ACS1000中压变频器简介.doc

我公司ACS1000中压变频器简介一、概述 随着变频技术的不断完善、发展，变频调速性能日趋完美，变频控制的应用越来越广泛。水泥制造业是能耗大户，节能降耗已成为提高水泥生产企业竞争能力和经济效益的重要措施之一。水泥厂因生成工艺要求，风机类负载消耗电能所占比例较高，而根据生产工况的不同，风量需要调节控制，因此现代水泥生产企业风机传动都采用变频控制，以达到节能的目的。ACS1000中压变频器是ABB公司推出的标准化中压交流传动产品，采用新型功率开关器件IGCT及直接转矩控制（DTC）技术，性能卓越，功率范围从315-5000kW，电压等级有2.4kv,3.3kv和4.0kv三个等级。适用于工业中的风机、水泵、传送带和压缩机等。我公司生料EP风机、窑尾高温风机传动采用ACS1000水冷变频器型号如下表：传动设备型号规格生料EP风机ACS1013-W2-V0-00-S612-10A0-0C30-000G-00000-EN 3350KVA 输入：2*1902V、561A输出：3300V、670A 传动电机：3300V、2800KW窑尾高温风机ACS1013-W2-W0-00-S612-10A0-0C30-000G-00000-EN 3750KVA 输入：2*1902V、631A 输出：3300V、724A 传动电机：3300V、3000KW二、ACS1000的硬件部分（一）、柜体布局 柜体由四部分组成（见图1）：分别为控制单元、滤波及直流单元、功率单元、冷却单元。主电源及电机接线端子布置在控制单元柜活动门后面，端子与活动门之间采用防护隔离护板隔离。控制单元滤波及直流单元功率单元冷却单元 图1 ACS1000水冷变频器（12脉波）（二）、控制单元（内部结构见图2）蓄电池辅助电源变压器马达启动器及断路器I/O接口板主电路接口板应用与电机控制板EPS电源板活动门图2 控制单元内部结构图柜内主要电路板：1、应用与电机控制板AMCAMC板见图3，它负责处理特殊的应用逻辑、执行电机模型的所有计算、处理所有与DTC算法相关的主要控制环。除此之外，AMC3还控制与下列设备进行通讯的接口：CDP312控制面板、接口板、主要的I/O板、可选数字编码器、局部总线接口、服务工具。DC24V外部电源输入接口光纤接口与INT板连接EPROM存储器RAM存储器专用集成电路ASIC数字处理器CPURS485口与控制盘连DDCS通讯接口发光二极管图3 应用与电机控制板外形图 生料EP风机、窑尾高温风机ACS1000中压变频器AMC3板外部实际接线如图4：光纤接口与INT板连未用未用未用未用通过光纤、适配卡与PC连光纤连IOEC1板光纤连IOEC3板通过光纤与PROFIBUS适配模块NPBA-12连与CDP312控制盘连DC24V电源来自EPS未用 图4 AMC3板外部实际接线示意图2、主电路接口板INT 接口板用于产生所有IGCT门极触发信号并负责收集和集中传动控制和保护所需要的电压和反馈信号，它包括对AMC3和ADVCI（模拟/数字转换器，电压/电流转换器）的通讯接口。当作为可选项的制动斩波器被选用后，接口板也承担与斩波器的接口通讯。