勤德时成功将英威腾GD200变频器应用于隧道通风系统_勤德时_隧道通风系统

勤德时成功将英威腾GD200变频器应用于隧道通风系统

2013/11/22 16:45:44

　　1 概述

　　1.1 项目背景

　　太原至古交高速公路路线起点位于太原市万柏林区西山，终点位于古交市河口镇，全线长23.404米，其中主线全长20公里(KO+000~K20+000)、东社1.427公里、连接线1.977公里。其中太原西山隧道左洞主线长 13654 米(ZK1+006～ZK14+660)、右洞主线长 13570 米(YK1+010～YK14+580)，周家山隧道左洞主线长 1380 米 (ZK14+885 ～ZK16+265)、右洞主线长1345 米 (YK14+985 ～YK16+330)。

　　太原西山隧道平均海拔标高为921m，左线隧道长度为13654m，采用一0.4%(10934m)、+0.715% (2720m)的人字坡:右线隧道长度为13570m，采用+0.4%(10930m)、一0.715%(2640m)的人字坡。隧道内轮廓建筑限界宽10.75m，高5.0m，净空面积为62.66m2，当量直径为8.084m。隧道内设计最大行车速度为80km/h，按上下行分离式设置。

　　周家山隧道平均海拔标高977m，左线隧道长度为1380m，采用一2.643%的单坡，右线隧道长度为1345，采用2.607%的单坡。隧道内轮廓建筑限界宽10.75m，高5.0m，净空面积为62.66m2，当量直径为8.084m。隧道内设计最大行车速度为80km/h，按上下行分离式设置。

　　隧道建成运营后，日交通量有较大波动且远小于设计日交通量，显然隧道需风量远小于风机系统供风量，而此通风系统为工频全负荷运行，不能跟随隧道内车流量、隧道环境的变化自动调节供风量，电能利用率低、耗电量过大，造成资源浪费。

　　1.2 太古线隧道功能及设计标准

　　公路隧道的通风原理，是通过向隧道内注入新鲜空气，稀释洞内机动车排出的废气和烟雾，使得隧道内的空气质量和烟雾透过率能保证司乘人同的身体健康和行车安全。隧道内的废气总量和烟雾浓度，与汽车的排污强度以及隧道内的车流密度成正比;而送入隧道内的新风量又取决于保证隧道内的空气质量的卫生标准。

　　1)隧道通风系统的主要功能为：改变隧道内空气的化学组成和气候条件，使之满足人员驾乘和车辆运行的卫生和安全要求，以保证隧道正常运营。同时，当隧道内发生火灾时，限制火灾蔓延，并为灭火工作创造条件。

　　2)西山隧道左右线隧道通风采用斜井竖井送排式纵向通风方式，隧道送排风利用通风竖斜井及射流风机;周家山隧道采用纯射流风机纵向通风。

　　3)洞内通风标准

　　根据《公路隧道通风照明设计规范》，通风标准取值如下：

　　一氧化碳(CO)最大允许浓度

　　δ=250PPM(正常运营)

　　δ=300PPM(交通阻滞)

　　烟尘(VI)最高容许浓度

　　交通阻滞(隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为10KM/h)时，阻滞段CO平均设计浓度可取300PPM，经历时间不超过20min。阻滞段的计算长度不宜大于1KM。1KM以外区载的行车速度取为40KM/h.正常交通时，洞内一氧化碳浓度CO≤200ppm，烟雾浓度K≤0.007~0.0075m-1;

　　隧道烟尘允许浓度K(m-1)

　　《公路隧道通风照明设计规范》3.4.6条规定：隧道空间不间断换气频率，不宜低于每小时5次，交通量小或特长隧道，可采用每小时3~4次。规范中3.4.6条还规定：采用纵向通风的隧道，换气风速不应低于2.5m/s。太原西山遂道换气次数近期取3次，远期取4次。

