柱上斷路器

1 引言 　在國產(chǎn)高壓變頻器的設(shè)計中，為了提高高壓變頻器內(nèi)部控制的靈活性以及在現(xiàn)場應(yīng)用的可擴(kuò)展性，通常在高壓變頻器中內(nèi)置PLC。自從20世紀(jì)70年代第一臺PLC誕生以來，PLC的應(yīng)用越來越廣泛、功能越來越完善，除了具有強(qiáng)大的邏輯控制功能外還具其他擴(kuò)展功能：A/D和D/A轉(zhuǎn)換、PID閉環(huán)回路控制、高速記數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能，并可以通過上位機(jī)進(jìn)行顯示、報警、記錄、人機(jī)對話，使其控制水平大大提高。

2 高壓變頻器簡介 　新一代高性能ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為直接高-高型變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過直接調(diào)節(jié)接入高壓電機(jī)定子繞組的電源頻率和電壓來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)從而達(dá)到節(jié)能的目的。它是集大功率電力電子控制技術(shù)、微電子技術(shù)、高速光纖通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)和高電壓技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用主流高性能專用雙DSP控制系統(tǒng)和大規(guī)模集成電路設(shè)計，通過精確的數(shù)字移相技術(shù)和波形控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓電機(jī)的靈活調(diào)節(jié)和能耗控制。 　　

3 PLC在國產(chǎn)高壓變頻器中的設(shè)計使用 　　

3.1 PLC主要邏輯控制 （1）用戶要求高壓變頻器在出現(xiàn)故障停機(jī)時能快速自動切換到工頻旁路運(yùn)行，筆者給高壓變頻器專門配置了可以實(shí)現(xiàn)自動旁路功能的旁路柜，如圖1所示，K1～K4為手動操作刀閘，J1～J3為高壓真空接觸器。在變頻器發(fā)生故障時，旁路柜可以在幾秒內(nèi)完成從變頻到工頻的轉(zhuǎn)換；而變頻器在工頻運(yùn)行時，通過1個按鈕就可以實(shí)現(xiàn)變頻器從工頻到變頻的轉(zhuǎn)換。這樣的控制要求增加了變頻器整機(jī)控制邏輯的復(fù)雜性。 自動旁路柜控制邏輯簡要介紹如下： 變頻調(diào)速系統(tǒng)退出變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行有兩種方式，一種是自動方式，一種是手動方式，選擇自動方式時，當(dāng)變頻器發(fā)生停機(jī)故障時變頻器自動從變頻轉(zhuǎn)工頻；選擇手動方式時則需人工操作。 變頻調(diào)速系統(tǒng)退出工頻轉(zhuǎn)變頻運(yùn)行也有兩種方式，一種是自動方式，一種是手動方式，選擇自動方式時，只需在控制柜上按一個按鈕，變頻器就自動完成從工頻轉(zhuǎn)變頻；選擇手動方式時則需人工操作。 　　

3.2 PLC控制系統(tǒng)原理 　PLC主機(jī)選用輸入輸出點(diǎn)數(shù)48點(diǎn)，型號為FX2N-48MR，PLC作為系統(tǒng)邏輯量控制的控制核心，在自動旁路柜的邏輯關(guān)系控制中起著至關(guān)重要的作用。旁路柜的邏輯控制要求比較復(fù)雜，采用PLC控制，接線簡單，提高了可靠性；旁路柜的邏輯更改也變得很簡單，只需修改PLC梯形圖程序就可以了，很方便滿足用戶現(xiàn)場的控制要求。