INT板外形图见图5：图5 INT板外形图 INT板外部实际接线示意见图6：至ADCVI通过16芯电缆连EPS板未用未用光纤连OVVP板光纤连GUSP光纤连VLSCD未用至ADCVI光纤连至ADCVI板光纤连至AMC3板DC24V电源引自EPS板光纤连至集成IGCT门极触发板未用光纤连至保护IGCT门极触发板光纤连IOEC2板光纤连IOEC1板图6 主电路接口板外部接线示意图3、I/O接口板IOEC IOEC板的作用为变频器内外部控制信号提供接口，外形图见图7：电压、电流输入选择开关24VDC电源LED指示数字量输入LED指示IOEC板地址设置开关与AMC3板通讯状态LED指示+5VDC电源LED指示数字量输出LED指示图7 IOEC板外形图 3块IOEC板外部接线示意图分别见图8、图9、图10：图8 IOEC1板外部接线示意图冷却泵1驱动冷却泵2驱动MCB状态柜面指示接地开关位置柜面指示未用接线，未用冷却泵1空开跳闸信号冷却泵2空开跳闸信号冷却风扇空开跳闸信号未用未用未用未用内循环水温度信号内循环水压力信号内循环水电导率信号24VDC电源输出柜面MCB分闸信号柜面MCB合闸信号未用膨胀腔液位低信号接地开关分位置信号接地开关合位置信号加热器空开跳闸信号光纤连AMC3板光纤连IOEC2板光纤连INT板24VDC电源引自EPS板至IOEC2板24VDC电源图9 IOEC2板外部接线示意图变频器备妥DCS变频器运行反馈DCS变频器报警DCS变频器故障DCSMCB分闸驱动LOCALMCB合闸驱动LOCAL电机启动信号电机停止信号未用未用未用未用MCB合闸驱动DCS未用MCB断开信号LOCALMCB闭合信号LOCALMCB备妥信号LOCAL未用MCB分闸驱动DCS马达阀关限位信号24VDC电源输出未用速度给定DCS未用速度反馈DCS电流反馈DCS光纤连IOEC1板光纤连IOEC3板光纤连INT板24VDC电源引自IOEC1板图10 IOEC3板外部接线示意图未用变频器LCB备妥DCS马达阀关驱动马达阀开驱动未用未用未用未用未用马达阀开限位信号24VDC电源输出未用光纤连IOEC2板光纤连AMC3板24VDC电源引自EPS板4、EPS控制电源板：电池更换后测试正常20VDC输出电源正常供GUSP1电流正常供GUSP2电流正常电池测试启动蓄电池连接正常24VDC输出电源正常图11 EPS电源板外形图 EPS电源板外部接线示意图见图12、图13：G132VAC电源引自辅助电源变压器24VAC电源引自辅助电源变压器冷却泵、风扇回路控制电源至接地刀闸联锁电磁铁线圈供IOEC1板DO点、柜面指示灯电源供IOEC1、IOEC2板工作电源未用供INT板工作电源供AMC3板工作电源供IOEC3板工作电源供门极控制电源板GUSP1工作电源供门极控制电源板GUSP1工作电源未用供过压保护板OVVP工作电源供通讯适配模块NPBA-12工作电源EPS电源状态信号送INT板连2#EPS电源板供电压、电流测量板ADCVI工作电源蓄电池图12 1#EPS电源板G1外部接线示意图G232VAC电源引自辅助电源变压器24VAC电源引自辅助电源变压器供冷却单元的IOEC板DI、DO电源未用未用供门极控制电源板GUSP2工作电源供门极控制电源板GUSP2工作电源未用未用供冷却水单元测量仪表工作电源连1#EPS电源板未用蓄电池图12 2#EPS电源板G2外部接线示意图-G5-G6输出滤波电抗器整流滤波电容器接地开关输出滤波电容器电流、电压测量板，过压保护板门极单元电源板GUSP1门极单元电源板GUSP2电流互感器均压电阻RS1、RS2图13 滤波及直流单元内部布置图（三）、滤波及直流单元（内部布置图见图13）柜内主要电路板（ADCVI板与OVVP板封装在同一金属盒内）1、电流、电压测量板ADCVI（外形见图14，实际接线示意图见图15）：图14 电流、电压测量板ADCVI外形图接主回路整流输出DC、DC+、NP光纤连INT板变频器输出U2相电流取样变频器输出W2相电流取样变频器输出U2相滤波电容电流取样变频器输出W2相滤波电容电流取样变频器输出滤波电容零序电流取样20VDC电源引自EPS电源板图15 ADCVI板外部接线示意图2、过压保护板OVVP（外形图见图16、外部接线示意图见图17）图16 过压保护板OVVP板外形图接主回路整流输出DC、DC+、NP光纤连INT板，直流母线电压超过139%额定电压时发过压信号。