景洪電廠變頻器替代軟啟動器的改造方案探析

宗開華 ，劉 錦 ，江磊 ，吳夢婷 ，田 博

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司景洪電廠,云南 景洪 666100；2.西安航天自動化股份有限公司,陜西 西安 710065）

1 引言

油壓裝置是水電站中為液壓設(shè)備提供壓力能源的設(shè)備，目前廣泛應(yīng)用于水電站機(jī)組控制系統(tǒng)，如水輪機(jī)組調(diào)速和機(jī)組控制系統(tǒng)、大型水泵站以及進(jìn)水閥門、空放閥等，其他需用壓力能源的地方均可選用。油壓裝置穩(wěn)定、安全、可靠是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)速器系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。

油壓裝置和其用油設(shè)備構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)油路。電動機(jī)帶動油泵旋轉(zhuǎn)時(shí)，回油箱內(nèi)的油液經(jīng)濾油器過濾后，由吸油管吸入，經(jīng)油泵后到達(dá)油泵高壓腔。在電動機(jī)啟動的瞬間，由于組合閥中低壓啟動閥的作用,壓力油經(jīng)主閥被排至回油箱，油泵電機(jī)在低負(fù)載下運(yùn)行。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速后，壓力逐漸建立，低壓啟動閥關(guān)閉，主閥控制腔的壓力隨之建立，將主閥關(guān)閉。當(dāng)壓力升至額定值后，壓力油推開組合閥中的單向閥經(jīng)濾油器、截止閥進(jìn)入壓力油罐內(nèi)。需用壓力油時(shí)，壓力罐內(nèi)的壓力油經(jīng)電動球閥送至工作系統(tǒng)的各用油部件，工作后的回油排入回油箱，這樣就構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)的油路系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)背景

景洪電廠位于云南省西雙版納州景洪市，距離昆明約575 km，距景洪市區(qū)約5 km。改造前的電廠5 號機(jī)調(diào)速器油壓裝置設(shè)置一套控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由2 臺油泵電機(jī)軟啟動器、1 套PLC控制系統(tǒng)、繼電器、操作按鈕、觸摸屏等器件組成，其中2 臺油泵電機(jī)啟動方式采用“軟啟動”方式，油泵電機(jī)啟動時(shí)，由于產(chǎn)生的電流大，對廠用電系統(tǒng)的電網(wǎng)有沖擊。所以電廠決定對調(diào)速器油壓裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行采用變頻器啟動的方式更換改造。

3 可行性分析

電動機(jī)啟動分為全壓啟動和降壓啟動兩種，全壓啟動也稱直接啟動，是最常用的啟動方式，他是將電動機(jī)的定子繞組直接接入電源，在額定電壓下啟動，具有啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動時(shí)間短的特點(diǎn)，也是最簡單、最經(jīng)濟(jì)和最可靠的啟動方式[1]。一般功率小的電動機(jī)可以采用直接啟動方式，因?yàn)樾」β孰妱訖C(jī)的啟動電流不是很大，對電路系統(tǒng)的影響不是很明顯。

而大功率電動機(jī)啟動電流大，電機(jī)啟動時(shí)會導(dǎo)致電網(wǎng)供電線路產(chǎn)生較大的電壓降，需要采用降壓啟動，典型的降壓啟動方式有采用自耦變壓器降壓啟動、星三角降壓啟動、軟啟動器和變頻器啟動，還有串電阻啟動等方式。

電動機(jī)采取直接啟動還是降壓啟動方式要根據(jù)實(shí)際情況來定，其主要取決于電動機(jī)所在的母線系統(tǒng)承受的電流，一般電動機(jī)容量超過變壓器容量的5%～10%就要采取降壓啟動，在不同容量的電力系統(tǒng)中能夠直接啟動的電動機(jī)功率標(biāo)準(zhǔn)是不同的，有要求在11 kW以下，有的是在18.5 kW以下。

景洪電廠5 號機(jī)調(diào)速器油壓裝置所用的油泵電機(jī)功率為132 kW，可采用軟啟動器和變頻器兩種降壓啟動方式。

3.1 軟啟動器特點(diǎn)

軟啟動器是一種具有軟啟動、軟停止、輕載節(jié)能和定時(shí)低速運(yùn)行等多種功能的電動機(jī)控制裝備。它可以在整個(gè)啟動過程中實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的平滑啟動，還能根據(jù)電動機(jī)所帶負(fù)載的特性來調(diào)整各種啟動參數(shù)，如過流值、過扭矩值、啟動時(shí)間等。

