变压变频调速（共4篇）
变压变频调速 篇1
目前,随着大功率高频电力电子元器件和高速数字信号处理芯片的诞生,数字变压变频调速系统由于自身优越的调速性能,已经被广泛应用在交流调速系统中。交流调速的方法大致可以分为以下几种:变极调速,串电阻调速,降压调速,串级调速和变频调速。除去变频调速以外的其他调速方法,因为能源消耗大,调速成本高,性价比低,调速控制结构复杂,不便于维护等缺点,现如今已经被淘汰。交流变频调速通过改变电动机的电源频率,从而可以连续地改变同步转速,最终使电动机运转在一个较宽的范围以内。现在流行的交流变频调速方法有两种:变压变频法和矢量控制法[2]。从调速特性上看,交流变频调速系统在任何一个速度段的硬度特性,都与自然机械特性及其相似。同时,还具有调速范围宽、平滑性能优良等可以与直流调速系统相媲美的优良调速特性。
数字变压变频调速系统由于运行的经济性、调速平滑性以及调速机械特性等优良性能,已经广泛应用于数控机床、煤矿风机以及提升机、泵类、传送带、给料系统、制冷系统等设备的动力源,并起到了节约能源,提高电源利用率以及提升产品数量和质量的良好效果。
1、变压变频调速系统的基本组成
变压变频调速系统基本上由五大部分组成:主回路模块(主要有智能功率模块和IGBT开关原件驱动模块组成)、检测回路模块、数字控制器模块、故障综合模块(有数据检测综合单元组成)和主控制面板模块。本系统使用德州仪器公司生产的C 2 0 0 0系列中TMS320F2812作为数字控制器的主控芯片[1],智能功率模块IPM-PS21867(Intelligent Power Module),以及电压空间矢量、数字PID等先进控制算法于一体的一款交—直—交数字式交流变频器。
由图1可以看出,主回路模块通过从单相交流输入端引入220V电源,然后经整流滤波获取逆变器所需的直流电源,再利用三相全桥逆变电路开关元件的通断控制,产生交流调速电机所需的频率可调的三相交流电。同时,在主回路上通过对过电流、过电压、过热等参数的测量,经故障综合模块引入到DSP的保护引脚PDPINTB实现对PWM信号的封锁,从而起到保护电机及其控制系统的作用。检测回路模块主要负责对电压、电流等模拟信号的采样,为实现软件调速系统的闭环控制和算法实现,起到决定性的作用。数字控制器模块综合主控制面板所传递的参数以及其它反馈信息,通过FLASH RAM中所加载的程序和CPU内核高速运算性能,实现对交流电机的全数字式控制。
2、变压变频调速基本原理
2.1 变压变频问题的提出
根据电机学原理,交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁力线的结果,其有效值如下式计算[2]:
式中:K—与电动机相关的常数;f—电源频率;Φ—电机磁通量;
由电源电压的平衡方程式为:
其中,U—电源电压;E—定子绕组的反电动势;I—定子电流(I=I1+I2);r,x—为线圈电阻和漏电感;
电源电压U的一部分产生了定子绕组的反电动势E(对应1I),另一部分消耗在由r,x组成的阻抗上(对应I2)。定子电流I一部分用于建立主磁场磁通Φ,另一部分用于产生电磁力带动机械负载。当交流变压变频调速系统电源频率f下降时,由式(2-1)可得定子绕组的反电动势E会降低;在电源电压U不变的情况下。通过式(2-2),将会引起定子电流I的增加;加入外部负载不变时(即I2不变),则I1将会增加,将会使主磁通Φ增加;由式(2-1)可得反电动势E也会增加,最终达到新的平衡点。
由于电动机的磁通量与电动机的铁芯大小有关,通常在设计时已经达到饱和状态,因此将会使电动机的磁通量无法再增加,产生电流波形畸变,减弱电磁力矩,从而影响机械特性[4]。为解决上述问题,最有效的方法是维持主磁通量的不变,设法使E/f=K=常数,这样就要求在电动机在改变电源频率f时,E也应该保持不变。因为E的大小无法控制,于是我们通过式(2-2)在阻抗压降很小的情况下,可以近似得到:U≈E,从而可以用加在绕组两端的电源电压U的调整,实现对E的调整,最终使得磁通量保持在一个恒定数值以内。
2.2 变压变频转矩补偿法
变频后机械特性的下降将使电动机带负载能力减弱,影响交流电动机变频调速的使用,因此人们想办法来解决这个问题。一种简单的解决方法是采用V/F转矩补偿法[4]。