24VDC电源引自EPS电源板图17 过压保护板OVVP外部接线示意图3、门极单元电源板GUSP1、GUSP2（外形图见图18、接线示意图见图19、20）GUSP单元电路板通过此接插件及定位导向螺杆连接固定在底座上图18 门极单元电源板GUSP外形图24VDC电源引自EPS1电源板光纤连INT板20VDC电源送IGCTV1U20VDC电源送IGCTV2U20VDC电源送IGCTV1V20VDC电源送IGCTV2V20VDC电源送IGCTV1W20VDC电源送IGCTV2W20VDC电源送IGCTVS1图19 门极单元电源板GUSP1外部接线示意图24VDC电源引自EPS2电源板光纤连INT板20VDC电源送IGCTV3U20VDC电源送IGCTV4U20VDC电源送IGCTV3V20VDC电源送IGCTV4V20VDC电源送IGCTV3W20VDC电源送IGCTV4W20VDC电源送IGCTVS2图20 门极单元电源板GUSP2外部接线示意图（四）、功率单元（内部结构见图21） 图21 功率单元内部布置图 功率单元主要由12脉波整流桥及逆变桥功率器件等组成，其中功率器件IGCT是由ABB开发的新型半导体器件，其外形图见图22：20VDC电源引自门极单元电源板GUSP光纤接口连至INT板图22 IGCT外形图（五）、冷却单元（内部结构见图23，冷却回路原理见图24）膨胀容器接线盒水水热交换器离子交换器冷却泵气水热交换器图23 冷却单元内部结构图（顶部装有冷却风扇）图24 冷却回路原理图 冷却单元内循环水的传导率，温度，压力及水位都由ACS1000控制系统监测，主要检测控制信号见下表（其它信号见I/O板图）：信号名称标号安装位置I/O编号备注内循环水电导率B12见图24IOEC1，AI1.4报警值0.5us,跳闸值0.7us,低报警值0.06us。内循环水温度B13见图24IOEC1，AI1.2报警值39,跳闸值41。内循环水压力B11见图24IOEC1，AI1.3压力低报跳闸值1.5bar。膨胀腔水位B10见图24IOEC1，DI1.9内部风温ADCVI报警值45,跳闸值55。冷却泵1驱动M11见图24IOEC1，DO1.1ACS1000连续检测水电导率、水位、水压、水温的实际值，正常运行时两台泵交替运行、一台泵运行另一台泵待机.自动切换，原水回路马达阀受水温控制。正常运行时，水电导率、水温被限制在允许范围内。如果变频器停止运行且主断路器分闸后，水电导率达到报警值, 冷却水泵、风机自动启动，当水电导率再次降到报警值以下，冷却泵和风扇将在预设的延时时间到后停止运行。同样冷却水泵和风机依据冷却水实际温度自动启动，当温度降到15以下泵和风扇将按预设的延时时间停止。冷却泵2驱动M12见图24IOEC1，DO1.2冷却风扇驱动FAN1冷却单元顶部IOEC1，DO1.1马达阀开限位B14见图24IOEC3，DI3.14马达阀关限位IOEC2，DI2.14马达阀开驱动IOEC3，DO3.4马达阀关驱动IOEC3，DO3.3三、ACS1000主回路三相交流电源通过三绕组变压器对整流桥供电。为了获得12脉波整流，变压器两个副边绕组之间必须存在30 的相位差。副边一个绕组为星形接法，另一个绕组为三角形接法。两个无熔断器的整流桥串联连接，因此直流电压为两整流桥的叠加。两个整流桥均流过全部直流电流。为进行三电平切换运行,三相逆变器的每个桥臂由2个IGCT组成: IGCT的输出电压在正直流电压、中性点(NP)和负直流电压之间切换。