全停止后，再转入工频运行。) i 司时，6 3 1 q f 直流控制回路的动作，中央信号盘p 的f m 声音报警。值班人员应立即 巡捡，发现调速泵切换到“工频全速”时，必须人丁控制m 口阀门，进行 倒泵等操作后，将) ( j 手动复位，这样f m 将自动停止鸣响。 牟= 速运行停车时，应先拉下小空气开关k a ，适当关闭出水闸，从泵 房“停车”。著由技术人员查看键盘l c d 的有关故障菜单，分析判断故障 性质与内容后，另行处理。 严重故障包括： ( 1 ) 、晃电( 1 0 0 “2 0 0 m s 的电压波动) ； ( 2 ) 、a c 3 8 0 v 丢失( 风桃类故障) ； ( 3 ) 、紧急停车( 下压“急停”按扭) ； ( 4 ) 、功率单元故障( 如拔掉光纤的通讯故障，单元控制板故障等) ； ( 5 ) 、高压柜门被打开； ( 6 ) 、电压小于额定电压6 k v 的5 5 ( 3 s 内) ； ( 7 ) 、电压大于额定电压6 k v 的1 2 0 ( 3 s 内) 。 而除去上述情况外的所有一切故障v b l 也发出故障信号，但仅使 d o m l d 接通，t j 3 励磁，0 5 s 后，使6 3 1 q f 自动跳闸，而，f = i = 允许6 3 2 q f 合 闸。同时6 3 1 q f 直流控制回路的x j 动作，中央信号盘上的f m 声音报警。 电接点压力表j l 也报警，值班人员应立即巡榆，进行补泵等操作后，可将 x j 手动复位，附将自动停止鸣响。 2 4 系统旁路的工作原理 为了消除恒压供水系统中存在的缺陷，确保系统的稳定运行，仅仅依 靠单元旁路和工频旁路的作用是不能完全解决的，有必要采用系统旁路的 设计。 系统旁路的主要目的是确保恒压供水系统的唯一控制指标压力的 稳定，它是一种合理、自动地切除出现故障机组、选取撮佳备用机组，保 证恒压供水系统正常连续运行的方式。 如翻2 - 6 所示，当系统出现故障时，报警信号通过通讯电路传输给工 第二章变频恒压供求系统中旁路装置的工作原理 业控制计算机，工控机接收到故障信号后，延时3 0 秒后，若故障信号消失， 则系统不进行运行方式的切换；若故障信号未消失，工控机经过故障种类 的综合逻辑判断后，经过对系统的各种信号协调，在最佳时刻连续启动最 适宜的备用机组，将出现故障的机组进行旁路，维持系统压力的稳定运行。 同时，向用户发出报警信号后退出对系统的监控状态。 辛牵一罐 供水管网 i 。l 中5 0 0 r a m i 2 5 小节 图2 - 6 系统旁路原理简圈 本章在介绍6 k vr obicon 完美无谐波高压大功率变频器工作原 理和特点的基础上，给出了单元旁路和工频旁路的原理和操作程序，为了 确保供水系统的管网压力保持在正常水平，指出了设置系统系统旁路装置 的必要性。 1 7 第三章系统旁路装置的硬件构成 3 1 硬件框图 第三章系统旁路装置的硬件构成 越来越多的人认识到，计算机控制技术已经成为现代工业控制领域内不 可缺少的重要组成部分。计算机控制理论的推广和应用，使得现代工业自动 化水平在不断的提高。 本文所要进行的变频恒压供水系统的旁路装置设计，就是要充分利用计 算机控制技术对系统内的电量和非电量信息进行采集，以完成系统旁路运行 方式的切换。系统旁路装置的硬件框图如图3 一l 所示。 打印 研华工业摔制 计算机 c a n 刖s 模拟屏 卜位机 微机模 拟量采 集单元 核芯m c u 微机电 动机综 合保护 单元 核芯m c u 微机备 用电源 自投单 兀 核芯m c u 微机母 联保护 监控单 兀 核芯m c u 微机线 路保护 监控单 兀 核芯m c u 3 2 硬件原理及说明 图3 - 1 系统旁路硬件设计框图 3 2 1 微控制器( u c u ) c 1 6 7 微控制器( m c u ) c 1 6 7 是微机模拟量采集装置和微机型电动机综合保护 装置的核心。