3.3 PLC功能指令實(shí)現(xiàn)高壓變頻器PID閉環(huán)控制 　用戶現(xiàn)場對變頻器閉環(huán)控制提出的要求是：變頻器能夠根據(jù)用戶系統(tǒng)用水量的變化，自動調(diào)整變頻泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)恒壓供水；同時還可以在液晶屏上設(shè)定壓力目標(biāo)值。 針對用戶的要求，PLC另外配置了模擬特殊模塊FX2N-4AD和FX2N-2DA。FX2N-4AD為模擬輸入模塊，有四個輸入通道，最大分辨力12位，模擬值輸入范圍為-10V～10V或者4～20mA；FX2N-2DA為模擬輸出模塊，有2個輸出通道，最大分辨力12位，模擬值輸出值范圍為-10V到10V或者4到20mA。這樣通過讀取指令（FROM）和寫入指令（TO），以及PLC帶有的PID閉環(huán)控制功能指令（如圖3所示），就可以實(shí)現(xiàn)對用戶現(xiàn)場的管網(wǎng)水壓進(jìn)行PID閉環(huán)控制。 其具體編程過程是這樣：PLC讀取指令（FROM）讀取用戶水壓反饋值，把反饋值用移動指令（MOV）存入PID指令中的D12數(shù)據(jù)地址里；把用戶的水壓設(shè)定值用移動指令（MOV）存入PID指令中的D10數(shù)據(jù)地址里；D200～D222保存PID的運(yùn)行參數(shù)；

D14為PID指令的運(yùn)算值輸出，通過PLC的寫入指令（TO）把PID閉環(huán)運(yùn)算結(jié)果D14寫入模擬輸出模塊，再通過模擬輸出模塊轉(zhuǎn)換成-10V～10V或者4～20mA的模擬信號送入高壓變頻器控制器進(jìn)行頻率設(shè)定。在進(jìn)行PID運(yùn)行參數(shù)設(shè)置時，P、I、D的參數(shù)設(shè)定尤其重要，其設(shè)定的好壞直接關(guān)系到管網(wǎng)水壓控制的好壞。P表示比例增益，設(shè)定范圍為0～99（%），比例調(diào)節(jié)設(shè)定大，系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例增益，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；I表示積分時間，設(shè)定范圍為0～32767（*100ms），積分時間越小，積分作用就越強(qiáng)，反之I越大則積分作用弱；D表示微分時間，設(shè)定范圍為0～32767（*10ms），微分調(diào)節(jié)有超前的控制作用，合適的微分時間能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 　　

3.4 PLC功能指令實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器上位機(jī)通信 　為了使變頻器上位機(jī)能對PLC進(jìn)行顯示、報警及記錄，PLC還配置了通信模塊FX2N-232BD，實(shí)現(xiàn)與變頻器上位機(jī)的串口通信，PLCRS232串口通信可使用無協(xié)議（RS指令）或?qū)Ｓ脜f(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，本例中使用無協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。

4 結(jié)語 　高壓變頻器自動旁路柜采用PLC進(jìn)行旁路邏輯控制，通過運(yùn)行的智光高壓變頻器模擬故障說明，高壓變頻器自動旁路柜在從變頻轉(zhuǎn)工頻，工頻轉(zhuǎn)變頻的相互切換非常方便，能在10s以內(nèi)完成，大大提高了水泵運(yùn)行的可靠性?，F(xiàn)場PID閉環(huán)控制效果非常理想，水壓波動非常小，波動在超過0.1kg時，變頻器能迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，把水壓控制在設(shè)定范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時不會產(chǎn)生任何振蕩。同時通過PLC與高壓變頻器控制器的串口RS-232通信，在高壓變頻器液晶屏上能監(jiān)視系統(tǒng)管網(wǎng)水壓及PLC各種狀態(tài)量。

1、前言　　目前世界上的高壓變頻器不像低壓變頻器一樣具有成熟一致的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而限于功率器件的電壓耐量和高壓使用的矛盾，國內(nèi)外各高壓變頻器的生產(chǎn)廠商采用不同的功率器件和不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的電壓等級和各種拖動的設(shè)備要求，因而在各項性能指標(biāo)和適應(yīng)范圍上也各有差異。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：（1）功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻；（2）采用HV-IGBT、IGCT的多電平電壓源型變頻器；（3）采用LV-IGBT的單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器等?！　?/p>

2、單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器技術(shù)