标准的ACS 1000配置12-脉波整流桥，符合一般的谐波要求。在变频器的输出加有LC滤波器，用于减小输出电压中的谐波含量。该滤波器还消除了dv/dt 的影响，因而电机电缆中电压的反射和电机绝缘的损害影响就可以不用考虑了。充电电阻在变频器上电时限制直流回路的电流。当直流电压达到79%额定值时，IGCT导通，充电电阻被旁路掉。保护IGCT的主要作用就是在出现故障时迅速关断，以保护整流桥。逆变器的共模电流由共模电抗器进行限制，并通过共模抑制电阻进行衰减。由于结构的特殊性，共模电抗器可以对通过变压器副边电缆、直流回路、输出滤波器和变频器内部接地母排流动的共模电流提供全面的抑制。di/dt-电抗器用在逆变器中保护续流二极管在换向期间免受过度的电流变化率的影响。ACS 1000变频器是一种无熔断器保护的中压变频器。这种设计采用新型的功率半导体开关元件IGCT作为回路的保护。置于直流回路和整流桥之间的IGCT不同于传统的熔断器，它可以在25微秒内直接将逆变部分和整流部分快速隔离，其快速性是熔断器的1000倍。ACS 1000变频器所具备的硬件和软件保护特性可以有效的保护变频器免受非正常的操作和设备误动作所造成的故障和损坏。四、直接转矩控制ACS1000变频器采用直接转矩控制技术。采用微处理器控制技术来监控电机的电磁状态，配合直接转矩控制技术（DTC)实现无传感器电机控制。ACS 1000变频器的输出电压接近正弦，它可以方便的用于现在所使用的标准感应电机而不需要降容。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微秒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。直接转矩控制中，每只IGCT的开关状态都是单独地由磁通和转矩的值决定的，而不是象传统PWM磁通矢量传动中预先确定的矩阵来控制开关状态。（DTC与PWM控制的区别如下表）DTC磁通矢量开关状态的控制基于电机的磁通和转矩变量开关状态的控制基于电机的励磁电流和转矩电流变量无需电机轴速度反馈和位置反馈机械速度是关键。需要电机轴的速度和位置反馈(测量值或估计值)独立控制逆变器的每一次开关状态(每隔25微秒一次)逆变器开关基于PWM调制器的平均给定，这导致响应滞后和开关损耗转矩阶跃上升时间(开环)小于10毫秒转矩阶跃上升时间：闭环10到20毫秒。开环100到200毫秒。五、主断路器的控制与监视主回路断路器（MCB）必须唯一地由ACS 1000 变频器来控制。主回路断路器的合闸命令必须唯一地由ACS 1000 变频器提供。外部合闸信号作为合闸请求信号连接到ACS 1000 变频器的数字输入接口。合闸请求信号可来自本地或远程控制台。而实际控制MCB合闸的命令由ACS 1000 变频器的数字输出接口发出。 主回路断路器必须满足变压器原边额定电压和额定电流的要求。MCB 还必须满足传动设备的一些特定要求。 MCB 需具备下列性能和接口： 承受额定负载电流并及时分断短路电流； 承受变压器的浪涌电流而不跳闸； 250 ms 内分断变压器二次侧短路电流（包括保护继电器动作时间和MCB分断时间）； 接收到合闸命令时，及时闭合MCB； 接收到分闸命令时，160ms内断开MCB； 接收到跳闸命令时，160ms内断开MCB； 提供指示MCB闭合的状态输出信号； 提供指示MCB断开的状态输出信号； 提供指示MCB无效的状态输出信号（如：主回路断路器处于测试位置、主回路断路器小车处于拖出状态或故障状态）。六、通讯ACS 1000 变频器具有先进的本地控制和远程控制特性，控制设备集成在变频器柜体内部，提供基于过程控制、保护和监控功能的全数字和微处理器技术。