目前常用的軟啟動器所依據(jù)的理論是電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的調(diào)壓調(diào)速原理，在降低啟動電流的同時(shí)也降低了啟動轉(zhuǎn)矩[2]。

軟啟動器用于啟動電動機(jī)時(shí)是個(gè)調(diào)壓器，它的輸出可以改變電壓，電動機(jī)在啟動的時(shí)間內(nèi)，端電壓從設(shè)定的初始值逐步增大至全電壓，使電機(jī)平滑且無級地加速至額定轉(zhuǎn)速。同時(shí)，可調(diào)節(jié)的啟動時(shí)間有效地防止低壓斷路器的瞬時(shí)脫扣器在啟動時(shí)產(chǎn)生誤跳閘現(xiàn)象。

因此軟啟動器在工業(yè)、民用建筑領(lǐng)域的動力控制設(shè)備中具有傳統(tǒng)降壓啟動方式不可比擬的優(yōu)越性。

3.2 變頻器特點(diǎn)

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變頻率控制交流電動機(jī)的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)降壓的啟動功能，它主要由整流、逆變、濾波、制動和驅(qū)動單元等組成。依靠開斷內(nèi)部的IGBT來調(diào)整電源輸出的頻率和電壓，以達(dá)到調(diào)速和節(jié)能的作用，同時(shí)，變頻器還有防過載、防過流、防過壓保護(hù)等功能。

變頻器是工業(yè)自動化控制領(lǐng)域技術(shù)含量高、控制功能全、控制效果好的電動機(jī)控制裝置，主要用于調(diào)速要求較高的控制領(lǐng)域，因?yàn)閮r(jià)格比軟啟動器昂貴，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多，所以對維護(hù)技術(shù)人員提出了更高的要求，但是隨著工業(yè)自動化程度不斷地提高，變頻器在電力、水力、煤炭、化工、水泥等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

3.3 變頻器優(yōu)勢

軟啟動器和變頻器的共同點(diǎn)是二者都能起到電動機(jī)降壓啟動的作用，但是兩者又是不同用途的產(chǎn)品。變頻器是通過改變電動機(jī)供電電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段[3]。而軟啟動器的輸出只能改變電壓而不能改變頻率，不具備調(diào)速功能。

通過軟啟動器啟動的電動機(jī)，是在接近全壓時(shí)才啟動的，不能實(shí)現(xiàn)零壓啟動，它的啟動電流大，會對廠用電網(wǎng)造成一定程度的沖擊，因此對廠用電網(wǎng)的容量有一定的過高要求，不僅如此，電動機(jī)啟動時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動還會影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，對其他使用設(shè)備和相應(yīng)的管路損害較大、縮短了其使用壽命。而變頻器的軟啟動可以控制啟動速度，延長啟動時(shí)間，使啟動電流從零逐步升高至固定的額定電流，可以極大地減輕對廠用電網(wǎng)的沖擊力，對使用設(shè)備和相應(yīng)的管路使用壽命有利。

4 改造過程

4.1 軟啟動器控制原理

經(jīng)過以上可行性分析，景洪電廠對5號機(jī)調(diào)速器油壓裝置的油泵電機(jī)由軟啟動器啟動改造為由變頻器啟動，改造前的軟啟動器的主回路控制原理見圖1。

圖1 軟啟動器主回路控制原理圖

從主回路原理圖分析，控制回路通過中間繼電器K1 的線圈得電，再由K1的觸點(diǎn)閉合來觸發(fā)軟啟動器的主回路接通，使油泵電機(jī)平滑地啟動直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，啟動完成后，軟啟動器內(nèi)部的R2A和R2C接通，發(fā)出油泵電機(jī)運(yùn)行的無源開關(guān)點(diǎn)信號。當(dāng)控制中間繼電器K1 的線圈失電，K1 的觸點(diǎn)就會斷開，導(dǎo)致軟啟動器的主回路切斷，實(shí)現(xiàn)油泵電機(jī)停止運(yùn)行。

油泵電機(jī)一旦出現(xiàn)過熱、過流、過扭矩等狀況時(shí)，軟啟動器內(nèi)部的R1A和R1C斷開，發(fā)出控制故障的無源開關(guān)點(diǎn)信號。