　　1.3 射流风机、轴流送风机及轴流排风技术指标

　　1)射流风机：

　　2)竖井轴流风机性能参数

　　3)斜井轴流风机性能参数

　　2 项目概述

　　太原至古交高速公路隧道的原设计预测交通量近期 (2023年)平均日交通量为24942辆/日(小车)，远期(2032年〉平均日交通量为32027辆/日(小车)。隧道自2012年7月通车以来，日交通量较大波动，且远小于原设计近期预测交通量; 而通风风机的选型又是依据原设计远期预测需风量;再加上隧道通风系统在设计过程中，需要考虑过载、重载启动、系统安全等因素，一般都再留有5%～10%的安全余量;因此隧道风机存在较大的裕量。太原至古交高速公路隧道通风控制部分现采用前馈—反馈复合式控制法，即按引起隧道污然物浓度变化的主要干扰因素—车量作为前馈输入信号的前馈控制系统，和按污然物浓度偏差进行控制的反馈控制系统共同组成的前馈—反馈复合式控制系统来控制风机的运行，供给必要的新鲜风量，稀释烟雾浓度和CO浓度，达到设计要求卫生和安全标准。这种控制种由于风机为工频运行，故风量的调节为有级调节，原设计方案中有且存在大量的电能浪费现象，尤其是火灾工况下的通风控制系统不完善，都会对太古高速公路隧道的正常运营通风以及防灾救灾带来极大的隐患。由于风机工频运行，风量可调节范围非常小，造成电能利用率低、耗电量过大，资源浪费严重。

　　由于如上所述诸多的原因，现建议对原系统增加变频控制系统，通过增加变频控制系统，可使通风控制系统具备以下特点：

　　1、风机实现无级调速，风量可调范围大大增加。

　　2、增强通风控制系统中的动态响应性，对CO及烟雾浓度控制更精准。

　　3、使通风控制系统更加数字化，智能化。

　　4、提高网侧功率因素

　　a.电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.84左右，实际运行功率因数远低于0.8;采用变频调速系统后，电源侧功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能明显减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。

　　b.提高网侧功率因数，无功节电明显，无功节电的意义在于降低车间供电母线的线路损耗，降低车间配电变压器的二次电流，节约的无功电流可以出让给电网中新安装的设备，从而化解了新增设备后的车间配电变压器增容问题。同时，无功电流的减少可以降低电力变压器的运行温升，从而延长电力变压器的使用寿命

　　5、降低设备运行与维护费用

　　a.采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机和风机的转速也同时降低，主设备及相应辅助设备磨损较之前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长。

　　b.变频改造后阀门开度可达100%，运行中不承受压力，可显著减少挡板的维护量;变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。

　　6、延长设备使用寿命

　　a.使用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。

　　b.变频器的启动、停止时间是任意可调的，也就是说启动时的加速度和停车时的减速度是任意可调的，同时为了平稳启动，还可以匹配其具备的S型加减速时间，这样可以将电机启停时产生的冲击减少至最小，这是其他驱动设备难以达到的。

　　c.在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减少;风机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音，可明显改善现场作业环境，为职业卫生管理中环境噪音污染治理它提供有效手段。

　　7、保证设备安全运行

　　a.具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善的保护电网和电机。

　　b.适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-15%～+10%之间波动时，系统均可正常运行。

　　8、节能降耗

　　根据现场运行数据初步计算，射流风机大约节电20%，轴流风机大约节电25%。

　　3 项目改造整体方案

　　本项目改造包含增加变频控制柜及布线的硬件改造和对原系统中原有PLC程序修改的软件改造两部分。

　　1、硬件改造

　　经过对太古线现场及图纸的认真分析，研究，目前射流风机变频及轴流风机(竖井斜井6000V)改造项目方案有两个：

　　方案一：

　　保证原系统完整性，对原控制系统不进行任何改动，利用原系统的网络，在原系统中的软启动器柜附近增加带PLC的变频控制柜，把变频控制柜作为一个网络接点通过交换机接入原网络，在原风机控制室增加电脑，做出上位机画面，对变频系统进行监控。

　　特点：保留原系统，对原系统改动最小，新增变频控制系统是一个相对独立系统，与原系统接口少，不需要更改原控制系统程序，技术难度小，但网络线及控制线用量较多，施工工作量大，成本较高，考虑网络容量及通讯能力。

　　方案二：

　　利用原系统中的PLC，在原系统中的软启动器柜附近增加变频控制柜，利用原有PLC发出的风机启停正反转信号来控制变频器，PLC通过增加模块或通讯方式来控制变频器转速及读取电机运行电流，电压，转速等信号，并且原有软启动柜保留，在变频器检修时使用。变频器的控制可在原通风控制系统的上位机上通过增加功能按钮来实现。

　　特点：成本低，施工工作量小，接线简单，控制方便，与原系统能融为一体。但需修改原系统程序。

　　从成本及施工难度上看建议采用方案二。

　　2.程序控制数学模型：

　　1.根据前馈—反馈复合式控制及变频控制系统的特点可根据通风试运营阶段测试及交通量的日分布规律，将日交通流量分几个档次，确定CO浓度、烟雾浓度控制值，洞内环境检测数据—CO浓度、烟雾浓度通过PLC的PID运算实时调整风机转速，进行控制CO浓度、烟雾浓度在目标范围内。并且CO浓度、烟雾浓度控制值可人工干预。