V/F转矩补偿法的原理是:针对频率f降低时,电源电压U成比例地降低引起的U下降过低,采用适当提高电压U的方法来保持磁通量中恒定,使电动机转矩回升。有时也称它为转矩提升(torque boost)。
适当提高电压U将使调压比Ku>Kf,也就是说电压U并不再随频率f等比例地变化。采用V/F转矩补偿后的电动机机械特性如图2所示。
3、变压变频调速系统的软件实现
对于数字交流变频调速系统软件部分的设计、开发与调试,我们使用的TI公司的CCS3.3进行系统开发。系统的软件设计部分共分为两大部分:第一部分为主程序部分(主要是系统时钟、看门狗等模块的初始化),第二部分是系统主体运算控制部分(即系统的中断服务子程序INT0)。
3.1 主程序模块
主程序模块就是我们通常所说的系统的void main()所包含的程序部分,在系统上电复位后,首先进入的程序的起始地址指针便指向main()函数内部的第一条指令,对系统时钟和锁相环(PLL),各种寄存器控制位的默认值,以及对系统监测模块看门狗等模块的初始化。然后,进入对系统对PIE向量表进行初始化,禁止清除所有的CPU中断标志,并对其它系统所用到的电机控制程序模块的各项参数进行赋值。完成上面初始化部分后,进入到中断使能部分,其中包括使能定时器T1,使能定时器T1的上溢中断,为执行下一步中断服务子程序INT0做好准备。最后是主循环等待,使系统等待中断时间的到来,进入中断程序,执行控制功能。
3.2 中断服务子程序模块
通过定时器1的上溢中断,使程序进入到中断服务程序部分,首先,我们要清除中断标志位,为后续环节提供准备,并保存系统中主要的参数数据。然后,就进入到程序主体程序部分,包括数字PID调节模块、电压/频率映射模块、空间矢量发生模块、PWM产生模块、捕捉模块、速度计算模块、PWM数模变换模块和低通滤波器模块。对应功能与说明如表1所示[3]
本系统有两种控制模式,一种是开环调速控制,另一种是闭环调速控制,是通过closeloop Flag闭环调节标志位进行选择的。基本程序结构图如图3所示,通过speedref速度参考值作为系统的给定值,速度给定值进入到RAMP_CNTL斜坡控制模块,此模块分时段阶梯式的增加给定值,直到达到给定值,起到平滑控制的效果,防止控制的突变造成的硬件运行的不稳定。数字PID环节主要对速度给定值与速度计算模块所获得的电机实际测量值的差值,进行比例积分微分调节,可以使系统的稳定性、快速性和动态性能有显著地提升。电压/频率映射模块可以根据输入频率的大小,通过查表函数获取最优的电压输出值VOUT,频率除作为本模块的输入以外,还为空间矢量发生器模块提供输入。利用频率和电压输出值,通过空间矢量发生器就可以产生Ta,Tb,Tc三个时间量值,然后通过PWM产生模块得到我们所需要的六路脉冲宽度调制波形,经IR2136驱动模块作用于智能功率模块,控制逆变器残生交流电机所需的三相交流电。PWM数模转换模块和低通滤波器模块只要是对输出的脉冲宽度波形进行采样,为方便程序调试与实验分析而设置的部分。
4、实验测试结果
如图3所示,通过PWM数模变换模块和低通滤波器模块,采集所得的三路PWM输出波形,及其对应理想状态下的正弦输出波形。当Enable Flag=0时,系统处于初始状态,无限循环。如图4所示。当Enable Flag=1时,进入中断服务子程序阶段。不同Speed Ref值,所对应的频率不同,从而产生的PWM的宽度和理想正弦波形的频率都不同。如图5-图7所示。
5、结语
经实验验证,数字式变频调速系统,不仅在系统稳定性方面,还是在实时的控制方面,与传统变频器相比,都存在优越的性能。对于实时性要求较高的调速系统领域,基于TMS320F2812的数字式变频器由于自身的高性能数据运算能力,已经得到普遍应用。
参考文献
[1]宁改娣,曾翔君,骆一萍等.DSP控制器原理及应用(第二版)[M].北京:科学出版社,2011.5.
[2]陈伯时,主编.电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2003.7.(159-160).
[3]TEXAS INSTRUMENT ACI3_1 System Document C2000 Founda-tion Software[M].Texas Instruments Inc,December 2005.(16).
[4]瑞泰创新,编著.ICETEK-ACM异步电机拖动实验指导书[M].北京:2007.(9-10).
