胡 平
(中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心,江蘇儀征 211900)
設(shè)備改造
基于ACS2000 DFE中壓變頻器的PTA攪拌器傳動系統(tǒng)改造
胡 平
(中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心,江蘇儀征 211900)
介紹了ACS2000 DFE中壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)、電源配置、控制系統(tǒng)構(gòu)成、電平輸出原理及直接轉(zhuǎn)矩控制。闡述了在PTA攪拌器傳動系統(tǒng)改造中,ACS2000 DFE中壓變頻器一鍵自動起停、速度切換及調(diào)節(jié)、報警及故障輸出、運行狀態(tài)監(jiān)測的參數(shù)及接線設(shè)計。通過對ACS2000 DFE中壓變頻器的外部報警及聯(lián)鎖設(shè)計分析,提出了外部聯(lián)鎖變更的參考方案。
中壓變頻器 傳動系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制 外部聯(lián)鎖
ACS2000中壓變頻器是ABB公司為0.2~2 MVA功率范圍中壓用戶開發(fā)的產(chǎn)品。因其結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、安裝調(diào)試方便而頗具市場競爭力,同時該產(chǎn)品絕大部分元器件也在國內(nèi)生產(chǎn),可縮短交貨時間并提供更及時的服務(wù)。基于上述原因并考慮控制的復(fù)雜程度、運行成本等因素,儀化公司PTA生產(chǎn)中心選用二極管整流的ACS2000 DFE風(fēng)冷型中壓變頻器對PTA反應(yīng)器攪拌器傳動系統(tǒng)進行了改造。筆者從ACS2000 DFE中壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理入手,介紹了改造中一鍵自動啟停、速度切換及調(diào)節(jié)、運行狀態(tài)監(jiān)測、報警及故障輸出的設(shè)計與實現(xiàn)。通過對ACS2000 DFE變頻器的聯(lián)鎖設(shè)計分析,討論了使用DCS系統(tǒng)進行變頻器運行監(jiān)控后,變頻器外部聯(lián)鎖設(shè)置的必要性,并提出了ACS2000 DFE中壓變頻器外部聯(lián)鎖變更的參考方案。
1.1 ACS2000 DFE硬件拓撲結(jié)構(gòu)
圖1所示,ACS2000 DFE風(fēng)冷型中壓變頻器由變壓器柜、控制柜、EMC柜及整流逆變柜組成,配置的2臺冷卻風(fēng)機分別安裝于變壓器柜及整流逆變柜柜頂。為保證對變頻器整流逆變柜的安全維護,在EMC柜內(nèi)安裝了一只接地開關(guān),盤面上為接地開關(guān)的操作手柄。變頻器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.2 ACS2000 DFE變頻器電源配置
圖1 ACS2000 DFE變頻器外觀圖
ACS2000 DFE變頻器需要兩路獨立的電源,即用于電源電子元件的主電源及用于控制和冷卻設(shè)備的輔助電源(如圖3所示)。其中,主電源由輸入隔離變壓器向變頻器供應(yīng),而輔助電源提供以下備選方案:
a)由一路三相電源提供全部輔助電源;
b)兩路三相電源,從一路電源切換到另一路電源由變頻器自動控制;
c)一路三相電源和一路單相電源;
d)兩路三相電源和兩路單相電源。根據(jù)該中心電源配置情況,選用一路三相電源作為變頻器主電源,輔助電源由UPS提供。
1.3 ACS2000 DFE變頻器控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
如圖4所示,ACS2000 DFE控制系統(tǒng)主要由AMC板、INU接口板、相接口板(Phase INT)、I/O板(IOEC modules)、操作盤(CDP)及總線適配器(Filedbus adapter)組成。轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等相關(guān)的變量均由控制系統(tǒng)監(jiān)控,并采用預(yù)編程的保護功能,保證上述變量不超出限值,確保變頻器的安全運行。
圖2 ACS2000 DFE結(jié)構(gòu)框圖
圖3 ACS2000 DFE變頻器電源配置
AMC板是整個控制系統(tǒng)的核心,它的作用是處理變頻器狀態(tài)信息,完成速度和轉(zhuǎn)矩控制任務(wù),監(jiān)控變頻器的運行。
