劉治強(qiáng)
摘 要: 敘述企業(yè)電網(wǎng)容量僅有630kVA,采用變頻電源共直流母線方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)AC3.3kV、6kV、10kV、功率最大至2.2MW級(jí)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)模式,采用以太網(wǎng)通信控制,包含供配電系統(tǒng)、變頻電源系統(tǒng)、凈化電源、電能質(zhì)量測量系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、油冷系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)和防爆變頻器多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
關(guān)鍵詞:變頻電源 ;功率分析儀;PLC;變頻器; 以太網(wǎng);濾波
礦用高壓隔爆兼本質(zhì)安全型大功率交流變頻器比同等功率通用高壓變頻器設(shè)計(jì)、制造、測試、應(yīng)用等要求高,難度大。目前不少防爆變頻器生產(chǎn)商,其生產(chǎn)的防爆變頻器輸入電壓為AC660V/1140V,功率等級(jí)1MW,已經(jīng)不能滿足煤礦大型用電設(shè)備的調(diào)速、生產(chǎn)工藝、節(jié)能的需求。制造防爆變頻器廠家逐年遞增,但大功率高壓防爆變頻器制造廠家寥寥可數(shù),重要原因是高壓防爆變頻器投資巨大、研發(fā)周期長、技術(shù)門檻高、測試系統(tǒng)復(fù)雜等。我公司開發(fā)高壓防爆變頻器,其中就需要一套功能完善、測試精準(zhǔn)的加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。
公司需要對(duì)生產(chǎn)的2.2MW功率級(jí)別的防爆高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速特性、壓頻比、正、反相序功能、速度穩(wěn)定精度、顯示功能、頻率分辨率、軸功率測試、溫升、過載、過壓、欠壓、EMC、漏電閉鎖等等一系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,需要一個(gè)功能完整的大功率電機(jī)加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。公司電網(wǎng)改造前容量為315kVA,改造后也只能擴(kuò)容到630kVA,而被測變頻器功率為2.2MW,并且還會(huì)做1.2倍過載實(shí)驗(yàn),峰值電網(wǎng)容量需求達(dá)3150kVA。如采用傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)電機(jī)對(duì)托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案,電網(wǎng)容量遠(yuǎn)不夠加載實(shí)驗(yàn)需求。計(jì)算論證后,采用直接直流輸入的逆變器與可控硅整流單元組成公共直流母線方案變頻電源電機(jī)對(duì)托方案,在做電機(jī)、變頻器試驗(yàn)時(shí),電能在公共直流母線上形成循環(huán),制動(dòng)能量和驅(qū)動(dòng)能量可以實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接,快速交換,本測試臺(tái)采用的是背靠背配置,即兩臺(tái)電機(jī)對(duì)拖,每臺(tái)電機(jī)由各自變頻器驅(qū)動(dòng),一臺(tái)電機(jī)處于電驅(qū)動(dòng)狀態(tài),另一臺(tái)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)與發(fā)電能量只在直流母線上交換,從電網(wǎng)上所需要及消耗的能量非常小,只需要提供變頻器與電機(jī)運(yùn)行所消耗的熱量,以及電機(jī)需要克服的機(jī)械摩擦力、風(fēng)阻等能量即可,因此,按照整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量的三分之一選擇即可滿足需要。