变压变频调速 篇2
关键词：主变压器,冷却风扇,变频调速,分析
0 引言
目前在电力系统上运行的主变压器冷却方式主要是采用自冷式和风冷式两种, 而风冷式又可以分为自然油循环风冷和强迫油循环风冷两种形式, 不论是采用自然油循环风冷或是采用强迫油循环风冷的冷却形式, 冷却的动力均是利用冷却风扇实现, 应用于风扇控制的冷却控制系统采用LPC可编程控制器控制, 冷却风扇控制采用分组启、停方式, 即是将整台主变压器全部冷却风扇分成2组或2组以上, 冷却风扇的投切按控制方式1组或多组同时启动或停止进行。
1 冷却风扇分组控制存在的问题
冷却风扇采用分组启停的控制方式, 形成多台风扇同时启动或同时停止, 这样的运行控制方式存在如下问题:
1) 变压器产生的热量主要由空载损耗和负载损耗等引起, 负载的变化直接影响发热量的多少, 采用分组控制方式, 冷却容量为阶梯变化, 不能实时跟踪变压器负载变化而实时调整冷却容量, 容易造成冷却容量过剩和不足, 造成变压器油温温差大, 影响变压器绝缘寿命;
2) 风扇电机直接启动, 启动电流是额定电流的5~7倍, 对电机绝缘造成冲击影响;
3) 在工频额定负载下投切风扇电机, 由于感性负载的拉弧, 影响电机和接触器的使用寿命, 增加维护工作量;
4) 变压器的噪声主要由风扇噪声、电磁噪声和机械噪声引起, 而风扇在工频状态下运行时, 风扇噪声很大, 对环境造成极大污染。
2 变频调速技术对冷却风扇控制研究
针对以上提出的问题, 研究的主攻方向是对风扇电机的控制, 实现解决继电器控制方式下冷却风扇所存在的全部问题。
实现对风扇电机的控制可以有以下四种方式:
1) 冷却风扇无级调速可实现变压器各种损耗所产生的发热量与散热量的均衡控制, 避免油温的大幅波动。对冷却风扇采用无级调速, 实时跟踪变压器负荷变化及顶层油温变化, 据此控制冷却容量与发热量保持基本均衡, 可实现油温在给定量的规定范围内变化。对于电机的无级调速有:变频调速, 滑差调速等。
2) 为了克服电机直接启动造成的冲击电流, 有多种控制方式:降压启动, 电机软启动, 变频调速启动等, 均可控制冷却风扇启动电流在较小的范围内。
3) 采用无触点开关、变频调速装置等控制风扇电机, 可避免冷却风扇在投切时产生拉弧。
4) 采用变频调速装置控制风扇电机, 可实现节能降噪, 减少对环境造成污染。
对以上四种有效的控制电机方式展开对变压器的冷却风扇电机运行的分析:
1) 变压器负载、油温与冷却风量的关系:负载增大, 则油温升高, 风量需增加, 此时冷却容量增大;负载减小, 则油温降低, 风量需减小, 此时冷却容量降低, 即就是冷却容量应跟随负载变化而变化, 需实时调节冷却容量, 从而实现变压器油温在给定范围内波动。
2) 由流体力学可知, 风量与转速的一次方成正比, 风压与转速的二次方成正比, 轴功率与转速的三次方成正比。表达式如下:
由式 (1) 、 (2) 可知, 改变风扇转速, 即可改变冷却容量。
又据电机学可知, 电机的转速与定子电源频率、电机极对数和转差率的关系如下式:
由式 (3) 可知, 有三种调速方式:
通过改变极数调速:增多电机极对数, 可以降低电机转数, 但电机一但生产, 电机极对数就已经确定, 不能改变, 则电机转速也已确定, 因此不能改变极对数进行调速。
改变转差率调速:在低速时, 转差率大, 损耗也大, 效率低。
改变频率调速:均匀地改变风扇电机定子电源频率f, 则可以平滑地改变风扇电机的速度。频率可从0~50Hz范围内进行无级变化, 转速变化区间最大, 也就能大幅度改变电机转速, 且目前改变频率的实现手段比较成熟, 可简单地使用变频器实现。
3) 电机在工频启动时, 启动电流大, 通常是额定电流的5~7倍, 为了避免过大的启动电流, 采用变频器直接启动风扇电机, 由变频器原理及伏-频特性可知, 变频器启动时, 输出频率和输出电压均从较小值起始, 使电机逐步转动, 电机转动后产生反电势, 随着频率的增大, 电压也在升高, 反电势也在增加, 这样就使得风扇电机在启动过程中电流始终被控制在较小的范围内, 避免了风扇电机启动时对自身绝缘和其它控制元件造成的影响。同时变频器输出驱动电路为半导体可控元件, 为无触点控制, 所以控制风扇电机的启停无电弧产生, 可延长电机的使用寿命。