IOEC板是變頻器與外部設(shè)備連接的媒介,主回路斷路器(MCB)、接地開關(guān)、門聯(lián)鎖系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等外部設(shè)備及變頻器內(nèi)部數(shù)字量及模擬量輸入/輸出信號均通過IOEC模塊與控制系統(tǒng)連接,IOEC板各個通道的激活與調(diào)整可通過參數(shù)實現(xiàn)。標準的輸入/輸出包括一個外部模塊(IOEC 2)和一個針對變頻器操作的內(nèi)部模塊(IOEC 1),提供用于滿足大多數(shù)應(yīng)用的標準控制與監(jiān)視功能。當需要額外輸入與輸出時,可配置擴展輸入/輸出,包括一個外部模塊(IOEC 4)和一個內(nèi)部模塊(IOEC 3)。
INT板用于短路檢測并控制逆變器的相模塊驅(qū)動板。相模塊驅(qū)動板完成逆變器內(nèi)部元件的導(dǎo)通與關(guān)斷控制。
各模塊之間除INT接口板與AMC板之間直接通過64針扁平電纜連接外,其余板塊間的通訊均通過光纖完成。
圖4 ACS2000 DFE控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
2.1 電平輸出
如圖5所示,ACS2000變頻器的逆變器為中性點鉗位3相逆變器,每相包含12只IGBT和一只相電容。逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)可以看成是電流回路上帶有H橋的3電平中性點鉗位逆變器。Cell1和Cell2屬于H橋部分,Cell3屬于3電平鉗位逆變器部分(如圖6所示)。3電平中性點鉗位逆變器的直流電壓為-V,0和+V,相電容Cf的電壓為V/2,則通過調(diào)節(jié)3電平中性點鉗位逆變器,可輸出電壓范圍為V的電壓,而通過調(diào)節(jié)H橋部分可輸出電壓范圍為V/2的電壓。因此5電平中性點鉗位逆變器每相輸出5個不同的電壓,即V,V/2,0,-V/2和-V,開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。根據(jù)開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系,通過控制每相逆變器元件的開關(guān),相間即可獲得9電平輸出。
圖5 相模塊結(jié)構(gòu)
圖6 相模塊結(jié)構(gòu)劃分
表1 開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)電壓
2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制[2]
直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖7所示,逆變器的開關(guān)狀態(tài)由電機的磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制。測量的電機電流和直流母線電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入,該模型每25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值。電機轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較,磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較。依靠來自這兩個比較器的輸出,優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)。這樣的控制方式優(yōu)點如下:
a)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式BANGBANG控制器,并在逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓波形,避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量,省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制,簡化了控制器結(jié)構(gòu);
b)以定子磁鏈為基準進行運算和控制,計算磁鏈的模型不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響,提高了控制的魯棒性;
c)在加減速或負載變化的動態(tài)過程中,可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。