CDP 312 控制盘是基本的用户接口，用户可以通过它监控，修改参数和控制ACS1000变频器的运行。ACS 1000 可以通过不同的方式进行控制： 通过安装在ACS 1000控制柜前门上的可拆卸的CDP312控制盘进行控制； 由外部控制设备，如监控系统，通过连接到变频器内标准I/O板上的模拟和数字I/O端子进行控制； 通过现场总线适配器进行控制； 使用PC工具(DriveWindow或DriveLink)，通过PC适配卡连接到ACS 1000控制板进行控制。七、ACS1000软件部分（一）、参数设置ACS 1000 是通过一组参数来设置的。参数可以单个设定，或者调用一个预编程的参数集，这个参数集就叫作应用宏。应用宏有Factory/Hand-Auto/PID C./TorqueC.等，正常使用工厂应用宏（Factory）。参数设定的方法有两种：1）既可以使用变频器的CDP 312控制盘；2）使用个人电脑和DriveWindow 软件包编程设定参数。为了简化参数编程，所有的参数被编成组，我们用户能够修改的参数组从199组。第1组叫启动参数组，电机的铭牌参数在第99组里输入。实际信号的监测可选择90条实际信号，其中最重要的有： ACS 1000的输出频率、电流、电压和功率； 电机速度和转矩； 直流回路电压； 实际控制地(本地/外部1/外部2)； 给定值； ACS 10000逆变器的温度； 运行时间计时器(h)，kWh计数器； 数字I/O和模拟I/O的状态。（二）、故障保护1、可编程故障保护功能：电机绕组温度通过激活电机绕组温度监测功能可以防止电机过热。电机温度的计算是用户可调整的。温度的监测是基于负载特性曲线或是由用户设置或自动集成功能给出的热常数。如果环境温度超过30 ，负载特性曲线要进行修正。ACS 1000提供3路标准模拟输入进行电机绕组温度的测量。如果连接了测量，则计算模式就被禁止。报警值和跳闸值都必须设置。电机绕组保护通过设置参数30.01 和30.11( 参数组故障功能) 实现。电机堵转ACS 1000能够在发生堵转时保护电机。用户可以设置堵转频率(速度)和堵转时间的监视极限值，也可以选择是否允许堵转功能或当检测到堵转时传动如何动作(报警或跳闸)。如果下列条件同时满足，保护将被激活：11ACS 1000的输出频率低于用户设定的堵转频率极限；12传动处于转矩极限，这个转矩极限可以由用户设置。转矩极限是一个基本的参数设置，设定了传动输出的最大转矩。 尽管它间接影响电机堵转保护的运行，但是不应作为电机堵转的参数；13来自条件1和2的频率和转矩值持续时间已经超过了用户设置堵转时间极限。通过设置故障功能的参数30.12 和30.14 实现电机堵转保护。欠载：欠载被作为过程故障显示出来。 ACS 1000提供了一个欠载功能来保护在严重的故障情况下运行的机械设备。 这项监视功能检查电机负载特性是否在指定的负载曲线之上。用户可以选择5种不同的负载特性曲线。监测的极限：可以选择欠载曲线和欠载时间以及传动对欠载的反应(报警/跳闸指示和停止传动/没有反应)。当下列条件同时满足时保护就被激活：11.电机负载低于用户选择的欠载曲线(五条可选曲线，见 图3-13 )。12.电机负载低于用户选择的欠载曲线的时间超过用户设定时间(欠载时间)。超速监测DTC决定的电机速度。如果电机速度超过最大的允许速度(用户可调)将产生跳闸。此外，也可以连接一个外部电机超速跳闸输入信号。如果外部电机超速跳闸被激活，变频器也将产生跳闸(低电平时信号激活)。欠压:欠压为了检测电网电压的损失，必须监测直流母线正负极的电压。