4) 采用变频调速控制冷却风扇, 具有明显的节能效果。对同一台风扇电机, 由式 (2) 、式 (3) 得知:
即轴功率与频率的三次方成正比。例如当风量降低到额定风量的80%时, 风扇电机频率为40Hz, 与工频比较, 其节能效果为:
由式 (5) 计算得知, 风量减少20%, 而风扇电机轴功率仅为额定功率的51.2%, 由此可知, 理论节能为 (1-51.2%) =48.8%, 考虑到变频器的自身功耗, 变频运行时的功率是工频运行时功率的52%, 即节能效果可达 (1-52%) =48%。
对于变压器负荷不同, 对风量的需求也不同。根据式 (4) 计算得出, 不同风量时的节能效果见表1。
5) 在该冷却风扇变频调速系统中, 变频器最高频率设定为48Hz, 最低频率设定为25Hz, 同时满足高负荷时的冷却要求, 低负荷时取得降噪、节能效果。
3 变频调速应用设计
3.1 电路设计
设定某台变压器每组冷却器风扇为3台, 主回路如图1示, 由1台变频器控制1组冷却器中的3台风扇, 同时, 为了保证冷却风扇的安全可靠运行, 在主回路中以工频驱动作为备用。
Q1为变频器保护及冷却回路检修隔离断路器, KM11为风扇电机变频运行控制接触器, KM12为风扇电机工频运行控制接触器, KH11, KH12, KH13为热过载继电器, MF11, MF12, MF13为风扇电机。
在冷却风扇变频运行和工频运行接触器KM11、KM12的控制电路设计和控制程序中均为互锁, 以保证变频器安全运行。
3.2 变频器选型
负载类型, 在该应用中, 风扇电机为风机类负载, 选用风机泵类专用变频器。
变频器容量选定, 根据风扇电机容量和风扇电机运行条件选取。该例应用中, 每台变频器驱动3台风扇, 每台风扇电机功率为1.2k W, 额定电流为3.8A。选择变频器时, 主要考虑电流因素。
对于风扇电机同时启动或停止, 变频器的输出电流需满足
该应用中, 3台风扇电机为同时启动或停止, 据式 (6) 得知
为了确保变频器的安全可靠工作, 选择ABB变频器, 输出电流为17A。
由此可知, 控制1组冷却器的3台风扇, 选用风机泵类专用变频器, 其输出电流为17A即可。
3.3 速度调节
冷却风扇速度的变化, 是根据变压器顶层油温和变压器负荷变化确定变频器的运行状态和输出频率, 由Pt100铂电阻采集变压器顶层油温的实时变化, 通过建立多变量输入单变量输出的数学模型即频率与油温、负荷等变化的关系式, 控制变压器顶层油温在给定值范围内变化, 其控制由可编程序控制器PLC完成, 有关数学模型及控制程序已经非常成熟。
4 总结
变频调速技术运用可以实现风扇电机的工作状态由不均衡的工频模式改为根据变压器油温和负载变化, 均衡调整转速的变频模式。通过实时采集变压器顶层油温模拟量信号及负载率变化等运行参量, 确定冷却风扇的优化控制方案, 合理安排风扇电机的启动条件、运行转速及冷却器的运行组数等, 实现风扇冷却功率随变压器负荷大小、发热量大小进行实时调节变化, 满足负载增大, 油温升高时, 则增加风量, 冷却容量增大;负载减小, 油温降低时, 则减小风量, 低负荷节能优先, 减少热冗余浪费, 经济运行, 综合节能可达到30%-50%;高负荷控温优先, 迅速提高冷却能力, 一定条件下可提高变压器负载能力, 从而实现变压器油温在一定范围内波动, 不存在冷却容量过大或不足的现象。同时变频调速技术运用, 启动电机时以低频启动, 克服电机直接启动造成的冲击电流, 避免冷却风扇在投切时产生拉弧, 延长电机和接触器的使用寿命, 减少维护工作量;优化控制, 最佳运行转速, 风扇在低频下使用, 相对于运行在工频状态下可以降低运行噪音10%-30%。因此, 变频调速技术在主变压器风冷系统上的应用研究可延长变压器绝缘寿命, 提高变压器负载能力, 节能降噪, 运行安全可靠。
参考文献
[1]李明辉, 焦联国.变频调速系统的抗干扰分析[J].电机与控制应用, 2010 (08) .
[2]郭清滔.小电流接地系统故障选线方法综述[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (2) :146-152.
[3]GB 1094.2—1996电力变压器第2部分温升[S].
[4]JB/T 5777.2—2002.20电力系统二次电路用控制及继电保护屏 (柜、台) 通用技术条件[Z].
