在（zài）工業自（zì）動化教學中對水阻櫃電機的變頻改法

一（yī）、摘要：由於水泥行（háng）業一般地處偏遠，電網容量（liàng）有限，所以很多大型設備的啟動（dòng）都采用軟啟動，西南，西北地區尤其普遍。基於成本考（kǎo）慮，大部分企業都選用（yòng）水阻（zǔ）啟動。隨著近幾年（nián）國（guó）家節（jiē）能降耗政策的落實，以（yǐ）及國內工業自動化設備中變頻器技術的日趨成（chéng）熟和價（jià）格優勢（shì），很多水泥行業由使用水阻考慮變頻器改造（zào）。本文就目前水阻的原理和變頻器的原（yuán）理，著重解釋一下水阻調（diào）速（sù）或水阻啟動的高壓電（diàn）機（風機，水泵）的變頻器改造。
1.1原理：水阻起動（dòng）櫃是近年來（lái）運用比較廣泛的電機起動設備。水阻，也就是液體（tǐ）電阻（在水中添加電解粉構成水電阻），顧（gù）名思義就是在電機定子回路（籠型電機）或轉子回路（對繞線電機（jī））中串入（rù）液態電阻，電機在起動過程中液態電阻阻值在預定的時（shí）間內自動無級減小，直至阻值（zhí）接近（jìn）為零，將液阻自動切除，電機投入正常運行，每小時最多可以啟動（dòng）2-3次。
1.2組成：液體電阻（zǔ）起動櫃主要（yào）由以下幾（jǐ）個部分組成：水箱、極板（分動極板及靜極板）、傳（chuán）動機構、限位機構（行程開關）及相關電器元件，如繼電器（或PLC）、時間繼電器、接觸器、按鈕、指示燈等狀置構成，主要適用於400V、3kV、6kV、10kV各個電壓等級，功率範圍從500kW-30000kW。
1.3運行過程：運行過程如下：電機開關櫃合閘的同時，水阻櫃接收到真空（kōng）斷（duàn）路器運行信號，動極板自上而下開始運行，在設定的時間內電阻值逐漸下降，當電阻接近於零時，安裝在水阻櫃內的真空接（jiē）觸（chù）器吸合，電機啟動完成，經過延時幾秒（miǎo）後，動極板自動複位至原始（shǐ）狀態（tài），等待次（cì）啟動。如（rú）水阻櫃在預定的時間內起動沒（méi）有完成就會發出一個故障報警信號，自動切斷開關櫃，確保（bǎo）電機不開路。1.4運行原理：對於籠型電機而言，液體電阻起動櫃有兩種方案，對於星型接法的電機，如星點能夠打開，原理與繞線電機水阻櫃的原理基本相同（水阻相當於串在轉子上，當啟動完畢後，再用水阻自帶的斷路器或者真（zhēn）空接觸器把電機星（xīng）點短接），對於角型接法或星點不能打開的籠型電機，水阻櫃隻能串接在定子回路中，電（diàn）機啟動完畢後需要將水阻櫃用（yòng）斷路器隔離開，以防（fáng）水阻櫃長期帶電引發安全事故。目前，不少水阻（zǔ）櫃生產（chǎn）廠家（jiā）在設計及生產時為降低成（chéng）本，水阻櫃隻（zhī）采用（yòng）一台真空斷（duàn）路器，電（diàn）機啟動完成後水阻櫃仍然帶電，這是（shì）不安全（quán）的，萬一水箱受損，液體泄露，必定引發安全事故。
1.5水阻缺點：水阻的效率低，隻能做軟啟動。如果作為（wéi）調速（sù），必須將水阻櫃箱體（液體電阻部分）長（zhǎng）期帶電，一旦（dàn）出現箱體（tǐ）漏液（yè）或者液體電阻減少或者幹枯，必出現生產事故或者安全事故。並且由於（yú）箱體液體電阻長期帶（dài）電，發熱嚴重（chóng），要有外圍散（sàn）熱設備才能維持運行。所以相對人力維護成本也會增加。 
二、變頻器：2.1變頻（pín）器結構原理（lǐ）：HARSVERT-A係列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術有限公司生（shēng）產，具有（yǒu）自主知識產權（quán），適合國內電網特性，符合國內用戶使用習慣的調速係統。該係統為電（diàn）壓（yā）源型高壓變頻器，具有運行穩定、調速範（fàn）圍廣、輸（shū）出波形好（hǎo）、輸入電流諧波低、功（gōng）率因數高、效率高等特點，對電（diàn）網諧波汙染小，總體（tǐ）諧波（bō）畸變THD小於4%，直接滿足IEEE519-1992的（de）諧波抑（yì）製標準，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數（shù）高（gāo），不必采用功率因數補償（cháng）裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。