西門子S7—300型變頻器在丹江口水力發電廠5000/250kN門機上的技術應用

摘 要：文章介紹了西門子S7-300型交流變頻器在丹江口水力發電廠5000/250kN門式起重機上的應用，重點論述了系統的概況、結構組成、調試及維護要點。

關鍵詞：變頻器；PLC；門機

1 概述

坐落在長江最大支流三千里漢江中游的丹江口水力發電廠位于湖北省丹江口市市區內，是南水北調中線工程丹江口大壩的核心組成部分。電廠設計裝機6臺15萬千瓦水輪機組，總容量90萬千瓦，1968年第一臺機組投產發電，1973年6臺機組全部建成投產。丹江口大壩壩頂高程原為162米，大壩總長2.5千米，最大壩高97米，總庫容209億立方米。2005年，南水北調丹江口大壩加高續建工程實行，壩頂高程從162米加高至176.6米，設計蓄水位由157米提高到170米，總庫容達290.5億立方米，每年可向北京供水95億立方米。

2 西門子S7-300型交流變頻器在5000kN門機上的應用

2.1 PLC的應用

5000kN門機電氣系統5000kN門機電氣系統分為動力系統、控制系統和門機照明三大部分。控制系統采用西門子PLC控制。PLC是門機控制系統的核心，它由一個主站、三個從站組成一個PROFIBUS-DP分布控制網絡，完成整個門機的控制及聯鎖。

門機PLC由主司機室主站PLC、下游電器室PLC、回轉吊PLC、小車室PLC組成。其中主司機室主站PLC采用西門子S7-300，為基本單元（主機），其他三個PLC為擴展單元，采用西門子ET200，其內部沒有CPU、存儲器，不能單獨使用，只能與基本單元連接在一起作為輸入、輸出點數的補充。下游電器室ET200主要對小車起升及小車行走進行控制，下游電器室ET200主要對大車行走、大車夾軌器進行控制，回轉吊ET200主要對回轉吊進行檢測，并進行回轉主副起升的高度荷載進行檢測。PLC的聯網通信包括PLC之間的通信、PLC與上位計算機的通信、PLC與其他智能設備的通信。PLC與其他智能控制設備（如變頻器、高壓開關柜微機保護裝置）一起，組成“集中管理、分散控制”的分散式控制系統。變頻器與PLC采用通信方式控制。門機PLC具有各個機構的速度及方向給定、各個機構的聯鎖和保護、各種信號數據的采集與處理、各機構運行狀態的監視、診斷和故障報警功能。

2.2 門機主起升變頻器及交流變頻調速系統

5000kN門機主起升機構交流變頻調速裝置，其變頻器為電壓源型交-直-交變頻器，即中間直流環節采用大電容濾波，把工頻交流電先轉變成直流電，然后再把直流電逆變成頻率可以變化并調整的交流電，其輸出波形已經非常接近正弦波。

變頻器采用西門子6SE7033-2EG60帶PROFIBOS通訊板，輸入電壓3AC380……480V，輸出電壓3AC0～380……480V，最大輸出電流430A。

主起升交流變頻調速系統電氣部分主要包括兩臺西門子6SE7033-2EG60變頻器、兩臺西門子ILG變頻電機、兩臺閉環速度回饋用的增量編碼器。電機在0～100Hz的情況下正常工作，其中0～50Hz工作在電機的恒轉矩工作區，5-50Hz穩定運行，對應起升機構速度0.237～2.37m/min；輕載運行在電機50～100Hz恒功率工作區，對應起升機構速度2.37～4.74m/min。其切換操作在司機室聯動臺上進行。

2.2.1 門機主起升交流變頻調速系統的工作過程。門機主起升變頻調速系統在安裝調試時可通過變頻器自身帶的操作板操作，進行裝置本身的系統參數設置和系統調試。正常運行時，主起升采用主令控制器-PLC-控制柜的操作方式，即主令控制器發出的操作命令輸入PLC，PLC通過Profibus-DP數據總線以控制字形式傳送至變頻器通訊板，變頻器輸出電壓、頻率可調的交流電，以驅動變頻電機。主起升機構采用變頻閉環調速方式，為五檔無級調速，重載時各檔位對應頻率為5Hz/1檔、16Hz/2檔、28Hz/3檔、38Hz/4檔、50Hz/5檔。