本系統(tǒng)設(shè)置了PLC控制柜、操作臺(tái)、上位計(jì)算機(jī)、儀表柜、計(jì)量柜。采用西門子S7 1200 PLC作為控制器,PLC采集2臺(tái)主變壓器、3臺(tái)主電機(jī)、變頻電源、進(jìn)線電源、水冷系統(tǒng)、電機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)振動(dòng)、溫度、壓力、電流、電壓等信號(hào),采集各開關(guān)柜、逆變單元、變頻電源、變頻器、變壓器等狀態(tài),采集轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù),利用邏輯程序判斷數(shù)據(jù)是否異常,當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí),采取相應(yīng)措施保護(hù)系統(tǒng)不受損壞。PLC底層采用了Modbus和Prifbus DP通信,頂層采用Profinet與上位計(jì)算機(jī)通信,上位計(jì)算機(jī)采用西門子Wincc7.3制作的操作監(jiān)控畫面。本系統(tǒng)還通過公司網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)布至全公司用戶,可以在線訪問運(yùn)行畫面和數(shù)據(jù)。
1 系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備選型
1.1 變頻電源結(jié)構(gòu)和選型計(jì)算
變頻電源系統(tǒng)由進(jìn)線柜、整流柜、逆變柜、均流電抗器柜、制動(dòng)電阻柜5部分構(gòu)成。網(wǎng)側(cè)3相690VAC電源接入770A進(jìn)線柜,經(jīng)過1組710kW整流柜整流后通過共直流母線的形式連接2組2200kW逆變柜。實(shí)現(xiàn)功能:2組逆變柜其中1組當(dāng)作被測高壓變頻器的電源輸入,高壓變頻器拖動(dòng)1臺(tái)3300V/6000V/10000V電機(jī),另外1組逆變柜拖動(dòng)1臺(tái)690VAC電機(jī),2臺(tái)電機(jī)通過聯(lián)軸器進(jìn)行機(jī)械連接,一臺(tái)處于電動(dòng)狀態(tài)另一臺(tái)處于發(fā)電狀態(tài),實(shí)現(xiàn)無功電流的循環(huán),滿足高壓變頻器的型式試驗(yàn)和出廠測試。
1.2 逆變器負(fù)載計(jì)算
1.2.1接LC濾波器輸出的逆變器電流計(jì)算
兩臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)電機(jī)軸功率計(jì)算:
由公式1和公式2可得:
電機(jī)額定時(shí)對(duì)逆變器的輸出電流需求計(jì)算如下:
以上時(shí)電源拖動(dòng)2.2MW電機(jī)額定時(shí)的電流,下面計(jì)算幾種應(yīng)用工況的情況:
(1)1.2倍過載時(shí)電流
(2)電壓下降到0.85倍的額定(3300Vac)時(shí)
對(duì)應(yīng)的變頻器輸出電壓需要下調(diào)至85%,即變頻器輸出電壓為
(3)電壓上升1.1倍的額定(3300Vac)時(shí)
考慮輸出電壓上升1.1倍的情況,設(shè)計(jì)變壓器時(shí),逆變器電壓必須依照690/1.1倍設(shè)計(jì),計(jì)算的為:
所以,計(jì)算的單臺(tái)逆變器的最大輸出電流為1327A。
1.2.2回饋用逆變器功率計(jì)算
兩臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)電機(jī)軸功率計(jì)算:
1.2倍過載時(shí)電流
所以,計(jì)算的單臺(tái)回饋用逆變器的最大輸出電流為1255A;
而回饋用逆變器的額定輸出電流為1270A(額定條件,工作溫度40℃),接LC濾波器輸出的逆變器即差57A,回饋用的逆變器最大電流差12A。
因整流部分采用的是基本整流,母線電壓相對(duì)較低(約970Vdc,設(shè)計(jì)按照1200Vdc),IGBT損耗會(huì)低于實(shí)際,所以可以使用?;仞佊媚孀兤鳂?biāo)配的是鋁散熱片,為進(jìn)一步提升輸出電流能力改用銅散熱片。
故經(jīng)過計(jì)算,變頻電源由1臺(tái)進(jìn)線柜+1臺(tái)整流柜+2臺(tái)輸入逆變柜+2臺(tái)拖動(dòng)逆變柜+1臺(tái)制動(dòng)單元這種方式組成,達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化配置。
1.3 正弦波濾波器選型
由于變壓器要給被測變頻器提供一個(gè)正弦波電源,而且變壓器本身沒有承受較高DV/Dt的能力,所以,在T2變壓器的輸出側(cè)必須安裝一個(gè)正弦波濾波器。