变压变频调速 篇3
关键词：多模块矩阵变换器,变压器漏感,滤波电容,电压利用率,功率因数,变压器利用率
1 引言
MMMC将矩阵变换器引入H桥级联型高压变频器, 消除中间直流环节和串、并联电解电容器组, 实现交交直接变换, 体积大大减小, 且延长了变频器的使用寿命。目前国外学者已对MMMC的调制算法进行了深入研究[1,2,3,4,5,6], 提出了空间矢量方法, 双电压合成等调制方法, 获得了优良的输入输出特性。但是, 仍然存在着一些问题。
首先, MMMC中变压器漏感和滤波电容的取值会影响变压器利用率以及电压利用率;另外, MMMC子模块为三相-单相矩阵变换器, 基于瞬时功率平衡原理, 在保证输出波形质量的同时会导致变压器二次侧电流波形不规则[7,8], 谐波间谐波含量高, 变压器利用率降低。
本文分析了变压器漏感和滤波电容对MMMC性能的影响, 探讨了MMMC变压器漏感和滤波电容选择的方法, 对变压器组副边电流的谐波含量、功率因数及其影响因素进行了分析。
2 MMMC拓扑结构
MMMC主要由多绕组 (移相) 变压器和三相-单相矩阵变换器子模块组成[6], 以9模块MMMC为例, 其拓扑结构见图1。每个三相-单相矩阵变换器由多绕组移相变压器的二次绕组提供独立绝缘的输入电压, 3组变压器的二次绕组相位互差20°。输入侧滤波电容协助换向并滤除开关频率谐波, 提高输入侧电流质量。每相3个三相-单相矩阵变换器子模块级联后连接成星形给三相负载供电。由于MMMC没有输出滤波器和中间储能元件, 网侧输入电流直接由变换器输出电流合成, 所以为了得到连续且正弦的输入/输出电流, 负载须为感性。为了防止滤波电容器短路和感性负载断流, 任何瞬间每个三相-单相矩阵变换器子模块只有2个开关可以导通 (以A1为例, 一个来自SA1, SA2, SA3, 另一个来自SA4, SA5, SA6) 。
3 变压器漏感及滤波电容的选择
如图1所示, MMMC的拓扑利用了变压器的漏感和滤波电容构成LC滤波器, 滤除矩阵变换器侧产生的电流谐波。二阶LC滤波器的转折频率如下[9]:
式中:f0为滤波器的转折频率;L, C分别为变压器漏感和滤波电容大小。
由于转折频率同时也是LC滤波器的谐振频率, 应合理选取转折频率, 防止谐振。电路仿真参数为:变压器一次绕组输入线电压峰值1 340 V, 输入频率50 Hz, 变压器二次绕组输出线电压峰值933 V, 负载电阻10Ω, 负载电感5 m H。
图2和图3分别为开关频率fs为1 k Hz和2 k Hz时滤波前三相-单相矩阵变换器输入侧电流波形图和频谱图, 输出频率均为30 Hz。可以看出, 当开关频率为1 k Hz时, 低次谐波和间谐波丰富, 滤波器转折频率需要选择的很小。本文中MMMC开关频率选取2 k Hz。转折频率选取在500 Hz附近。
变压器漏感及滤波电容值的选择应从电压利用率以及电网侧的输入功率因数两方面同时考虑。间接空间矢量方法在理论上可以同时保证最大电压利用率和功率因数[10,11,12,13,14]。图4为虚拟整流侧的SVPWM控制空间向量图。静止矢量I0~I6分别与整流桥不同开关组合相对应, 例如I1 (ab) 表示虚拟整流桥输出虚拟直流电压Vpn等于Vab, I2 (ac) 表示虚拟直流电压Vpn等于Vac。I1~I6将坐标平面等分成6个扇区。每个开关周期内, I由所在扇区的2个有效静止矢量和零矢量合成。设定功率因数角为0时可保证最大电压利用率。例如当Iref位于第Ⅰ扇区时, 输入电压也位于图5所示的扇区Ⅰ, 此时Ua, Ub, Uc中Ua的绝对值最大, 虚拟直流电压也正好在Uab, Uac以及零矢量之间切换, 保证了最大电压利用率。
而实际情况中, 由于滤波器的存在, 滤波前后的功率因数角会发生变化, 在保证电网侧功率因数的同时, 无法同时保证最大电压利用率。图6所示为单个矩阵变换器子模块输入侧的等效电路, L为变压器归算到一次侧的漏感。
分析得到下式:
式中:为输入电压, 为电容两端的电压;İc为流过电容的电流;ωin为输入电压频率;İ2为变压器二次侧基波电流, 为三相-单相矩阵变换器子模块输入侧基波电流,
由式 () 化简, 得:
LC滤波器设计应保证电感上的压降很小, 当电感值很小时, 根据式 (3) 可以得出滤波后MMMC电网侧的功率因数角与滤波前功率因数角的关系式[15]:
式中:θ为滤波前的功率因数角;θ′为滤波后电网侧功率因数角。
当电网侧功率因数为1时, 由图6易知:
由于MMMC中变压器一次侧输入电流等于二次侧矩阵变换器子模块输入端电流之和, 将式 (5) 代入式 (4) , 得:
式中:I1m为变压器一次侧基波电流的幅值。
θ大小超过20°时, 虚拟直流电压波动明显, 平均直流电压大小明显下降, 电压利用率无法保证。故调节到单位功率因数 (θ′为0°) 时θ不超过20°为宜, 根据式 (6) , 得:
另外由式 (4) 可知, 当θ′为0°时, C越小设定功率因数角θ选择得越小, 有利于保证虚拟直流电压大小。但C值过小时, L值设计过大, 损耗和压降大大增加。另外, 矩阵变换器实质上是一种电压直接型变换器, 而C值减小L值增加会导致矩阵变换器滤波电容两端电压THD增加, 系统性能变差[16]。经仿真观察, 电容值取60μF, 电感2.5m H时, 电容电压THD约20%。为保证MMMC的性能, 这里规定, 电容C应不小于60μF。
总之, MMMC中变压器漏感和滤波电容的选择应保证电网侧单位功率因数, 并尽可能少地牺牲电压利用率。滤波电容的选择受到式 (7) 的约束, 选取合适的滤波电容后, 再确定变压器漏感的大小, 其压降不能超过输入电压的3%。
根据以上分析, 在电路仿真参数的条件下, 滤波电容取值在60~158μF之间较合理。图7分别为L和C取2.5 m H和60μF;1.3 m H和120μF以及0.5 m H和300μF, 电网侧调节到单位功率因数时的输入电压电流波形, 输出频率均为30 Hz, 此时滤波前的功率因数角分别为8°, 14°和34°。由图7可知, 当L=0.5 m H, C=300μF时输入电流幅值明显小于另外两组, 说明电压利用率明显低于另外两组。3组输入波形中, L, C取1.3 m H, 120μF时输入侧电流幅值最大, 电压利用率最高。
4 变压器二次侧电流分析
尽管MMMC变压器一次侧电流正弦, 但由于每个三相单相矩阵变换器子模块输入输出端瞬时功率平衡, 变压器二次侧电流谐波间谐波的含量高, 导致变压器利用率降低。下文将在开关频率2 k Hz、变压器漏感1.3 m H、滤波电容120μF的条件下对变压器二次侧电流进行统计分析。
由于输入输出直接耦合, 变压器二次侧电流的波形会受到输出频率以及输入输出电压相位角的影响。MMMC输出频率与输入频率一般不相等, 为了方便进一步研究不同输入输出相位角对变压器二次侧电流的影响, 这里规定输出电压UA, UB, UC初相位为0, -120°, 120°时, 每个子模块输入端各相电压初相位与输出端单相电压初相位之差为MMMC各个子模块输入各相的移相角。设MMMC输入三相电压的初相角分别为x, x-120°, x+120°, 图1中变压器二次侧各子模块输入端的移相角见表1。其中“[]”表示将括号中移相角折算到0~360°。
图8是移相角160°, 输出频率fo分别为30 Hz, 40 Hz, 50 Hz以及60 Hz时的变压器二次侧电流波形和频谱图。可以看出, 当输出频率不等于MMMC输入频率50 Hz时, 变压器二次侧电流主要含有4种不同频率的间谐波。输出频率的变化会影响间谐波的位置, 输出频率增加时, 间谐波会在频谱图上右移。这是输入输出直接耦合造成的。当输出频率为50 Hz时, 频谱中不含间谐波, 主要为3次和5次谐波。
4.1 变压器二次侧电流THD分析
变压器二次侧电流同时含有谐波和间谐波, THD定义如下:
式中:Q1为基波有效值;Q为总有效值。
图9为变压器二次侧电流的THD与输出频率和移相角的关系。图10为输出频率与THD的关系。
由图9和图10可知, 当输出频率不等于MMMC输入频率时, 随着输出频率的增加THD逐渐增加, 变化范围为57.3%~67.9%, 而与移相角无关。而输出频率在50 Hz时THD在26.52%~95.28%之间随着移相角变化波动。
图11为输出频率与MMMC输入频率相等时移相角与电流THD的关系曲线, 可以看出, 此时其移相角的改变会使变压器二次侧电流的THD周期性变化。
4.2 变压器二次侧功率因数分析
MMMC的输入侧功率因数通过适当调节可以保证为1, 但是变压器二次侧由于谐波间谐波的存在, 功率因数较低。变压器二次侧功率因数PF的定义公式如下:
式中:U1为输入电压有效值;I1为基波电流有效值;irms为输入电流有效值;cosθ为基波电压、基波电流相移因数;Urms为输入电压有效值;γi为输入电流失真系数;γu为输入电压失真系数。
图12为变压器二次侧功率因数与输出频率和移相角的关系图。图13为输出频率与变压器二次侧功率因数的关系图。
从图12、图13可以看出, 当输出频率与MMMC输入侧频率不等时, 变压器二次侧功率因数随着输出频率的增加而逐渐减小, 变化范围为0.861~0.821, 与移相角无关。而输出频率等于输入频率时, 变压器二次侧功率因数会在0.672~0.948之间随着移相角变化波动。