　　2.完全人工干预模式。即人工根据实际车流量及CO浓度、烟雾浓度进行人工调节变频转速功能。

　　3.特殊功能模式：在发生火灾及其他突发状况时采取的控制方式。

　　4 项目实施方案

　　根据方案二利用原有PLC系统，在尽可能的不增加模块，射流风机控制利用原来软启动器的正反转信号对变频器进行控制，变频器调速速度信号通过通讯给定。竖(斜)井轴流风机改造利用原有PLC，增加PLC模块，对高压变频器进行控制调速，风机启动前，风门全部关闭，风机启动后，风门全部打开，通过调速风机速度调整风量。

　　4.1 射流风机变频控制系统方案

　　为了保证设备运行的可靠性，在实施变频改造时，保留原系统的软启及工频运行回路，即相当于增加工频/变频旁路切换柜，使系统既可切换到工频运行，又可切换到变频运行，当设备需要检修时，系统可继续工频运行，不致造成生产中断。

　　我司提供的GD200系列低压变频器拖动控制方案一台一方案，即一台变频器对应一台射流风机，启动停止利用原系统中控制控制风机启动停止正反转信号对变频器进行启动停止及正反转控制。变频调速信号则由PLC通过MODBUS通讯给定。

　　图1原射流风机主回路图

　　图2 改造后主回路图

　　主回路具体控制原理如下：1号射流风机变频主回路进线电源从图2①处取，变频器输出直接送到图2②处，当KM15闭合时，变频运行时，KM13、KM14不允许闭合，正反转在变频器内完成，KM15与KM13/14互锁。当变频器出现故障时，KM15自动断开，系统自动恢复为原来控制方式，以原来方式进行启停。2#风机同样原来，KM25闭合时，不允许KM23、24闭合。变频器故障时KM25自动断开，系统恢复为原来控制模式，M25与KM23/24互锁。

　　图3变频器控制部分原理示意图

　　控制回路原理如下：首先由工变频转换开关来确认工作状态，正常情况下使用变频驱动，然后选择变频器自动/手动模式，当打到自动模式时，KA3得电吸合，同时KA1也处于吸合状态，则变频器根据PLC过来的正反转信号，实现正反转运行，速度命令由PLC通过MODBUS通讯指令给定;当打到手动模式时，通过按钮来控制正转继电器(KA4)、反转继电器(KA5)的吸合和断开，进而控制变频器的正反转;当变频器出现故障时，KA8吸合，断开继电器KA1、KA4、KA5，使变频器处于停机状态，只有故障排除后复位变频器才能正常运行。当要投入工频时，将转换开关打到工频状态，即KA2吸合，KA1断开，仍采用原系统回路控制。

　　变频器运行时的电流，电机频率、转速、变频器运行状态等可通过通讯传给PLC，PLC接收后，经过处理可向更高层级传输。

　　根据现场的负载额定参数和实际运行工况，射流风机变频器选型配置如下：

　　4.2 轴流风机变频控制方案

　　根据现场的负载额定参数和实际运行工况，结合我司GD5000系列高压变频器在其他工程中的应用情况，我公司为此项目配置如下变频器，其主要参数如下：

　　4.2.1 系统主回路控制方案

　　为了保证设备运行的可靠性，在实施变频改造时，一般保留工频运行回路，即增加工频/变频旁路切换柜，使系统既可切换到工频运行，又可切换到变频运行，当设备需要检修时，系统可继续工频运行，不致造成生产中断。

　　我司提供的GD5000系列高压变频器拖动控制方案有几种供用户选择，其分别为手动切换方案和带隔离自动切换方案，针对此项目需求，我们提供带隔离一拖一方案。

　　图表 2一拖一带隔离自动切换方案

　　一拖一带隔离自动旁路柜是由三个真空接触器KM1、KM2、KM3和两个刀闸QS1、QS2组成。KM3不使用，利用原有系统的高压软启动器控制回路，变频器输出真空接触器KM2和工频回路真空接触器K1互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。刀闸QS1、QS2无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全，在工频和变频运行状况下均处于闭合状态;

　　1) 在变频运行状况下，KM1、KM2闭合，K1断开。

　　如需自动切换至工频运行时，变频器系统先发自由停车命令，再由电气控制依次断开KM1、KM2，然后电气控制闭合K1，使电机切换至工频侧，使电机工频运行;

