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Goodrive5000和Goodrive3000變頻器在天下第一隧建設中的應用
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摘  要:英威騰Goodrive5000高壓四象限變頻器和Goodrive3000中壓變頻器是兩款性能優異、用途廣泛的變頻器,在中交二公司承建的秦嶺天臺山隧道建設中,被成功應用于棄渣提升機上。本文通過此應用案例介紹了提升機變頻的優勢及變頻器選型方法。

關鍵詞:隧道建設  提升機  GD5000高壓變頻器  GD3000中壓變頻器

一、引  言:

如果百度一下“天下第一隧”,你會看到是包茂高速公路上的秦嶺終南山隧道,其總長18.02公里,雙向四車道,2007年1月正式通車,當時建設規模居世界第一。時隔十年的如今2017,這個記錄已被正在建設中的秦嶺另一條隧道——寶坪高速公路天臺山隧道打破,其總長15.56公里,雖然長度較前者少了約2.5公里,但它為雙向六車道。從隧道斷面、行車道數量、設計標準等技術指標看,建設規模及施工難度都遠超過前者,因此天臺山隧道應屬新的“天下第一隧”。

就在這條由中交二公司承建的重點隧道建設工程中,英威騰高壓四象限變頻器GD5000和中壓三電平變頻器GD3000被用于棄渣提升機傳動上,為隧道建設發揮著巨大作用。

二、提升機在隧道建設中的作用

隧道建設有很多工序,其中一個重要工序是“棄渣處理”,也就是把建設隧道時挖出的土石方運出洞外,通常有翻斗汽車運輸和提升機運輸兩種形式,該工程采用的是兩種運輸結合的方式,這是由現場施工條件決定的。因為隧道很長,為了加快施工進度,不可能只從兩端開挖,要分多個標段同時開工,因此有些標段就要從隧道腹部向兩端開挖,這就要根據測量在山上合適位置,先挖一條輔助通道,抵達隧道腹部。因為入口高于隧道,這個通道是有一定坡度的,它既是人員及設備的出入口,也是通風口,更是棄渣出口。

本案輔助通道長700多米,坡度約15°,這段棄渣運輸采用提升機牽引裝載車的形式,坡上、坡下再分別用翻斗汽車運輸。提升機設在地面洞口附近,其絞車上的鋼絲繩與裝載車相連,裝載車在軌道上運行,兩條鐵軌中間每隔一段裝有鋼絲繩導向輪,當絞車收卷鋼絲繩時,裝載車向上運行;當絞車釋放鋼絲繩時,裝載車靠自身重力向下運行。如下圖:

英威騰Goodrive5000和Goodrive3000變頻器在天下第一隧建設中的應用

提升機絞車是由電機拖動的,因此對裝載車及提升絞車的控制,就歸結到對電機的控制。提升系統對電機控制的要求主要是:啟、停平穩,對電網及機械沖擊盡量小。

三、提升機高壓電機控制方案

該提升機采用的是高壓電機10kV,630kW。為了啟停平穩,減少沖擊,早期常用方法為降壓啟動,即通過降低電動機的端電壓,減小啟動電流,從而減小電動機啟動的沖擊。降壓啟動的具體方法有:電抗器啟動、自耦變壓器啟動、液阻式啟動、磁控式啟動和晶閘管軟啟動。

串聯電抗器降壓啟動是在電機的定子回路中串聯電抗器,限制電機的啟動電流。在電機啟動結束后,再將電抗器切除。這種啟動方法的適應性差,且電抗器被切除時還存在二次的電流沖擊和轉矩沖擊的危險。

自耦變壓器降壓啟動是自耦變壓器的高壓繞組與電網相接,低壓繞組接電機,通過自耦變壓器逐步升高加在電機上的電壓,以限制電機的啟動電流。它的最大優點是啟動轉矩較大,并且可以通過抽頭調節啟動轉矩,缺點是裝置體積大、故障率較高、維護工作量大。

液阻式降壓啟動是在電動機啟動過程中,在電動機的轉子(繞線式)或定子(鼠籠式)回路中串接一個可以調整的液體電阻,通過傳動機構使液體電阻均勻減小,啟動過程完成后外電阻為零并自動切除,從而保證電動機啟動過程具有平滑、無沖擊的軟特性。由于該電阻實質上是離子導電的電解液,因此稱為液阻,阻值靠改變兩極板間的距離實現。優點:可串在繞線電動機轉子回路實現較大的啟動轉矩,在電機啟動過程中不產生高次諧波,成本較低。缺點:體積大;啟動的重復性差,保護功能不全,維護麻煩,安全性差,對環境要求較高。