HARSVERT-A係列高壓變頻器采用單元串聯多電（diàn）平PWM拓撲結構（簡稱CSML）。由若幹個低壓PWM變頻（pín）功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,高壓主回路（lù）與控製器之間為光（guāng）纖連接，安全可靠；精確的故障報警保護；具有電力電子（zǐ）保護和工業電氣保護功（gōng）能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠（kào）。電（diàn）網電壓（10kV）經（jīng）過副邊多重化（huà）的隔（gé）離變壓器降壓（yā）後給功率單元供電，功率單（dān）元為三相輸入，單相（xiàng）輸出的（de）交直交PWM電壓源型逆變（biàn）器結構，相鄰功率單元的輸（shū）出端串（chuàn）接起（qǐ）來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供（gòng）給高壓電機。10kV輸出電壓每相有8個額定電壓為700V的（de）功率單元串聯而成，輸出相電壓5600V，線電壓達（dá）到10kV左右，每個功（gōng）率單元承受全部（bù）的電機電流，但隻提供1/8的相電壓和1/24的輸出功率。每個功率（lǜ）單元分（fèn）別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率（lǜ）單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電（diàn）流的目的，即（jí）使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流（liú）基本相同，達到（dào）理想的諧波抵消效果。對10kV輸出電（diàn）壓，給（gěi）24個功率單元供電的24個二次繞組（zǔ）每3個一（yī）組，分為8個不同的相位（wèi）組，互差60/8度電度角，形成48脈衝的整流電（diàn）路結構，輸入電流波形（xíng）接近正弦波，輸入功率（lǜ）因（yīn）數可以達（dá）到0.96以上（shàng）。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值（zhí）和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開（kāi）一定（dìng）電角度，實現多電平（píng）PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸（shū）出電壓每個電平（píng）台階隻有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關頻率（lǜ），以降低開關損耗，且（qiě）輸出電平數增加。電平數和等（děng）效開關頻率的增加有利於改善輸出波形，降低輸出諧波，由（yóu）諧波引起的電機發熱、噪音、轉矩脈（mò）動等都大大（dà）降低，可以（yǐ）直接用於普通異步電機，不會產生輸出電（diàn）纜較長時行波反射引起的浪湧電壓增加而造（zào）成電機絕（jué）緣破壞問題。
2.2變頻器優點及缺點(1)優點：功率單元采用模塊化結構，同（tóng）一變頻器內（nèi）所有功率單元結構上完（wán）全一致，可以互（hù）換。減少備品備件備庫。輸入幹式變壓器免維護，可靠性（xìng）高。變壓器的防護與變頻器共同防護為IP21防護（hù）外殼，可（kě）防（fáng）止直徑（jìng）大於12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動物進入，造（zào）成短路停電（diàn）等惡性故障，為帶（dài）電部分提供（gòng）安全屏障。    