三相10kV600A輸入濾波器選型依據(jù):1)共模電感磁芯選用HP2 H152/104/19C,9個(gè)磁環(huán)疊加。線材選用200平方聚酰亞胺繞包線,磁環(huán)內(nèi)部理論可繞12圈,那么共模電感為:
L=9*AL*N2=9*9.1*4*4=1310Uh=1.3mH
2)差模電容選用1uF/3000VAC薄膜電容器,兩個(gè)并接,三個(gè)串接,再結(jié)成星型結(jié)構(gòu)。對(duì)地電容采用20nF/10000VAC薄膜電容器,一端接星型點(diǎn),一端接大地,那么對(duì)大地的共模電容約等于20nF。
3)根據(jù)電感電容值,可以算得150kHz理論衰減倍數(shù)為:
ω2LC=(2πf)2*L*C=(2*3.14*150*103)2*1.3*10-3*20*10-9=23.14
單機(jī)濾波可以衰減:
20lg23.14=20*1.36=27.2dB
三極濾波傳導(dǎo)測試時(shí)共模理論可以衰減81dB。
a)納米晶磁環(huán)雖然電感量更大,但是高頻效果差,應(yīng)對(duì)外界高頻干擾時(shí),HP2 H152/104/19C濾波效果更好,因此優(yōu)先選用HP2 H152/104/19C。
b)電容越大,出現(xiàn)電網(wǎng)不平衡時(shí),會(huì)造成漏電流增加,導(dǎo)致跳閘,因此盡量增加電感,減小電容,同時(shí)做好接地防護(hù),防止發(fā)生觸電事故。
2 系統(tǒng)電壓控制
因礦用防爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器涉及10%過壓、-15%欠壓、過負(fù)荷等試驗(yàn),且要滿足多電壓等級(jí)的產(chǎn)品試驗(yàn),系統(tǒng)內(nèi)涉及到多種電壓控制。
首先,進(jìn)線配電室將10kV進(jìn)線電源經(jīng)過630kVA降壓變壓器變至AC380V電壓,然后經(jīng)過試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)630kVA升壓T1變壓器將電壓變至AC700V±2.5%后進(jìn)入變頻電源,變頻電源經(jīng)過整流單元后,將電壓整流為DC900V,提供給逆變單元,逆變單元將公共直流母線電源逆變?yōu)锳C0-690V可調(diào)整連續(xù)交流輸出,經(jīng)過濾波后,進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)3150kVA升壓T2變壓器,T2變壓器為多輸入電壓和多輸出型變壓器,計(jì)算過防爆變頻器過壓、欠壓、過載、損耗、阻抗、系統(tǒng)壓降等參數(shù),T2變壓器設(shè)置061kV和0.56kV輸入端,設(shè)置3.3 kV±2.5%、6/10 kV±2×2.5%輸出端,經(jīng)過輸入計(jì)量柜和EMC凈化電源濾波器后,到系統(tǒng)內(nèi)礦用3150kVA移動(dòng)T3變壓器,因測試防爆變頻器為12脈波整流防爆變頻器,故T3變壓器需要10kV輸入電壓,經(jīng)T3變壓器輸出2路AC2070V防爆變頻器主電源和1路AC380V防爆變頻器控制電源,防爆變頻器拖動(dòng)AC690V/2.2MW主電機(jī)當(dāng)發(fā)電機(jī),經(jīng)變頻電源逆變后變?yōu)镈C900V直流電,送至公共直流母線,電能在公共直流母線上形成循環(huán)。
通過自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻電源輸出AC0-690V電壓源輸出,可模擬實(shí)際電網(wǎng)電壓變化,對(duì)被測防爆變頻器做過壓、欠壓、過載實(shí)驗(yàn)。
3 電能檢測和計(jì)量
為計(jì)算被測防爆變頻器的輸入功率及損耗、效率,被測電機(jī)的參數(shù)均要進(jìn)行測量,本試驗(yàn)系統(tǒng)配置一臺(tái)功率分析儀完成數(shù)據(jù)檢測任務(wù),共配置6個(gè)功率測試(電壓+電流)通道以及一個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量通道。
該系統(tǒng)電壓等級(jí)涵蓋3.3/6/10KV,最高測試電壓12kV,最大測試電流540A。主要測試項(xiàng)目包含三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、相位角、峰值電壓、峰值電流、峰值因數(shù)、諧波測量、扭矩和轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集各測試通道,電壓、電流參數(shù)可選擇顯示算術(shù)平均值avg、真有效值rms、校準(zhǔn)平均值mean、基波有效值h01;功率根據(jù)需要可選擇總有功功率Pavg,基波有功功率Ph01。