2.1 西門子羅賓康公司利用單元串聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出功率為315kW～10MW的完美無諧波　?。≒ERFECTHARMONY）高壓變頻器，無須輸出變壓器實(shí)現(xiàn)了直接3.3kV或6kV高壓輸出；首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT功率開關(guān)器件，達(dá)到了完美無諧波的輸出波形，無須外加濾波器即可滿足各國供電部門對諧波的嚴(yán)格要求；輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD<1%，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內(nèi)）高達(dá)97%。達(dá)到這么高指標(biāo)的原因是采用了三項新的高壓變頻技術(shù)：一是在輸出逆變部分采用了具有獨(dú)立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加；二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù)；三是在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)?！　?/p>

2.2 單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器主電路基本構(gòu)成　所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實(shí)現(xiàn)完美無諧波變頻。　　

2.2.1 6kV變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)　圖1為6kV變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V?！　?/p>

2.2.2 五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接　圖2為五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接，每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個12°的相位差。每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器?！　?/p>

2.2.3 功率單元電路　　圖3為功率單元電路，每個功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0?！　?/p>

2.2.4 一相合成的正波輸出電壓波形。圖4為一相合成的正波輸出電壓波形。　　

2.3 多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器技術(shù)分析　　多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個信號，分別控制A1～A5五個功率單元，經(jīng)疊加可得具有11級階梯電平的相電壓波形，線電壓波型具有21階梯電平，它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2%和0.8%，堪稱完美無諧波變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)5個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、dv/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。　　

所以這種變頻器對電機(jī)無特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96%以上?！　?/p>

2.4 單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)

2.4.1 單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)（1）由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟，價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求；（2）完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場合及電機(jī)使用；（3）由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正?；蚪殿~運(yùn)行。　　

2.4.2 單元串聯(lián)多重化變頻器的缺點(diǎn)（1）使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置成問題；（2）無法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，且無法實(shí)現(xiàn)制動；（3）當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不同時無法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。　　3、高壓變頻器運(yùn)行過程中存在的問題及其對策　　自從高壓變頻器進(jìn)入中國市場以來，在短短的十幾年時間里得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，高壓變頻器以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的青睞。隨著高壓變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面： 　　（1）諧波問題。（2）發(fā)熱問題?！　?/p>

3.1 諧波問題對策　隨著高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。諧波問題已從高壓變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與生產(chǎn)中得到很大改善?！　?/p>

3.2 發(fā)熱問題及其對策　變頻器是一種精密的電氣設(shè)備，其發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。因變頻器內(nèi)部有很多的電路板以及電解電容組成，決定了它運(yùn)行中對環(huán)境的要求比較高，同時由于元器件本身的差異，即使同批次的產(chǎn)品也存在一些差異，這就導(dǎo)致了變頻器之間的差異也比較多。環(huán)境對設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有著很大的影響，高溫高濕及高污染的環(huán)境大大降低了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。例：我廠2009年9月18日變頻器功率單元過熱導(dǎo)致電容燒毀故障原因的分析：我廠2008年在延遲焦化3300KW氣壓機(jī)上投用的西門子公司生產(chǎn)的羅賓康3300KW高壓變頻器，于2009年9月18日出現(xiàn)因溫度高而造成功率單元電容器爆炸，引起單元IGBT爆炸，造成高壓變頻器跳機(jī)。當(dāng)時現(xiàn)場環(huán)境高壓變頻器室存在負(fù)壓，周圍的炭粉等容易進(jìn)入變頻器室。該變頻室的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計為地下抽風(fēng)，潮濕的空氣容易進(jìn)入房間。　　