高效率(>96%)，輸入功率因數高(>0.95)，電流諧波（bō）少(<4%)，無須功率因數補償/諧波（bō）抑製裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害（hài），電機諧波少，減少軸（zhóu）承、葉片的（de）機械振動，輸（shū）出線可以長達（dá）1000米；減少配件的（de）損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產效率。    高的調速（sù）精度和精確的輸出頻率分（fèn）辨（biàn）率(0.01HZ)，輸出頻率0.5Hz—120Hz連續可調，完全可以滿足電力機組生產（chǎn）工藝工況的要求；電機可實現軟啟動、軟製動，轉速自動控（kòng）製；啟動電流小於電機的額定電流；電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響。變頻器預裝（zhuāng）具有自主版權的全中文（wén）操（cāo）作和監（jiān）控（kòng）軟件，本機（jī）及遠（yuǎn）程啟停操作、功能設定、參數設定（dìng）、故障（zhàng）查詢、運行記錄查詢等均采用全中文的WINDOWS操（cāo）作界麵；配備7寸彩色液晶觸（chù）摸顯示屏，可（kě）實現（xiàn）完整的（de）通用變頻器參數設定功能，可打印輸（shū）出（chū）運（yùn）行報表；調整（zhěng）觸摸式麵（miàn）板，可隨時顯示電壓及電流波形、頻率和電機轉速（sù），可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時（shí）狀態；具有很強的（de）診斷、指示能力：可檢測變頻器各部分的運行狀態，完整的故障監測電路、精確的故障定（dìng）位，所有的功率模塊均為智能化設計（jì），當有故障發生時，將故障信息返（fǎn）回到主控單元中，主控單元會及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路，同時在中文人機界麵上精確定位顯示故障位置（zhì）、類別，使（shǐ）故障點一目了然，適應於一（yī）般操作工人和維護人員的（de）技（jì）能水平。變頻器直接內置有PLC，易於改變（biàn）控製邏輯關係，適應多（duō）變的現場需要；與機組的DCS係統實現真正的無縫接（jiē）口。同時也可以根據用（yòng）戶要求提供（gòng）MODBUS,PROFIBUS,TCP/IP協議（yì）通訊。采用（yòng）外部模擬信號控製變頻器輸（shū）出頻率時（shí）(變頻器（qì）作為DCS的執（zhí）行機構)，如果發生模擬信號掉（diào）線或短（duǎn）路時（shí），變（biàn）頻器可以提供（gòng）報警信號，同時保持原有輸出頻率不變。變頻器控製電源可接（jiē）收雙路交流220V輸入，並配備有UPS，在控製電源任意一路交流電掉電（diàn）後（hòu）可以切（qiē）換（huàn）到備用電源。當兩路都交流電都斷開，UPS也可以繼續維持（chí）運行接近30分鍾。可以繼續運行，同時提供（gòng）報警。(2)缺點：一次性投入過高。
三（sān）、水阻和變頻器的結合3.1變頻器節能原理：風機和水泵，前者工作介質為液體，均屬於流體（tǐ）機械設備。以下就以風機為例說明他們的調速工作原理。由上圖可以看出，風機工作（zuò）的位置，即風機的風量是（shì）由風機特性曲（qǔ）線（風壓特性（xìng））和管網（wǎng）特（tè）性曲線（風阻特性）決（jué）定（dìng）的，無論是改變風機的特性曲線，或者是改變管網特性曲線，都可以達到改變風量的目的。圖中：風機特性曲：線HA=kQ12、K——風機特性係數；管網特性曲線  HA=Hc-λQ12、λ——管網特性係數（shù）。變頻工作方式是指管網特性曲（qǔ）線保持不變，而改變風機的特（tè）性曲線。通常采取的（de）方式是保持管網特性曲線不變，即不改變風（fēng）機出口（kǒu）的大（dà）小，而改變風機的特性曲線，即改變風（fēng）機的轉速，達到改變風量的目的。如下圖所示：風（fēng）機工作在A點時，其功率為PA＝H1×Q1/102；風機工作在B點時，其功率為PBH2×Q2/102 。Q2<Q1，而且 H2>H1，所以PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時，改變風機的風量，風機（jī）的（de）軸功（gōng）率減小很大，節能效（xiào）果顯（xiǎn）著（zhe）。