測量誤差: U/I基本精度0.1%;P基本精度0.2%
本測試系統(tǒng)由4只12kV霍爾電壓傳感器、6只500A霍爾電流傳感器、DT數(shù)字變送器6臺(tái)、DM分布式測控系統(tǒng)一套(含DM雙通道頻率測試子站一臺(tái)、DMC數(shù)字主機(jī)一臺(tái))、動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器一臺(tái)、WP變頻功率分析儀一臺(tái)及擴(kuò)展上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件一套構(gòu)成。
變頻器輸入與輸出側(cè)的三相電參量(電壓、電流)由霍爾傳感器獲取,三相電壓由兩表法進(jìn)行測量(如圖),6臺(tái)DT數(shù)字變送器對(duì)霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行高精度采集(編號(hào)DT1-DT6),每臺(tái)DT變送器可同時(shí)采集一相支路的電壓和電流信號(hào)的各個(gè)瞬態(tài)特征值(幅值、頻率、相位),采集數(shù)據(jù)在變送器內(nèi)部數(shù)字化,由光纖傳輸至WP功率分析儀,被測高壓電機(jī)的輸出軸功率參量由扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器獲取后,輸出頻率信號(hào)由DM(編號(hào)DM1)進(jìn)行采集,傳輸至DMC數(shù)字主機(jī),DMC數(shù)字主機(jī)通過RS232接口與WP4000功率分析儀進(jìn)行通訊。WP內(nèi)置同步源,保障6臺(tái)DT變送器和DM模塊數(shù)據(jù)采集的同步性。同時(shí),WP將變送器及DMC主機(jī)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析,得出信號(hào)的穩(wěn)態(tài)特征值顯示在屏幕上。
4 PLC保護(hù)功能設(shè)計(jì)
因?yàn)閷?shí)驗(yàn)加載平臺(tái)是高壓設(shè)備,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)安全操作邏輯判斷,如操作工人誤操作,系統(tǒng)立即將判斷錯(cuò)誤點(diǎn),切除高壓真空接觸器、急停變頻電源等線路所有高壓設(shè)備,如有嚴(yán)重故障,系統(tǒng)會(huì)緊急停機(jī),總電源跳閘。設(shè)計(jì)了主回路高壓漏電閉鎖、接地故障、綜合保護(hù)、油溫、油壓、電機(jī)振動(dòng)、電機(jī)軸溫、循環(huán)水溫度、壓力、流量監(jiān)測、溫度記錄等保護(hù)功能,所有故障點(diǎn)排除后才允許加載實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。
5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用效果
本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際可為多電壓等級(jí)下礦用防爆變頻器、通用高壓變頻器、或變頻一體機(jī)和其他涉及逆變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全部集成到總系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬實(shí)際工況,模擬各類諧波,發(fā)出干擾、創(chuàng)造無功功率,可以記錄、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并且將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳,為我司和其他公司技術(shù)人員提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)。
6 結(jié)語
本文描述了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要選型依據(jù)和功能,并且實(shí)際工程驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性,可作為變頻器電機(jī)實(shí)驗(yàn)負(fù)載平臺(tái)的參考文獻(xiàn)。