如果电压降至额定值的70%以下，欠压报警将被激活，同时失电跨越功能被激活（如果允许），若电压继续降至65%以下，将产生欠压跳闸。2、已编程的保护功能:电机缺相缺相功能监视电机电缆的连接状态。在电机起动过程中尤为重要：如果检查出电机有缺相，ACS 1000 将拒绝起动。跳闸:21.在正常运行期间，缺相功能还能检测电机的连接状态。为实现该功能，电机的运行频率必须大于一个最小值。当检测到电机缺相将产生跳闸。22.过载保护ACS 1000检测电机电流的3相RMS值并和设定的3相极限值比较。还可以设定每相极限值的启动延时。当检测到过载，ACS 1000将显示报警信息并关闭逆变器停止运行。23.直流过压通过直流母线正负极电压来检测是否出现直流过压现象。如果该电压值超过额定值的130%，将产生过压跳闸。在变频器已经跳闸的情况下，极少情况能够导致电机进入自激励模式，造成直流母线电压持续增大。如果出现这种情况，当直流母线电压超过额定值的135%时，将产生第二级过压跳闸，使内部的6个IGCT同时导通，将电机绕组有效地旁路掉。这就消除了导致直流母线电压上升的自激电压。为了提供最高的可靠性，在软件和硬件冗余(140%)中都采用了第二级跳闸。24.整流桥短路通过监测直流母线电压可以检测整流桥的短路。如果发生短路，将产生跳闸同时传动断开供电(MCB的断开时间= 100ms)。25.充电故障在充电过程中要对直流母线电压进行监测。如果经过预设的时间电压还未达到规定值，将产生跳闸。26.主电源缺相如果中间电路的直流电压脉动超过了一个预设值，将产生跳闸。27.过流ACS 1000的过流极限是变频器额定电枢电流的2.2 倍。如果超过该值将会引起跳闸。28.逆变器的负载能力监测逆变器的电流负载情况是为了确保逆变器不要超过温度极限。如果检测到电流/时间过载，将引起跳闸。29.逆变器短路监测变流器以确保未发生短路。如果检测到短路将引起跳闸。210.接地故障监测输出滤波器的接地电流，若超过某一个值，将引起跳闸。211.操作系统微处理器的操作系统负责管理控制软件的不同功能，如果检测到内部故障将引起跳闸。这些故障显示为“控制软件故障”。在运行过程中出现任何故障，系统都必须重新启动。212.测量丢失 为了保证变频器的保护功能正常运行，控制板之间的所有通讯都进行周期性地检查。在ADCVI板(电压电流的模拟数字转换)上，模拟信号被转换为数字信号。数字信号通过光纤总线系统(PPCC)传输到接口板，这是变频器控制的主接口。接口板监测通讯的状态，如果发现故障将引起跳闸。213.电池测试 当传动的辅助电源发生掉电时，为了确保进行正确的故障提示并按顺序跳闸，ACS 1000带有一个电池以提供冗余的直流控制电源。在电池充电过程中，变频器通过已知的负载并测量引起的电压降进行周期性的检测。当发现电池的供电电压不足，将显示故障信息并执行正常停车或报警。如果电机的自激励速度低于额定转速就开始正常停车，当电机的自激励速度高于额定转速就设置为报警。这个过程在ID运行中自动进行，缺省状态为正常停车。214.通讯故障 除测量板之外的所有通讯都是通过DDCS（分布式传动控制系统）实现的。如果其中有一个连接失败，将引起跳闸。215.ID运行故障 在调试过程中必须进行电机辨识运行。必须输入进行系统参数辨识的电机额定数据。如果输入数据不正确，系统参数将无法确定，并产生跳闸。在这种情况下必须输入正确的数据，并重新进行辨识运行。3、其它保护功能:外部电机保护跳闸如果用户使用了一个外部电机保护继电器，它可以连接到ACS 1000的一路预设保护输入。电机保护输入通过一个常闭触点串入跳闸回路。外部电机保护由参数组35(外部电机保护)进行设置。外部变压器保护跳