　　2) 在工频旁路运行状况下，K1闭合，KM1、KM2断开。

　　如需自动切换至变频运行时，先闭合KM1，待变频器到就绪状态后，断开K1，闭合KM2，使电机切换至变频侧，电机投入变频运行。

　　3) 各风机可单台运行，又可并列双台成组运行。

　　4.2.2 轴流风机变频控制

　　采用变频控制后，原有了风门控制系统可进行改造，加入电动执行器，能够进行风门开度反馈，可在上位机查看风门开度。变频启动风机前，风门全闭合，当变频启动达到预定速度后，风门全部打开，通过控制变频器来调整风机风量。变频器与PLC之后采用通讯，可把相应数据在上位机进行显示，通过以太网，可以向更高层级网络传输。

　　6 变频器性能介绍

　　6.1 低压变频器

　　GOODRIVE200系列变频器可用来控制异步交流感应电机和永磁同步电机。产品使用目前国际最领先的无速度传感器矢量控制技术，采用TI 的32 位DSP 芯片，实现高性能、高精度的电机控制，在提高产品的可靠性和环境的适应性的同时，强化了客户易用性和行业专业化的设计，功能更优化，应用更灵活，性能更稳定。

　　u 优化的V/F 控制

　　l 自动转矩提升+转差补偿，可实现150%的启动转矩; 0s 加速时间，可直接启动而不过流。

　　l 灵活的V/F 曲线设置，并支持V，F 分离分离—用于EPS 电源

　　u PID 功能

　　l 支持PID 休眠唤醒功能;

　　l PID 上下限可设置;

　　l PID 输出极性可选，既可实现主+PID的微调

　　u 通讯功能

　　l 485 通讯(标配);

　　l PROFIBUS DP通讯(选配);

　　u 键盘

　　l 传输距离可达150 米以上

　　l 标配数字电位器

　　l 具有参数拷贝功能

　　u 输入/输出

　　l 控制端子板可拔插，方便接线、维护;

　　l 9 路开关量输入、3 路模拟量输入、2路开关量输出、2 路模拟量输出、2 路继电器输出;

　　l 双向光耦

　　u 故障记忆

　　l 记忆了前6次故障代码，以及前3次详细的故障信息

　　u 制动单元

　　l 30kW(含)以下内置，其他选配外置

　　u 安装方式

　　l 壁挂式、法兰和落地式安装;

　　l 移动安装支架或增加附件后可满足中间独立风道安装;

　　l 半书本型设计，节省客户安装空间;

　　u 保护功能完善

　　变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。

　　u 适应电网电压波动能力强

　　电压工作范围宽，电网电压(400V)在-15%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。

　　6.1.1 技术特点

　　6.1 低压变频器

　　6.2.1 基本原理

　　英威腾GD5000系列高压变频调速系统采用多重化移相多单元串联正弦脉宽调制(SPWM)叠压技术，直接“高-高”式，功率模块为交-直-交型电压源变频调速器。

　　高压变频器是由多个单元串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。以10kV为例，高压变频器的原理结构如下图所示。电网送来的三相10kV交流电，经移相变压器，由其副边每相的二次线圈电压逐个移动相位角相7.5°，供电给8个功率单元，三相共24个功率单元，每个功率单元的额定电压为690V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为5760V，线电压为10kV可输出高压正弦波给感应电动机，在变频器运行过程中对电动机的绝缘没有影响，变频器的输出电压和输出电流均为正弦波形，变频装置对输出电缆的长度没有任何要求，能直接拖带普通高压电机，并且彻底消除谐波引起的电机发热现象。

　　6.2.2 系统优势特点

　　GD5000系列高压变频器调速系统是我公司自主研发、设计的新一代高压(同步/异步电机)三相交流电动机的调速、驱动装置，具有以下优异特点：

　　1) 自主开发的高性能的无速度传感器矢量(异步/同步电机)控制技术，精度高、动态响应快，变频器效率96%以上。

　　2) 内置PID调节器，可实现闭环运行。

　　3) 兼容V/F控制矢量化的功能。即优化V/F控制技术，使得V/F控制动态响应性能能够达到接近矢量控制的水平。并具有低频自动转矩提升功能，能够在低频下获得较好的低频转矩特性。

　　4) 优良的低频补偿性能。通过采用先进的死区补偿和低频抑制振荡算法，在矢量控制和V/F控制方式下，低频时具有很好的输出性能。

　　5) 瞬停不停，主电路掉电(1-5)s不停机，保证了因系统电源瞬时停电带来设备突然停机的不良影响。

　　6) 优化的过压失速功能。优化过压失速，就是采用母线电压闭环的技术，使得可以快速减速而不报过压故障。

　　7) 双频制动功能。使产品停机时间大大缩短。同时避免了因加速停机而引起的过压问题。

　　8) 主/从控制功能。实现了皮带机的多电机驱动控制。

　　9) 变频用电量统计功能。

　　10) V/F分离功能。