磁控式啟動是從電抗器啟動衍生出來的,磁控式啟動的主要特點是其電抗值可控。它采用串在電動機定子進線側的可控磁飽和鐵芯電抗,啟動開始時電抗器的電抗值較大,在啟動過程中,使電抗值逐漸減小,啟動完成后被旁路。它除了具有串在三相電動機定子進線側的交流工作繞組以外,還有控制鐵芯飽和程度的直流勵磁繞組,在啟動過程中,通過控制直流勵磁電流,改變交流繞組鐵芯的飽和度,改變交流繞組的電抗值,達到降壓啟動的目的。優點:相對可靠,對環境要求不高,可以實現閉環控制,設備占地小,維護方便。缺點:工作時噪音較大,起動時會產生高次諧波,控制精度略低,價格偏高。

晶閘管軟啟動裝置是一種采用晶閘管的無觸點高壓電路開關,通過控制晶閘管的導通角,用反并聯晶閘管控制正弦波正負半波的導通和關斷時間, 改變正弦交流電壓的波形, 使之變為非正弦脈沖式交流電來控制輸出電壓的大小,達到限制電機啟動電流的目的。輸出電壓、電流全范圍可調,電壓、電流波形可任意設定。它又細分為可控硅串聯和開關變壓器式兩種。優點:體積小、安裝使用簡單、全智能控制、功能齊全、可以實現軟啟動和軟停止、啟動重復性好、控制精度高、可以實現閉環控制。缺點:會引起高次諧波,對電網有一定的影響;可控硅元件的故障率較高;對維護技術人員的要求較高;價格偏高。

隨著變頻器的出現,以上這些方法逐漸被淘汰。由電機轉速公式n=(60f/p)(1-s)(n:轉速,f:頻率,p:極對數,s:轉差率)可見,改變電機轉速有兩種方法:1、改變頻率;2、改變轉差率。前幾種啟動方法實際都是通過降壓增大轉差率的。而改變頻率是基于大功率電子器件的誕生及成熟,以及集成電路等半導體技術的發展才得以實現的,所以出現較晚,但是由于變頻調速的優點無可匹敵,很快成為主流。變頻調速的主要優點是:低頻啟動轉矩不降低,調速范圍寬,調速精度高,控制功能多,保護功能齊全等。因此本案自然采用變頻控制方案。

四、提升機變頻方案設計

本案提升電機10kV,630kW,47A,50Hz。控制要求:正常時由市電10kV供電,通過10kV高壓變頻器拖動;當市電斷電或高壓變頻器故障時,由柴油發電機供電380V,通過低壓(或中壓)變頻器拖動,因電壓較低,所以電機運行頻率也相應較低。因此,習慣將這種驅動方式稱為“低頻拖動”或“應急拖動”。低頻拖動在額定轉矩下最高輸出頻率(以下稱:低頻拖動額定頻率)由以下公式決定:

低頻拖動電壓/低頻拖動額定頻率=10000(V)/50(Hz)

由此得:

低頻拖動電壓(V)
低頻拖動額定頻率(Hz)
380
1.9
690
3.45
1140
5.7

根據上表,如選380V變頻器可直接由柴油發電機供電,但輸出頻率只能1.9Hz,難以接受。如選690V或1140V變頻器,都要加升壓變壓器,既然同樣加變壓器,還是選高一點的電壓1140V更劃算,雖然變頻器相比690V的價格要高些,但1140V變頻器不只是提高了輸出頻率,還有它是三電平變頻器,具有無可比擬的優勢,詳見后面介紹。所以,選定GD3000中壓變頻器(額定電壓1140V)。為了選擇驅動變頻器,需加切換柜。據此設計方案如下:

1、方案圖


2、變頻器選型:

a、高壓變頻器

變頻器選型主要根據工況及電流,因提升機電機有發電工況,所以要選四象限變頻器;變頻器電流按如下條件選擇:

* 變頻器額定電流>電機額定電流,且變頻器的允許過載電流≥電機的允許過載電流(提升機過載時間按30秒)電機過載能力一般1.5-2倍;

* 高壓變頻器GD5000的過載能力是:120%額定電流,可持續120秒,150%,可持續5秒,200%立即保護。

根據以上條件及實踐經驗,一般按變頻器功率大于電機功率兩檔選擇。

變頻器手冊截圖如下:

據此選型GD5000-A1000-10-SR,型號中SR代表四象限,變頻器額定輸出電流58A,是電機額定電流47A的1.23倍。

b、中壓變頻器

選型原則同樣是根據工況及電流,但因低頻拖動是柴油發電機供電,不能接受回饋電能,所以不能用四象限變頻器,只能采用變頻器+制動單元+制動電阻方式。GD3000選型手冊截圖如下:

據此選型GD3000-00-090G-12,其中-12代表1140V,變頻器額定輸出電流60A,是電機額定電流47A的1.27倍。

3、材料清單

序號
供貨單元
主要器件
器件型號
數量
備注
1
高壓變頻器柜
高壓變頻器
GD5000-A1000-10-SR
1

2
中壓變頻器柜
中壓變頻器
GD3000-00-090G-12內置制動單元
1
制動電阻    40Ω/75Kw
變壓器側斷路器
300A(380V)
1

變頻器側斷路器
100A(1140V)
1

3
手動切換柜
互鎖切換開關
≮80A/10kV
1

4
變壓器
三相變壓器
110kVA,380V/1140V
1

五、所選變頻器優勢簡介

1、Goodrive5000的優勢

GD5000系列高壓變頻器主電路采用功率單元串聯技術,移相變壓器將高壓轉換成多個690V給低壓單元供電,再將同相低壓單元串聯,以星型接法合成高壓電,10kV為每相8個單元,其拓撲圖如下:

上圖中8個690VAC功率單元串聯時,每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯后輸出的相電壓波形如下圖:

合成后的相電壓有17個不同的電壓等級。增加電壓等級的好處是:輸出波形更接近正弦波,減小了輸出電壓的諧波含量,減小了du/dt。從而較少了對外部其它設備的諧波干擾,減少了輸出電纜的漏電流,可使輸出距離更遠,同時減少了對電機絕緣的損害。

GD5000高壓變頻器的構成如下圖:

旁路柜完成工變頻切換,為選配,如不需切換工頻可省略;緩沖柜用來降低上電瞬間的勵磁涌流;移相變壓器給各功率單元供電;功率單元完成整流和逆變;

控制系統完成對系統的控制管理,是高壓變頻器的大腦,采用DSP+FPGA+ARM的三核技術,使用當前最先進的高性能的無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器矢量控制方式,同時兼容了矢量化的VF控制,具有控制精度高、動態響應快、低頻輸出轉矩大等特點,可用來控制交流異步感應電機和永磁同步電機。

2、GD3000的優勢

Goodrive3000系列變頻器是一款高性能通用矢量變頻器,采用三電平的硬件拓撲結構,每相比兩電平變頻器多兩個IGBT。如下圖:

兩種拓撲結構對應的輸出波形如下: 

由圖可見,三電平結構,使得線(相)電壓有更多的階梯波來模擬正弦波,使得輸出波形失真度減少,輸出電壓變化率(du/dt)低,電機端尖峰電壓低,減少對電機絕緣的損害。同樣載頻下諧波含量低,大幅仰制變頻器引起的傳導,輻射干擾,具備優良EMC特性;同樣載頻下,三電平相比兩電平IGBT損耗低、系統漏電流小。

GD3000兼容二象限和四象限,可用來控制交流異步感應電機和永磁同步電機。具有開環矢量、閉環矢量、V/F控制方式,功能更優化,應用更靈活,性能更穩定。

六、結束語

由上可見,該提升機采用高壓變頻及中壓低頻拖動這種方式,從調速性能、EMC性能、節能環保、減少機械沖擊、安全可靠性等方面,可謂最優選擇。變頻器從投入運行到現在,近一年時間一直連續運行,從無故障,充分體現了英威騰產品的優良品質!為天下第一隧的早日通車提供了有力保障!

參考文獻:

【1】 《Goodrive5000系列高壓變頻調速系統產品說明書》

【2】 《Goodrive3000系列中壓變頻調速系統產品說明書》

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