c 1 6 7 是西门子c 1 6 6 的1 6 位微控制器系列的高端产品。 第三章系统旁路装置的硬件构成 主要功能和特点： 高性能1 6 位c p u ( w i t h4 - s t a g ep i p e li n e ) 2 0 m h z c p u 时钟下，指令周期为l o o n s ，响应速度快 达1 6 m 字节线性数据和指令地址空间 带有片内c a n 接口( 2 o b 版) 大量的片内存储器，输入输出量大 支持保持和保持确认总线仲裁 1 0 2 4 字节片内特殊功能寄存器区 1 6 个优先级的可编程中断，5 6 个中断源，采样速率低至5 0 n s 1 6 通道1 0 位的a d 转换器 可编程看门狗定时器，监控程序的运行，避免系统陷入死循环和出现 “飞车”状态，并可将其从异常状态中拉出。 通用i o 管脚达1 1 1 个 1 4 4 脚m q f p 封装( e i a j ) 由于c 1 6 7 的强大功能，可以充分满足微机型电动机综合保护装置和微 机模拟量采集装置的数据采集、处理和通讯的要求，以及指令执行在时间上 的要求，满足对控制精度、准确度、性能和可靠性的较高的要求。 3 2 2 w mn l7 微机模拟量采集单元 w m n 一1 7 微机模拟量采集单元，完成对模拟量和开关量的采集功能。 其结构框图如图3 2 所示。 模拟量 、 多 选择 通讯模块 。 加 路 2 刮液晶显示i 转 、 换 m c u 开 c 1 6 7刮键盘l 开关量 关 一 = 刮存储模块l 控制 图3 2w m n 1 7 微机模拟量采集装置结构框图 1 9 第三章系统旁路装置的硬件构成 该单元在完成对1 4 路模拟量和1 2 路开关量的采集的基础上，同时还具有如下 功能： 1 4 路模拟量动作告警。每路模拟量序号可根据需要选择为：m ，不需 要本路模拟量动作告警可选择为：无。每路模拟量动作方式可选择为： 过量、欠量。每路模拟量动作告警可根据需要选择2 路开出，其开出 方式可选择为永动、随动、脉冲( 脉宽可整定) 或无效；不需要开出 可整定为：0 。 1 2 路开关量动作告警。不需要本路开关量动作告警可整定为：0 。每 路开关量动作状态可选择为：高电平( 合) 、低电平( 分) 。每路开 关量动作告警可根据需要选择2 路升出，其开出方式可选择为永动、 随动、脉冲( 脉宽可整定) 或无效；不需要开出可整定为：0 。 故障报文。 提供一个r s 4 8 5 通讯接口和一个c a n 通讯接口； 遥控、遥测、遥信。 本次设计应用微机模拟量采集装置对模拟量的监控功能和通讯功能，对 系统旁路设计中的主要控制量进行监控、采集和通讯。装置采集8 路模拟量( 标 准信号4 2 0 m a 或0 5 v ) ，其中两路水压( 生产和乍活管网压力) ，两路水 库水位( 3 # 、6 # 库) ，4 路水流速( 各两路生产、生活管网) 。在与下位机的 通讯中进行数据传输。 3 2 3 智能压力变送器一1 1 5 1 s m a r t 电容式压力变送器是根据可变电容原理工作的压力检测仪表，它利用弹 性元件受压变形来改变可变电容的电容量，从而实现压力电容的转换。具有 结构简单、体积小、动态性能好、电容相对变化大、灵敏度高等优点，因此 获得广泛应用。 电容式压力变送器由检测环节和变送环节组成。检测环节将感受到的被 测压力的变化转换成电容量的变化；变送环节将电容变化量转换成标准电流 信号4 2 0 m a d c 输出。 电容式压力变送器的检测环节的核心部分是一个球面电容器。在检测膜 片的左右两室中充满硅油，当隔离膜片分剐承受高压p 1 和低压p 2 时，硅油 第三章系统旁路装置的硬件构成 的不可压缩性和流动性，将差雎a p = p 1 p 2 传递到检测膜片的左右面上。由 于检测膜片在焊接前加有预张力，所以当压差a p = 0 时十分平整，使定极板 左右两个电容的电容量完全相等，c i = c 2 = c 0 ，电容量的差值a c = 0 。