應(yīng)用ACS2000 DFE變頻器對攪拌器傳動系統(tǒng)進行改造,在保證傳動系統(tǒng)運行穩(wěn)定的同時,需根據(jù)現(xiàn)場實際情況,完善啟??刂婆c速度調(diào)節(jié)、優(yōu)化DCS對傳動系統(tǒng)的監(jiān)控及聯(lián)鎖。改造主要包含以下幾方面內(nèi)容:
a)一鍵啟停變頻器;b)高低速切換及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);c)運行狀態(tài)監(jiān)測;d)報警及故障設(shè)置。
3.1 一鍵啟??刂?/p>
如圖8所示,通常情況下ACS2000 DFE需要2個控制命令分別進行進線斷路器合閘及電機啟動,根據(jù)該中心攪拌器電機原有控制方式,需采用一鍵啟??刂?,即現(xiàn)場按下啟動按鈕后,變頻器風(fēng)機運轉(zhuǎn)并開始進行直流回路充電,充電結(jié)束后合高壓進線開關(guān),變頻器進入準備運行狀態(tài)后,啟動命令由變頻器直接輸出,電機啟動并以設(shè)定的恒定轉(zhuǎn)速運行。當現(xiàn)場按下停止按鈕后,變頻器停止輸出,之后發(fā)出停高壓進線開關(guān)命令,高壓開關(guān)分斷后進行直流回路放電,風(fēng)機經(jīng)延遲后停止運轉(zhuǎn),現(xiàn)場電機以自由停車方式運行,直至轉(zhuǎn)速降為零。
為實現(xiàn)直接通過現(xiàn)場電機操作柱按鈕完成一鍵啟停控制,將變頻器啟動參數(shù)11.01設(shè)置為自動啟動模式,將現(xiàn)場操作柱啟動、停止按鈕的接線引至72.12至72.14參數(shù)選擇的輸入端口,并通過11.07設(shè)置按鈕的接線類型。同時為區(qū)分正常停車與聯(lián)鎖停車,便于在變頻器停車時及時判斷停車命令的來源,將DCS聯(lián)鎖停車命令作為變頻器緊急停車輸入,即當DCS聯(lián)鎖時變頻器緊急停車。
圖7 直接轉(zhuǎn)矩控制框圖
圖8 變頻器啟動、停止及緊急停止順序
3.2 高低速切換及速度調(diào)節(jié)
根據(jù)工藝對攪拌器電機轉(zhuǎn)速的要求,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需采用兩段控制,即低速時限定變頻器轉(zhuǎn)速輸出為恒定轉(zhuǎn)速720 r/min,切換至高速后,變頻器根據(jù)DCS輸出的4~20 mA信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。為防止調(diào)速信號丟失導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速下降造成系統(tǒng)停車,將參數(shù)設(shè)置為切換至高速后調(diào)速信號丟失保持恒定轉(zhuǎn)速1 489 r/min運行。
因變頻器恒速選擇輸入為0時,恒速運行,輸入為1時取消恒速選擇。而DCS系統(tǒng)設(shè)計的邏輯為工藝未開車時輸出1,即禁止切高速,電機以恒定低速運行,當工藝條件滿足時輸出0信號,允許切換至高速運行或根據(jù)給定進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),二者邏輯相反。為根據(jù)DCS輸出邏輯實現(xiàn)轉(zhuǎn)速切換控制,在變頻器柜內(nèi)安裝1只中間繼電器進行觸點類型轉(zhuǎn)換,將中間繼電器的常開點接至變頻器恒速選擇輸入接口。
3.3 運行狀態(tài)監(jiān)測
為在中控室監(jiān)控變頻器及電機的運行狀態(tài),將變頻器檢測的電機電流、實際功率、轉(zhuǎn)速通過IOEC板的AO輸出至DCS系統(tǒng);將風(fēng)機回路接觸器的輔助觸點作為風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)測點引至DCS系統(tǒng);變壓器繞組溫度通過變送器輸出至DCS系統(tǒng)。
3.4 故障及報警設(shè)置
為及時發(fā)現(xiàn)變頻器的報警、便于對系統(tǒng)停車的原因進行區(qū)分、判斷,取變頻器報警及跳閘信號對應(yīng)的狀態(tài)字通過IOEC板輸出至DCS系統(tǒng)。
改造后系統(tǒng)單線圖如圖9所示。變頻器部分參數(shù)設(shè)置詳見表2所示。
表2 ACS2000部分參數(shù)設(shè)置
圖9 系統(tǒng)單線圖
