在工业自动化教学中对水阻柜电机的变频改法

一、摘要：由于水泥行业一般地处偏远，电网容量有限，所以很多大型设备的启动都采用软启动，西南，西北地区尤其普遍。基于成本考虑，大部分企业都选用水阻启动。随着近几年国家节能降耗政策的落实，以及国内工业自动化设备中变频器技术的日趋成熟和价格优势，很多水泥行业由使用水阻考虑变频器改造。本文就目前水阻的原理和变频器的原理，着重解释一下水阻调速或水阻启动的高压电机（风机，水泵）的变频器改造。
1.1原理：水阻起动柜是近年来运用比较广泛的电机起动设备。水阻，也就是液体电阻（在水中添加电解粉构成水电阻），顾名思义就是在电机定子回路（笼型电机）或转子回路（对绕线电机）中串入液态电阻，电机在起动过程中液态电阻阻值在预定的时间内自动无级减小，直至阻值接近为零，将液阻自动切除，电机投入正常运行，每小时最多可以启动2-3次。
1.2组成：液体电阻起动柜主要由以下几个部分组成：水箱、极板（分动极板及静极板）、传动机构、限位机构（行程开关）及相关电器元件，如继电器（或PLC）、时间继电器、接触器、按钮、指示灯等状置构成，主要适用于400V、3kV、6kV、10kV各个电压等级，功率范围从500kW-30000kW。
1.3运行过程：运行过程如下：电机开关柜合闸的同时，水阻柜接收到真空断路器运行信号，动极板自上而下开始运行，在设定的时间内电阻值逐渐下降，当电阻接近于零时，安装在水阻柜内的真空接触器吸合，电机启动完成，经过延时几秒后，动极板自动复位至原始状态，等待次启动。如水阻柜在预定的时间内起动没有完成就会发出一个故障报警信号，自动切断开关柜，确保电机不开路。1.4运行原理：对于笼型电机而言，液体电阻起动柜有两种方案，对于星型接法的电机，如星点能够打开，原理与绕线电机水阻柜的原理基本相同（水阻相当于串在转子上，当启动完毕后，再用水阻自带的断路器或者真空接触器把电机星点短接），对于角型接法或星点不能打开的笼型电机，水阻柜只能串接在定子回路中，电机启动完毕后需要将水阻柜用断路器隔离开，以防水阻柜长期带电引发安全事故。目前，不少水阻柜生产厂家在设计及生产时为降低成本，水阻柜只采用一台真空断路器，电机启动完成后水阻柜仍然带电，这是不安全的，万一水箱受损，液体泄露，必定引发安全事故。
1.5水阻缺点：水阻的效率低，只能做软启动。如果作为调速，必须将水阻柜箱体（液体电阻部分）长期带电，一旦出现箱体漏液或者液体电阻减少或者干枯，必出现生产事故或者安全事故。并且由于箱体液体电阻长期带电，发热严重，要有外围散热设备才能维持运行。所以相对人力维护成本也会增加。 
二、变频器：2.1变频器结构原理：HARSVERT-A系列高压变频器是由北京利德华福电气技术有限公司生产，具有自主知识产权，适合国内电网特性，符合国内用户使用习惯的调速系统。该系统为电压源型高压变频器，具有运行稳定、调速范围广、输出波形好、输入电流谐波低、功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，不必采用输入谐波滤波器，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。HARSVERT-A系列高压变频器采用单元串联多电平PWM拓扑结构（简称CSML）。由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出,高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；精确的故障报警保护；具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠。电网电压（10kV）经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电机。10kV输出电压每相有8个额定电压为700V的功率单元串联而成，输出相电压5600V，线电压达到10kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/8的相电压和1/24的输出功率。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。对10kV输出电压，给24个功率单元供电的24个二次绕组每3个一组，分为8个不同的相位组，互差60/8度电度角，形成48脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，输入功率因数可以达到0.96以上。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且输出电平数增加。电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音、转矩脉动等都大大降低，可以直接用于普通异步电机，不会产生输出电缆较长时行波反射引起的浪涌电压增加而造成电机绝缘破坏问题。
2.2变频器优点及缺点(1)优点：功率单元采用模块化结构，同一变频器内所有功率单元结构上完全一致，可以互换。减少备品备件备库。输入干式变压器免维护，可靠性高。变压器的防护与变频器共同防护为IP21防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。    高效率(>96%)，输入功率因数高(>0.95)，电流谐波少(<4%)，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达1000米；减少配件的损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。    高的调速精度和精确的输出频率分辨率(0.01HZ)，输出频率0.5Hz—120Hz连续可调，完全可以满足电力机组生产工艺工况的要求；电机可实现软启动、软制动，转速自动控制；启动电流小于电机的额定电流；电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响。