4.2 變頻器控制原理

變頻器的啟動控制主回路與軟啟動器類似，改造后的變頻器的主回路控制原理見圖2。

圖2 變頻器主回路控制原理圖

變頻器的控制回路也可以通過中間繼電器K1 的觸點(diǎn)閉合來觸發(fā)主回路的接通，現(xiàn)場啟動時(shí)間設(shè)置為30 s，比軟啟動器的啟動時(shí)間5 s更長，油泵電機(jī)啟動電流至正常運(yùn)行過程中始終較小，所以對廠用電網(wǎng)的沖擊小。

變頻器內(nèi)部的XR02 的NO和COM在油泵電機(jī)啟動完成后同樣發(fā)出接通的運(yùn)行無源開關(guān)點(diǎn)信號。當(dāng)中間繼電器K1 的線圈失電，會切斷主回路，油泵電機(jī)停止運(yùn)行。通過XRO3的NO和COM發(fā)出電機(jī)故障的無源開關(guān)點(diǎn)信號。

5 自動運(yùn)行流程

油泵電機(jī)啟動完成后的正常運(yùn)行，與卸荷閥的加載是調(diào)速器油壓裝置系統(tǒng)完成補(bǔ)氣、補(bǔ)油動作的前提條件。

當(dāng)油壓裝置的壓縮空氣泄漏到一定數(shù)量時(shí)，壓力油罐內(nèi)的油壓油位會高出正常油位，此時(shí)回油箱內(nèi)油位低于正常油位。利用補(bǔ)氣閥和中間油罐共同作用，使油泵電機(jī)每次啟動和卸荷閥加載后，系統(tǒng)自動開啟補(bǔ)氣閥向壓力油罐補(bǔ)充一次壓縮空氣，完成一次自動補(bǔ)氣。

圖3 補(bǔ)氣控制流程圖

油壓裝置的作用是向調(diào)速器提供穩(wěn)定的壓力油源，回油箱油位保持為規(guī)定值。當(dāng)壓力油罐的壓力因供油而下降到規(guī)定值時(shí)，壓力罐內(nèi)壓力會降到低壓設(shè)定值，壓力開關(guān)動作，系統(tǒng)啟動主用泵從回油箱清潔油區(qū)吸油送到壓力油罐。當(dāng)壓力油罐輸出油量大于主用泵輸出油量或主用泵未能在設(shè)定值時(shí)啟動，導(dǎo)致罐內(nèi)壓力繼續(xù)下降，當(dāng)降至下一個(gè)低壓設(shè)定值時(shí)，備用壓力開關(guān)動作，啟動備用泵，當(dāng)其壓力達(dá)到高壓規(guī)定值時(shí)，控制油泵電機(jī)組停止工作，保證回油箱油位為規(guī)定值，這樣完成了一次自動補(bǔ)油過程，系統(tǒng)中的回油返回回油箱污油區(qū)，通過過濾網(wǎng)過濾后進(jìn)入箱內(nèi)凈油區(qū)，以備下一輪循環(huán)使用。

圖4 補(bǔ)油控制流程圖

6 結(jié)語

景洪電廠5號機(jī)調(diào)速器油壓裝置電氣控制使用的變頻器是專業(yè)性較強(qiáng)的傳動系統(tǒng)，在整個(gè)項(xiàng)目甚至電廠運(yùn)行中都占有比較重要的地位，本系統(tǒng)的變頻器采用了成熟的、性能穩(wěn)定的世界知名品牌的ABB公司的產(chǎn)品，在器件選型上設(shè)計(jì)合理，2臺采用統(tǒng)一的型號設(shè)備可以節(jié)省備品備件的使用數(shù)量，減少其后期的維護(hù)費(fèi)用，使得后期的維修更加方便。油泵電機(jī)的運(yùn)行與補(bǔ)氣、補(bǔ)油裝置運(yùn)行流程在設(shè)計(jì)上采用了防止油罐過壓、液位過高的事故極限保護(hù)閉鎖關(guān)系。此外，流程中的油泵電機(jī)超時(shí)運(yùn)行保護(hù)具有及時(shí)停機(jī)的緊急安全處理功能。

通過景洪電廠5號機(jī)調(diào)速器油壓裝置的運(yùn)行實(shí)踐，其油泵電機(jī)啟動電流小、運(yùn)行狀態(tài)與配套的補(bǔ)氣、補(bǔ)油裝置的邏輯動作正確，改造后的油泵電機(jī)變頻器啟動比改造前的軟啟動器在啟動過程中對廠用電網(wǎng)的沖擊明顯減小，達(dá)到了調(diào)速器油壓裝置的安全生產(chǎn)運(yùn)行要求。其改造方案可在以后的大功率電動機(jī)啟動的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。