由（yóu）流體力學的（de）原理可知，電機轉速與流量、壓力、耗能的關係如下：輸出流（liú）量Q與轉速n成正比;Q1/Q2=n1/n2 （1）輸出壓力H與轉速n2正比: H1/H2=(n1/n2)2（2）輸出軸功率P與轉速n3正比:P1/P2=(n1/n2)3（3）如果說，100%轉速-100%流（liú）量（liàng）-100%壓力-100%輸（shū）出功率    而，80%轉速- 80%流量- 64%壓力- 51.2%輸出功率    就是說，通過調速方式改變風機風量，風（fēng）量下降20%時，風機軸功率將下降49%。這也是為什麽變頻調速在風機應用上節能十分顯著的（de）原因。     變頻調速在水泵應用上和風機有所區別。在很多場合，負載管路特性（xìng）的改變是用戶用水量減少（即（jí）用（yòng）戶人為關（guān）閥）造（zào）成的。不（bú）滿足負載特性不變（biàn）的條件，所以相似（sì）定理並（bìng）不成立。水泵在（zài）調速過程中還（hái）往往要求壓力（lì）恒定，這時水泵的工作點變化將如下圖所示：流量由Q1變為Q2時，如果水泵定速運行，工作點將由A變為（wéi）B點，壓力將升高，威脅管網安全；如果通過調速方式（shì），水泵工作點將由（yóu）A變（biàn）為C點，在提（tí）供需要的流量的同時，保持壓力不（bú）變。水泵在B、C兩點的輸出功率（lǜ）差為：PB－PC＝（H3－H2）×Q2。    在A、C兩點，盡管水泵速度（dù）不同，但由於在兩（liǎng）種情況下水泵所承擔的（de）流量不同，其出（chū）口壓力和外管網壓力仍然保持平衡。由於壓力平衡的需（xū）要（yào），水泵並（bìng）聯運行時，調速水泵的速度不能低於N3，否則將出現根本不對外出水的現（xiàn）象。非但不節能，還出現水泵空轉（zhuǎn）耗能的現象。    如果在管網特性不變的係統中進行水泵調速，並且對水壓沒有要求，這種情況就（jiù）和前（qián）麵（miàn）提到的風機（jī）調速類似，節能效益比恒壓供水（shuǐ）要顯著得多。
四、變頻（pín）器和水阻結合既（jì）然變頻器既有節（jiē）能效果又有（yǒu）軟啟動功能，國（guó）家又（yòu）提倡節能減排，國內價格又趨於平穩，為了響應國家號（hào）召，很多新建項目就在考慮用變頻器，而在電網（wǎng）容（róng）量有限（xiàn）的地（dì）方，水阻也（yě）可以（yǐ）作為（wéi）變頻器（qì）的備用（yòng），那麽水阻和變頻器（qì）怎（zěn）麽結合呢？下麵介紹（shào）一下，這（zhè）同樣適合之前用水阻的變頻器改造（zào）。結合原理圖:硬件回（huí）路上隻需要將水阻櫃和變頻器並聯起來即（jí）可（kě），這樣水阻上口和（hé）下口均（jun1）用隔離刀隔（gé）離開，保證變頻（pín）器運行時，水（shuǐ）阻不長期帶電，保證人身安全。另外，QS42和QS44作為機械連鎖，保證不會同時（shí）合上，這樣變頻器和水阻分別運行時都能（néng）保證對方設備的安全，同理（lǐ）在（zài）輸入側QS41和QS43。（此針對籠型電機，如果水阻串入轉子也就是說電機是繞線電機，怎麽辦，采用變頻器改造帶水阻的（de）設（shè）備，而電機又是繞線電機係（xì）統，為了實現全頻率範圍內的（de）恒轉矩控製。轉子繞組（zǔ）已沒有必要（yào）外接電組。為避免電刷與集電環之間因接觸不良引起故障（zhàng），將與集電環相接的三根線之間用導線短接，並將電刷（shuā）舉起。如果需要保留原繞線式異步電動機轉子串電阻的調速需要（yào），僅需要增加（jiā）一個高（gāo）壓接（jiē）觸即可。在變頻狀態，接觸器吸合，將轉子將與集電環（huán）相接的三根線短接。在變頻器需要檢修或退出運行時，接觸器斷開，電機恢（huī）複原繞線式異步電動機轉子串電阻的調速方式。軟件回路上（shàng）如果QS42和QS44，QS41和QS43具有機械連鎖，軟件上不需要做（zuò）任何修改（gǎi）即可實現變頻器改造水阻。
五、總（zǒng）結：從原理上講變頻器改水阻是完全可（kě）實施的方案，從水阻櫃和變頻器（qì）的優缺點上看，變頻器改造水阻（zǔ）櫃（guì）響應了（le）國（guó）家節能減排政策，進而取（qǔ）代水阻櫃是大勢所趨。