浅谈变频调速系统在水电站起重设备的运用

摘要：本文介绍了水电站起重设备中变频器调速系统的电路设计、安装、参数调整、常见故障及对策。 关键词：水电站起重设备 变频器调速系统 设计、安装调试 目前人们所说的变频调速系统,主要指利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能来控制交流电动机的转速的调速系统。变频调速系统以其优越直流传动的特点，在很多场合都作为首选的传动方案。在水电站主要运用在主厂房桥机、坝顶门机和尾水门机重要的起重设备上，通常这些设备起重量大（最大可大1000多吨），起重性能要求调速范围大，可靠性高。在这一领域已经取代直流传动和转子串电阻交流调速系统，得到了广泛运用。本文仅就个人体会谈一谈水电站起重设备中变频器电路设计、安装、参数调整、常见故障及对策，希望与同行共勉。 一）变频器电路设计 水电站桥机或门机传动负荷分为摩擦类负荷和位能式负荷，摩擦类有：大、小车行走机构，其中大车行走由多台电机驱动；位能式有主、副起升机构，其中主起升机构可能有多台电机驱动。速度一般分为3档或5档，在司机室用凸轮控制手柄来控制各套机构多档速运行。 变频器的选择分为品牌的选择和型号的选择，由于桥机或门机在电站的重要性要求变频器具有很高的可靠性，通常选用国外知名品牌如西门子、ABB、日本安川、施奈德等产品。我个人认为西门子系列功能齐全，参数设置复杂，难学不易掌握，适合大型系统复杂的门机、桥机设备和经验丰富的设计人员；ABB和安川的产品功能较齐全，参数设置简单，通俗易懂，当然对不同品牌的产品个人喜好不同，因人而宜。 变频器型号选择： 对于行走机构变频器起动转矩一般要求额定转矩的150%左右，制动转矩一般要求额定转矩的100%左右，所以变频器应选择具有恒定转矩特性，而且起动和制动转矩都比较大，过载时间和过载能力大的变频器，功率可选择与电动机功率同一档型号，带多台电机行走机构的变频器可选择比电动机总功率大一档型号，一般应配置制动单元，其型号可采用推荐值。 对于起升机构变频器一般要求大的起动转矩和能量回馈功能，能够快速实现正反转，变频器应选择具有四象限运行能力的变频器，功率一般选择比驱动电机功率大一档的型号，制动单元为必配，其型号一般比推荐值大一型号。 变频器控制方式有u/f、无传感器的磁通矢量（开环）控制、带传感器的磁通矢量控制（闭环）等方式。对于行走机构一般采用u/f控制，特别是对于变频器带多台电机的行走机构只能采用u/f控制；对于起升机构可采用开环、闭环控制两种方式，闭环控制调速性能更稳定，更安全，且仅仅增加了传感器，成本增加不多，所以得到广泛运用。 在大功率变频器输入端考虑到高次谐波对电网的污染，增加电抗器；输出端考虑到下降时电机处于发电机状况，回馈电能产生的高次谐波对其他设备的干扰，一般应装设输出电抗器。功率较小的变频器可以不考虑。 变频器与电机间动力电缆应选择屏蔽电缆，屏蔽电缆可降低高次谐波对其他设备（如荷载、高度、速度传感器，PLC通信线）的干扰，提高系统的稳定性。变频器与电机间距离应尽量短，降低高频载波电流损失，保证电机正常运行。 调速系统的控制电源应选用变压器隔离，避免高次谐波直接耦合到控制回路，干扰控制信号。 二）变频调速系统的安装应注意的问题  变频器的安装应注意散热，盘柜内的应装散热风扇，对于装在受暴晒的门机大梁内的应装设空调。  电缆敷设时动力线和控制、信号线应注意尽量分开，减小干扰。在盘柜内应一侧走动力线，另一侧走控制信号线；柜外应分槽敷设，在滑线架上应该分层布置。  屏蔽线的安装：屏蔽层应尽量靠近电缆终端接地，增加保护长度；同时接地时应使用卡子把屏蔽层和电缆一起压紧，避免把屏蔽层拧成一股，这样可减小高频阻抗，增强高频电流回流能力，降低高次谐波的干扰。屏蔽线应两端接地（两端地电位应确保相等）。  门、桥机变频调速系统接地：应保证大车、小车和地电位相等，保证屏蔽线两端电位相等，避免屏蔽层当地线而烧毁屏蔽线。在水电站门机、桥机轨道接地良好，通常用带弹簧压力的接地触头压在轨道上，没有触头的一般应增设专用较大截面的地线。轨面上的油漆等应刮干净，确保接触良好。变频器、盘柜、电机等应焊专用镀锌地桩。 三）参数的设置 常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足门机、桥机传动系统的要求。所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行： （1）确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。 　　（2）变频器采取的控制方式如u/f、无传感器的磁通矢量控制、带传感器的磁通矢量控制等方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。动态辨识时应注意，打开与减速箱的连轴器，使电机空载辨识，避免变频器自学习时因电机参数不准确而造成控制精度降低或误动等故障。　 　 （3）设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。 （4）给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。 四）常见故障及对策 1、参数设置类故障的处理 一旦发生了参数设置类故障后，变频器都不能正常运行，一般可根据说明书进行修改参数。如果以上不行，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后按上述步骤重新设置。案例：三峡450吨门机40吨回转由于动态辨识中未拆连轴器，电机参数辨识不准确导致试运转中电机转矩失控故障。 2、过压类故障 　　变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud= 1.35 U线＝513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。因此，变频器来说，都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器，常见的过电压有两类：a、输入交流电源过压，这种情况是指输入电压超过正常范围，在水电站施工阶段发生较多。 b、发电类过电压，这种情况出现的概率较高，主要是电机的实际转速比同步转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元。案例：恩施大龙潭电站80吨坝顶门机行走机构变频器未装制动电阻，停车时经常报过压故障。　　　　 3、过流故障 　　过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。 4、过载故障 过载故障包括变频过载和电机器过载。其可能是加速时间太短，直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。 5、其他 线路设计问题，案例四川狮子坪电站125吨桥机，额定电压为220V的凸轮控制器用在24V的变频器控制系统，造成控制线路接触不良，桥机有时动作，有时不动作的故障。解决办法是加装中间继电器。 高次谐波干扰问题，由于接地不良、未使用屏蔽电缆、动力控制未分开、设备抗干扰能力弱等原因，都可能导致设备不能正常运行。逐条检查，若是设备抗干扰能力差，则应更换设备或降低设备输出精度。案例：三峡450吨门机主起升（两台变频器，两台电机拖动）其中一台速度传感器受到干扰，经检查安装质量良好，为找到干扰原因，确认是设备抗干扰能力问题，调试时把两台传感器精度稍微降低后，运行回复了正常。 由于变频调速系统在低速区运行时，谐波对电机的转矩影响较大，电机转矩相对较小，因此特别是低速一挡可能带不动额定载荷，此时应该迅速提高档位。案例：三峡450吨坝顶门机在大车（两台变频器，8台电机）首次行走时（摩擦力较大），档位在一挡（5HZ）、二档(10HZ)不能动作，检查电气、机械无故障后，把档位迅速升值5档，前后多次运动后，桥机才正常运行。 参考文献： 1. 《变频调速控制系统的设计与维护》，山东科学技术出版社，曾毅等 2. 《交流调速系统》，机械工业出版社 陈伯时 陈敏逊 编著 3. 《大功率交－交变频调速及矢量控制技术》，机械工业出版社 马小良 编著