ACS2000 DFE變頻器外部聯(lián)鎖保護為風(fēng)壓及溫度,包括集成變壓器繞組溫度的聯(lián)鎖、集成變壓器柜內(nèi)風(fēng)壓聯(lián)鎖、環(huán)境溫度聯(lián)鎖及整流逆變柜內(nèi)風(fēng)壓聯(lián)鎖。
圖10 風(fēng)壓報警及聯(lián)鎖接線圖
4.1 風(fēng)壓聯(lián)鎖設(shè)計
ACS2000 DFE變頻器在變壓器柜及整流逆變柜內(nèi)各放置了2個風(fēng)壓開關(guān)進行風(fēng)壓報警及聯(lián)鎖,接線如圖10所示。變壓器柜內(nèi)的風(fēng)壓開關(guān)1只檢測變壓器柜外部風(fēng)壓(P1)及變壓器前方風(fēng)壓(P2),1個檢測變壓器前方風(fēng)壓(P2)及變壓器后方風(fēng)壓(P3),整流逆變柜內(nèi)的2只風(fēng)壓開關(guān)則分別檢測柜外風(fēng)壓(P1)及模塊前方風(fēng)壓(P2)、模塊前方風(fēng)壓及模塊后方風(fēng)壓(P3)。3個風(fēng)壓值之間及其與報警、聯(lián)鎖風(fēng)壓設(shè)定值的關(guān)系為:
a)P1>P2,當P1-P2<P(濾網(wǎng)報警風(fēng)壓設(shè)定值)時,變頻器報濾網(wǎng)故障;
b)P2>P3,P2-P3>P(風(fēng)壓聯(lián)鎖設(shè)定值)時,變頻器聯(lián)鎖停車。
變壓器內(nèi)風(fēng)壓報警開關(guān)動作值110 Pa,風(fēng)壓聯(lián)鎖開關(guān)動作值240 Pa,整流逆變柜內(nèi)風(fēng)壓報警開關(guān)動作值180 Pa,風(fēng)壓聯(lián)鎖開關(guān)動作值240 Pa。
4.2 變頻器環(huán)境溫度聯(lián)鎖設(shè)計
在ACS2000 DFE變頻器控制柜內(nèi)下方安裝了1只測溫鉑電阻,用于測量變頻器環(huán)境溫度,信號直接接至變頻器輸入輸出板,參數(shù)設(shè)定變頻器環(huán)境溫度報警值45℃,聯(lián)鎖值55℃。
變頻器環(huán)境溫度的檢測原理如圖11所示,IOEC1接口板的模擬量輸出口AO02輸出4 mA直流電流信號,電流流經(jīng)測溫鉑電阻元件在鉑電阻上產(chǎn)生直流電壓,鉑電阻兩端電壓隨著鉑電阻電阻值的改變而改變。該電壓信號接入IOEC1接口板的模擬量輸入口AI01,AI01根據(jù)檢測到的電壓值來判斷環(huán)境溫度。聯(lián)鎖是否誤動作完全取決于鉑電阻的穩(wěn)定性與直流電源的精度。
4.3 變壓器繞組溫度聯(lián)鎖設(shè)計
變壓器繞組的溫度通過嵌入變壓器繞組內(nèi)的鉑電阻來測量,如圖12所示,鉑電阻信號經(jīng)溫度變送器變換后送至變頻器接口板。變頻器根據(jù)輸入的4~20 mA信號判斷變壓器繞組溫度值,并以31.02、31.03參數(shù)的設(shè)定值進行變壓器繞組溫度報警及聯(lián)鎖。當鉑電阻接線松動導(dǎo)致阻值超過設(shè)定上限或溫度變送器故障時,變頻器將誤判斷為變壓器繞組溫度過高,直接聯(lián)鎖停車。
4.4 進線變壓器柜頂風(fēng)機及整流逆變柜頂風(fēng)機跳閘聯(lián)鎖
變頻器進線變壓器柜頂風(fēng)機及整流逆變柜頂風(fēng)機電源開關(guān)輔助點接線連接至變頻器輸入輸出板,變頻器接到風(fēng)機電源開關(guān)跳閘信號后,將報故障并觸發(fā)停車邏輯。
考慮變頻器測量元件自身及回路的可靠性及聯(lián)鎖動作時對生產(chǎn)造成的影響,可對變頻器外部保護聯(lián)鎖做相應(yīng)變更,以避免元器件故障、接線松動等造成變頻器的非正常停車。
圖11 環(huán)境溫度檢測接線圖
圖12 變壓器繞組溫度監(jiān)測接線圖
5.1 變壓器繞組溫度高報聯(lián)鎖變更
取消變頻器對進線變壓器繞組的溫度監(jiān)測及保護,將進線變壓器繞組溫度信號直接送至DCS進行監(jiān)測及報警。需對進線變壓器繞組溫度聯(lián)鎖保護時,則可在DCS組態(tài)成3取2聯(lián)鎖邏輯,降低誤報率,提高可靠性的同時,更好地實現(xiàn)變壓器繞組溫度的聯(lián)鎖保護。
因ACS2000變頻器配置集成變壓器時對變壓器三相繞組的溫度監(jiān)測無法全部取消,可通過31.04參數(shù)設(shè)置保留對U相的溫度監(jiān)測,并在回路中串入一只電阻或提供一個虛擬的4~20 mA模擬輸入,作為U相溫度監(jiān)測的輸入信號,以避免變頻器因U相測溫回路故障而導(dǎo)致停車。
5.2 變壓器柜及整流逆變柜內(nèi)風(fēng)壓聯(lián)鎖變更