变频器预装具有自主版权的全中文操作和监控软件，本机及远程启停操作、功能设定、参数设定、故障查询、运行记录查询等均采用全中文的WINDOWS操作界面；配备7寸彩色液晶触摸显示屏，可实现完整的通用变频器参数设定功能，可打印输出运行报表；调整触摸式面板，可随时显示电压及电流波形、频率和电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态；具有很强的诊断、指示能力：可检测变频器各部分的运行状态，完整的故障监测电路、精确的故障定位，所有的功率模块均为智能化设计，当有故障发生时，将故障信息返回到主控单元中，主控单元会及时将主要功率元件IGBT关断，保护主电路，同时在中文人机界面上精确定位显示故障位置、类别，使故障点一目了然，适应于一般操作工人和维护人员的技能水平。变频器直接内置有PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；与机组的DCS系统实现真正的无缝接口。同时也可以根据用户要求提供MODBUS,PROFIBUS,TCP/IP协议通讯。采用外部模拟信号控制变频器输出频率时(变频器作为DCS的执行机构)，如果发生模拟信号掉线或短路时，变频器可以提供报警信号，同时保持原有输出频率不变。变频器控制电源可接收双路交流220V输入，并配备有UPS，在控制电源任意一路交流电掉电后可以切换到备用电源。当两路都交流电都断开，UPS也可以继续维持运行接近30分钟。可以继续运行，同时提供报警。(2)缺点：一次性投入过高。
三、水阻和变频器的结合3.1变频器节能原理：风机和水泵，前者工作介质为液体，均属于流体机械设备。以下就以风机为例说明他们的调速工作原理。由上图可以看出，风机工作的位置，即风机的风量是由风机特性曲线（风压特性）和管网特性曲线（风阻特性）决定的，无论是改变风机的特性曲线，或者是改变管网特性曲线，都可以达到改变风量的目的。图中：风机特性曲：线HA=kQ12、K——风机特性系数；管网特性曲线  HA=Hc-λQ12、λ——管网特性系数。变频工作方式是指管网特性曲线保持不变，而改变风机的特性曲线。通常采取的方式是保持管网特性曲线不变，即不改变风机出口的大小，而改变风机的特性曲线，即改变风机的转速，达到改变风量的目的。如下图所示：风机工作在A点时，其功率为PA＝H1×Q1/102；风机工作在B点时，其功率为PBH2×Q2/102 。Q2<Q1，而且 H2>H1，所以PA与为PB的值变化较大，说明采用变工频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小很大，节能效果显著。由流体力学的原理可知，电机转速与流量、压力、耗能的关系如下：输出流量Q与转速n成正比;Q1/Q2=n1/n2 （1）输出压力H与转速n2正比: H1/H2=(n1/n2)2（2）输出轴功率P与转速n3正比:P1/P2=(n1/n2)3（3）如果说，100%转速-100%流量-100%压力-100%输出功率    而，80%转速- 80%流量- 64%压力- 51.2%输出功率    就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降20%时，风机轴功率将下降49%。这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。     变频调速在水泵应用上和风机有所区别。在很多场合，负载管路特性的改变是用户用水量减少（即用户人为关阀）造成的。不满足负载特性不变的条件，所以相似定理并不成立。水泵在调速过程中还往往要求压力恒定，这时水泵的工作点变化将如下图所示：流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A变为B点，压力将升高，威胁管网安全；如果通过调速方式，水泵工作点将由A变为C点，在提供需要的流量的同时，保持压力不变。水泵在B、C两点的输出功率差为：PB－PC＝（H3－H2）×Q2。    在A、C两点，尽管水泵速度不同，但由于在两种情况下水泵所承担的流量不同，其出口压力和外管网压力仍然保持平衡。由于压力平衡的需要，水泵并联运行时，调速水泵的速度不能低于N3，否则将出现根本不对外出水的现象。非但不节能，还出现水泵空转耗能的现象。    如果在管网特性不变的系统中进行水泵调速，并且对水压没有要求，这种情况就和前面提到的风机调速类似，节能效益比恒压供水要显著得多。
四、变频器和水阻结合既然变频器既有节能效果又有软启动功能，国家又提倡节能减排，国内价格又趋于平稳，为了响应国家号召，很多新建项目就在考虑用变频器，而在电网容量有限的地方，水阻也可以作为变频器的备用，那么水阻和变频器怎么结合呢？下面介绍一下，这同样适合之前用水阻的变频器改造。结合原理图:硬件回路上只需要将水阻柜和变频器并联起来即可，这样水阻上口和下口均用隔离刀隔离开，保证变频器运行时，水阻不长期带电，保证人身安全。另外，QS42和QS44作为机械连锁，保证不会同时合上，这样变频器和水阻分别运行时都能保证对方设备的安全，同理在输入侧QS41和QS43。（此针对笼型电机，如果水阻串入转子也就是说电机是绕线电机，怎么办，采用变频器改造带水阻的设备，而电机又是绕线电机系统，为了实现全频率范围内的恒转矩控制。转子绕组已没有必要外接电组。为避免电刷与集电环之间因接触不良引起故障，将与集电环相接的三根线之间用导线短接，并将电刷举起。如果需要保留原绕线式异步电动机转子串电阻的调速需要，仅需要增加一个高压接触即可。在变频状态，接触器吸合，将转子将与集电环相接的三根线短接。在变频器需要检修或退出运行时，接触器断开，电机恢复原绕线式异步电动机转子串电阻的调速方式。软件回路上如果QS42和QS44，QS41和QS43具有机械连锁，软件上不需要做任何修改即可实现变频器改造水阻。
五、总结：从原理上讲变频器改水阻是完全可实施的方案，从水阻柜和变频器的优缺点上看，变频器改造水阻柜响应了国家节能减排政策，进而取代水阻柜是大势所趋。