3.2.1 高壓變頻器的故障原始記錄與分析（1）變頻器的故障原始記錄（如圖5-7）。（2）變頻器的故障原始記錄分析。根據(jù)上述原始故障事件記錄以及功率單元的照片，分析如下：變頻器最早于2009年8月18日10：51分出現(xiàn)接地故障，其機(jī)理為它的輸入電源三相電壓相差40%以上，變頻器就發(fā)出這個報警，但此時變頻器還在運(yùn)行中，該報警一直持續(xù)到8月19日的5：07分，此時變頻器出現(xiàn)A4overtemperature報警，報警于9：27分復(fù)位，在下午的14：27分，出現(xiàn)多個功率單元過溫報警，并且于14：44分，A4功率單元最終導(dǎo)致過溫故障而被旁路，因?yàn)橛信月废到y(tǒng)，所以變頻器繼續(xù)運(yùn)行而沒有停機(jī)，在15：04分，另一個功率單元A5也因?yàn)楣β蕟卧^溫故障而被旁路，變頻器仍然沒有停機(jī)，很快15：05分，B5功率單元也由于同樣的過溫故障而被旁路掉，變頻器在三個單元都被旁路后仍然在繼續(xù)運(yùn)行中，一直到15：06分，變頻器由于B4功率單元OOS故障而停止了運(yùn)行。將這些功率單元拆開看，變頻器B5單元損壞最為嚴(yán)重，其中一個電容擊穿，其余有幾個電容發(fā)熱閥打開，確定為外部受熱，導(dǎo)致電容損壞，電容損壞后，電容瞬間短路，導(dǎo)致IGBT短路爆炸?？梢源_定的是，變頻器的這些故障，都是由于變頻器過熱所導(dǎo)致的。

3.2.2 功率單元損壞原因（1）高壓變頻器在8月18日出現(xiàn)接地故障。接地故障是由于變頻器電壓不平衡，這樣總的電壓就會下降，而變頻器的高壓與控制系統(tǒng)的低壓系統(tǒng)屬于一個母線，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的電壓降低，由于控制部分由UPS供電，對它沒有任何影響；但對于風(fēng)機(jī)影響較大，風(fēng)機(jī)的電壓降低，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會降低，那么變頻器的散熱就會受到影響，同時空調(diào)的正常工作受到了影響，其冷卻能力打了折扣，這就解釋了為什么變頻器在5：07分出現(xiàn)變頻器A4overtemperature報警，但因熱量已經(jīng)在內(nèi)部累積，無法將這些熱量及時散發(fā)出去。（2）變頻器通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足要求。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)變頻器的房間已經(jīng)形成負(fù)壓，打開房間的門是十分困難的，需要很大的力氣才能打開，測量濾網(wǎng)上的風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)最低的地方是1.3米/S，最高的地方是2.3米每秒，可以看出，糾其原因是因?yàn)闉V網(wǎng)堵塞，造成風(fēng)速不均勻，并且房間發(fā)生負(fù)壓，產(chǎn)生的熱量不能有效的排出變頻器柜外，這也是過熱的原因之一?！　?/p>

綜上，以上兩種因素導(dǎo)致變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不能及時排除柜外，而在柜內(nèi)累積。即使后來風(fēng)機(jī)的速度恢復(fù)正常，但由于一直以來變頻器的散熱已經(jīng)處于臨界狀態(tài)飽和，內(nèi)部累積的熱量加上后來產(chǎn)生的熱量無法及時排除柜外，最終造成變頻器過熱而損壞功率單元，這就是此次事故的原因?！　?/p>

3.3 對策　根據(jù)以上的原因，可以采取措施來改善目前的狀況：（1）由于目前房間的濾網(wǎng)是固定式的，當(dāng)濾網(wǎng)發(fā)生堵塞的時候，房間的進(jìn)風(fēng)量減少，不能滿足要求，從而房間負(fù)壓增大。建議要將房間進(jìn)風(fēng)口的濾網(wǎng)做成可更換式的，準(zhǔn)備兩套濾網(wǎng)，定期檢查，定期清潔，保持清潔就是保持通風(fēng)良好，保證進(jìn)風(fēng)量充足。（2）變頻器的發(fā)熱量主電路約占98%，控制電路占2%，其散熱主要靠柜頂風(fēng)機(jī)風(fēng)扇散熱，將變頻器箱體內(nèi)部熱量帶走。如果此風(fēng)扇電源不穩(wěn)定，則風(fēng)扇的風(fēng)量就會波動，絕對影響變頻器的散熱。（3）降低安裝環(huán)境溫度：由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元、電解電容等，所以溫度對其壽命影響比較大。高壓變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求-10℃～-50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運(yùn)行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長，性能也比較穩(wěn)定?！　?/p>

4、結(jié)語　本文通過對高壓變頻的基本構(gòu)成及技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的分析，提出了解決這些問題的實(shí)際對策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補(bǔ)償來解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器也會不久面世。