图14为输出频率50 Hz时移相角与变压器二次侧功率因数的关系曲线。可以看出, 当其输出频率与MMMC输入侧频率相等时, 移相角的改变同样会使变压器二次侧的功率因数周期性变化。
5 结论
变压变频调速 篇4
兴建加压泵站,是缓解城市供水压力,满足局部区域用水需求的最直接也是最常见的方式之一。
柳州市旧机场加压站,2002竣工并投入使用,设计日供水能力4万立方米/日,距柳江县城供水区6Km。加压站建成初期,供水压力调节完全依赖人工调整加压站的开机台数。随着变频技术的普及,采用变频器实现供水压力自动调节,已经成为加压站的首选模式。
旧机场加压站的变频改造是在旧设备的基础上进行的,在工程设计时兼顾四个方面:节省改造费用,实现自动调压、节能降耗,优化工艺。
加压泵站管道系统简图见图1。
目前加压站有55KW和37KW管道加压泵、132KW调节池增压泵各两台。整个变频控制只采用一台55KW的ABB变频器。两台55KW的管道加压泵可变频启动也可工频启动。37KW管道加压泵只能工频启动。
正常情况下只运行管道加压泵,以充分利用进水管网中的余压,节省电耗和药耗。调节池及其加压泵只有在夏季供水高峰期才投入运行。
加压泵及其对应阀门的控制分远程和就地控制两种方式。自动方式又分为正常和异常自动两种。当变频器出现故障时,系统自动切换到异常自动模式并将压力控制死区范围调得比正常自动时稍宽,使加压站仍能自动根据压力给定值调整开机台数,保证供水。
整个改造费用为17万元,主要用于变频器柜购置、旧启动柜的改造和控制软件的修改。改造电路图如图2所示:
目前,旧机场加压站的内部运行管理已基本实现自动化无人管理的目标,实时监控数据通过GPRS直接传到公司内部计算机,系统自动根据不同的供水时段设定供水区域最不利点处的压力给定值。
2 变流变压变频调压技术的实现方法
2.1 压力控制点的选择和管道特性曲线公式的推导
压力控制点设在出站总管上,按出站压力设定值调节变频水泵的工作频率和加压站的开机量是常用方式。出站水压设定值一般由人工设定并保持不变。这种设置管理方便,但在一定程度上导致了静扬程的浪费,对用户而言水压波动范围大,影响了变频系统先进性能的充分发挥。
将压力控制点设在加压站供水区域的最不利点存在压力控制点信号采集困难的问题。采用有线方式采集压力信号存在信号电缆过长、信号易干扰等问题,而采用无线方式采集压力信号,又存在信号不稳定的问题,如易受天气影响,对通讯网络供应商依赖过大、信号迟滞过大,易受干扰的问题。
柳州威立雅水务有限公司经过综合考虑,将压力控制点设在柳江水司,根据离心泵的工作原理和过去两年供水调度SCADA系统采集的旧机场加压站压力与流量数据,利用EXCEL软件推导出加压站出站总管与柳江水司测压点之间的压差与出站总管流量之间的关系式:
其中:
△P—泵站出厂总管与柳江县政府的压差(即管路水头损失),单位为m;
Q—泵站出厂总管流量,单位为m 3/s。
推导方法见图3。该公式类似于管网特性曲线。只要管路安装方案不改变,就可以利用该关系式计算出从加压站出站测压点到流量水司测压点的管路水头损失△P,且计算出的数值与实际值的偏差在±0.02Mpa范围内。
为便于日后管道安装方案修改后根据实际运行参数修改该管道特性公式中的系数,在软件设计时,管道特性曲线方程式(△P=AQ2-BQ+C)中的系数A、B、C可上位机上修改。
2.2 压力给定值的计算
若柳江水司某一时段的压力指标为P0,则出厂管压力设定值Pout=P0+△P/100,出站流量改变,出站总管压力设定值也改变。同时,根据柳江县城的用水特点和调度室的建议,系统将一天分成四个供水时段,每个时段的压力指标可在上位机上根据需要调整。
系统自动根据出站流量及不同时段的压力指标值计算当前时段出站压力给定值,然后根据该压力给定值自动调整开机台数和变频机组的工作频率,从而实现控制柳江水司测压点压力值的目的。
2.3 抗干扰措施
由于出站压力给定值会根据出站流量变化,在编制控制程序和进行参数设置时,为使系统控制相对稳定,采取以下抗干扰措施:
●PLC在系统上电时或每隔15分钟(该时间间隔在上位机和PLC控制面板上可调)根据该公式的计算结果修正当前出站压力给定值。
●有机组启/停或做变频/工频切
●换时,暂停压力调节,时间约10分钟(可调)。
●出站压力给定值设置死区(±3%,可调),避免机组频繁起停或频繁进行变频/工频切l换。
●出站流量和压力信号设上限和下限报警(上限和下限应可调,一般出站压力应在0.1Mpa~0.6Mpa之间,流量应在250m3/h~2000m3/h之间)。