因變壓器柜內(nèi)空間較大且連通性較好,且風(fēng)壓設(shè)置了報警,當風(fēng)壓出現(xiàn)問題時,可以通過風(fēng)壓報警及時發(fā)現(xiàn),同時集成變壓器繞組溫度在DCS已設(shè)置監(jiān)測,故可保留風(fēng)壓報警,取消風(fēng)壓聯(lián)鎖,以保證不會因風(fēng)壓開關(guān)誤動作造成變頻器故障停車。
對于整流逆變柜,因模塊前后有散熱片隔離,為保證散熱所需的足夠風(fēng)量,模塊前后的風(fēng)壓監(jiān)測直接觸發(fā)聯(lián)鎖。整流逆變柜內(nèi)共2個整流單元、3個逆變單元,考慮各單元無溫度檢測及保護,需保留風(fēng)壓報警及聯(lián)鎖,以保護整流逆變單元。
5.3 變頻柜環(huán)境溫度報警及聯(lián)鎖
因環(huán)境溫度檢測鉑電阻安裝在控制柜內(nèi),控制柜與變壓器柜相鄰,環(huán)境溫度檢測易受到變壓器散熱的影響,可通過配置空調(diào)來保證變頻器運行環(huán)境溫度的前提下,通過修改54.01的參數(shù)設(shè)置取消溫度聯(lián)鎖,避免變頻器環(huán)境溫度誤報造成變頻器聯(lián)鎖停車。
5.4 變壓器柜頂風(fēng)機及整流逆變柜頂風(fēng)機跳閘聯(lián)鎖
進線變壓器柜、整流逆變柜頂配置風(fēng)機的目的,是為了及時散出變壓器及整流逆變元件工作時產(chǎn)生的熱量。風(fēng)機跳閘時,對于變壓器柜可使用溫度聯(lián)鎖保護作為后備保護,而整流逆變柜未配置溫度保護,需保留柜頂風(fēng)機跳閘聯(lián)鎖,以保護整流逆變單元。另外參考改造前傳動系統(tǒng)的聯(lián)鎖設(shè)置,可考慮增加整流逆變柜內(nèi)部溫度檢測,將信號送DCS進行監(jiān)控、報警及聯(lián)鎖,取消風(fēng)壓的聯(lián)鎖保護,以減小誤動作的幾率。
變更上述聯(lián)鎖后,對變頻器的報警監(jiān)測就變得尤為重要。除依據(jù)送至DCS的報警信號進行報警監(jiān)測外,需加強對變頻器運行的溫度檢測,以便及時發(fā)現(xiàn)、處理變頻器溫度異常,保證變頻器的穩(wěn)定運行。
介紹了基于ACS2000 DFE中壓變頻器PTA攪拌器傳動系統(tǒng)的改造,對ACS2000 DFE系列變頻器的結(jié)構(gòu)及原理進行了敘述,詳細闡述了變頻器啟動、調(diào)速及輸入輸出的相關(guān)設(shè)置及參數(shù)實現(xiàn),并對變頻器外部聯(lián)鎖的原理及設(shè)計進行了分析,提出了外部聯(lián)鎖變更的參考方案,以為同類型的中壓變頻器應(yīng)用或改造提供參考及借鑒。
[1] ABB BeijingACS 2000 Drive Systems Co.,Ltd.ACS2000 User′s Manual.
[2] 電氣傳動自動化技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
The transform ation of PTA agitator drive system based on ACS2000 DFE M V converter
Hu Ping
(The PTA Production Center of Sinopec Yizheng Chem ical Fibre,Yizheng Jiangsu 211900,China)
Topology,power supply,control system structure,level output princip le and DTC of ACS2000 DFE MV converter are introduced in this paper.Parameter setting and wiring design of start and shutdown through one key,speed switch and regulation,alarms and faults output and operation monitoring of ACS2000 DFE MV converter in PTA agitator drive system transformation are illustrated.Reference solutions of changing external interlocks through analyzing the design of external alarms and interlocks are proposed.
MV converter;drive system;DTC;external interlock
TN773
B
1006-334X(2013)04-0042-07
2013-12-09
胡平(1981—),男,吉林乾安人,工程師,主要從事電氣技術(shù)管理工作。