●为了使控制系统能准确、稳定的运行,启用变频器内部在A/D之前的一级一阶低通滤波器,同时在在PLC中采用平均值滤波的算法去除干扰。
●进行P ID调节时,根据大范围变负荷恒压供水系统的控制特性,引入分段积分,通过在PID框图中改变积分区限的功能来实现。
●调节池增压泵运行前调节池增压泵缓解供水液位已达到设定的开机液位时才使用调节池加压泵供水。
3 关于加压站控制系统设计的几点建议
3.1 变频器输出电抗器的应用
为补偿长线分布电容的影响,抑制输出谐波电流,提高输出高频阻抗,有效抑制d v/d t,减低高频漏电流,保护变频器,减小设备噪声,在设计变频器柜时,应考虑安装输出电抗器。ABB 55KW变频器自带EMC滤波器,故在变频器柜设计时未考虑安装输入电抗器。
3.2 变频机组容量的选择
加压站变频系统设计时,通常选择对大机变频调压,这样流量调节范围更宽。工频机组与变频机组并联运行时,,建议选用的工频小机的额定流量为变频大机额定流量的一半,这样稳压效果更好。
3.3 变频机组频率上下限的设置
频率上下限的设置和判断在程序中进行。变频器的频率上限为工频50HZ,为防止工频与变频机组并联运行时,变频机组由于扬程过低空转而不出水,变频器频率设定两个下限值,单机变频运行时,下限频率为30 HZ,多机变频运行时,下限频率为4 1HZ。
3.4 加减机控制原则
每次开机都先变频开一台大机。变频器工作频率达到上限时,如果出站压力仍低于设定的压力下限值(Pout*(1+死区下限百分比))PLC将按照自动控制的原则加机。反之,当当变频器工作频率达到下限时,如果出站压力仍高于设定的压力上限值(Pout*(1+死区上限百分比))PLC将按照自动控制的原则减机。加机时先加小机,若小机不能满足要求,将小机切换为大机。同样,减机时先减小机,若减小机后出站压力仍大于给定值,停大机开小机,以此类推。
3.5 大机变频/工频电路的互锁
为防止误动作发生,大机控制柜中工频和变频接触器在硬件电路和软件设计中均实现互锁及动作延时,
3.6 机组定时切换控制
为避免机组长时间运行因过热或机械疲劳损伤机组,变频和工频机组实现定时切换。
3.7 加压站运行异常状态的判断和处理
为在故障抢修人员赶到前尽量保持加压站的自动运行,在控制系统设计时应考虑如下异常情况的判断和处理:
●加压泵故障
加压泵或其对应电动阀门出现故障时,该机组将被斔��无法运行直至故障排除且在上位机上复位。
●泵房高水位故障
泵房排污井内安装两个上限和上上限水位探头,当泵房内因爆管、排污泵故障、水泵漏水等原因被水淹时,系统发出报警,若泵房水位继续上升时,系统将自动停止所有加压机组的运行。
●变频器故障
当系统工作在正常变频自动方式下时,若变频器出现故障,系统将自动切换到异常自动方式,按异常自动方式的控制方法控制机组的起停。
●加压站突然停电时
当加压站突然停电时,所有机组因停电自动跳闸泵口电动阀因停电无法关闭保持在全开状态。若进站水压够高,加压泵出水管上的静音式止回阀将自动打开,保持供水。
●压力故障
进出站压力设置上、下限报警。若进站压力低于下限但不为0,系统发出报警并命令管道加压泵全停。若出站压力高于上限,系统自动停止一台运行时数最长的工频泵,保持其余机组开机状态不变。压力过低时,系统发出报警,当压力恢复正常后报警自动解除。若进站或出站压力持续为0,系统判断为压力传感器信号故障发出报警并自动用备用进站压力传感器读数取代。
●爆管故障的判断和处理
若进站或出站总管压力值在设定时间内降低幅度超过设定值,系统判断为爆管故障并发出进站或出站管道爆管报警信号,同时命令加压泵全停。
●流量故障
出站流量设置下限报警。若出站流量持续低于下限值但不为零,系统发出流量过低报警。若出站流量为零,系统发出流量计故障报警,并自动用6台机组单机流量计数值之合取代故障流量计的反馈信号进行变频控制。
4 结束语
变频改造后,旧机场加压站实现高峰和低峰供水时段自动变压变量供水,经过1年多的运行,实践证明效果非常明显,不仅柳江县城的水压比以往更为稳定,爆管的次数也大为减少,延长设备、管线寿命。同时,由于夜间不会由于供水量的减少而产生多余的静扬程,可以实现节能降耗。与改造前相比,年平均节电率在10%以上,最大节电率30%(随进站压力不同,节电比例也不同),为企业带来了高效益、高自动化,也为交流变频设备在供水行业中的应用方式做了有益的探索。
参考文献
[1]姜乃昌.《水泵与水泵站[》M].北京:中国建筑工业出版社,1998.
[2]《SIMATIC STEP 7 V5.1编程使用手册[》Z].西门子股份有限公司,A5E00069873,1998.