變頻器的起動頻率：變頻器已預置為從5Hz開始起動，以避開機械諧振頻率。

變頻器的電氣制動：變頻器的直流側接有制動單元。當變頻電機降速產生過高直流電壓時，制動單元內的電力晶體管飽和導通，將這部分回饋能量消耗在外接電阻上，以提高變頻器制動能力。

2.2.2 變頻器的調試。變頻器調速系統的調試應遵循“先空載、后輕載、再重載”的一般規律。

（1）通電前檢查。a.外觀、構造檢查：檢查變頻器的型號、安裝環境有無問題，裝置有無脫落或損壞，電纜線徑是否合適，電氣連接有無松動，接地是否可靠。b.主電路電源電壓及絕緣電阻的檢查：檢查主電路電源電壓和變頻調速系統要求的電壓值是否一致，電壓波動范圍在規定區間內；檢查主電路的絕緣電阻值是否達到要求。

（2）變頻器的通電和預置。S7-300型變頻器在通電時，其輸出端先不要接電動機，首先完成以下的工作：a.熟悉變頻器CPU面板的功能按鍵。按照使用說明書的要求，熟悉S7-300型變頻器CPU面板的各功能按鍵的作用，在進行RUN（運行）和STOP（停止）等基本功能的操作時，要注意觀察顯示屏的變化、各功能模塊指示燈和變頻器的工作情況是否相符合等。b.進行功能預置。變頻器功能參數較多，其參數達輸十至上百之多。在實際應用中，不是說要對每一項參數都進行設置和調試，多數情況下都是采用出廠設定值。但一些具體的參數值則要根據實際情況來進行設置，如加減速時間、電機轉矩補償、電機熱保護設定值、變頻器輸出頻率上、下限幅值、頻率設定信號增益、加減速模式選擇等。c.將變頻器外部輸入控制線接好后，執行基本的操作指令，如門機主副起升機構的上升、下降，行走機構的左右側移動等，在運行過程中檢查外接控制功能的執行情況。

（3）電動機的空載試驗。變頻器輸出端接上電動機，先進行空載通電試驗。目的是檢查變頻器接上電動機后的運轉情況是否正常，同時對電動機的旋轉方向進行校準。試驗步驟如下：a.先將門機起升和行走機構變頻器的頻率設置為0位，合上電源后，通過操作按鍵按照原設定的工作頻率，由低速檔到高速檔提升頻率值，觀察電動機的運轉情況和旋轉方向。b.將門機起升和行走機構變頻器的頻率上升到50HZ，電動機運行約3-5分鐘，在電動機運轉時觀察工作情況，在正常的情況下，再選擇2檔、3檔、4檔的工作頻率，使電動機運行約3-5分鐘，觀察電動機的運轉情況。

（4）拖動系統的起動和停機。將電動機的輸出軸與機械裝置連接起來，觀察此狀態下電動機的工作情況：a.起轉試驗：門機起升和行走機構變頻器的頻率從0Hz開始緩慢增加，也就是將操作機構檔位由零位檔緩慢向高速擋增加，觀察在多大頻率下電動機能夠起轉，如起轉較為困難，則在參數設定值中相應增加電動機起動轉矩。具體方法有采用矢量控制、加大起動頻率等。b.起動試驗：將門機起升和行走機構變頻器的頻率調至最高，按下起動鍵后，觀察門機拖動系統在加速過程中是否出現跳閘現象，如有跳閘則說明啟動電流過大，這時則要對變頻器參數設定值進行修改，適當延長升速時間。c.停機試驗：將門機起升和行走機構變頻器運行頻率調至最高，按停止鍵，觀察門機拖動系統的停機過程。

3 結束語

西門子S7-300型交流變頻調速在丹江口水力發電廠5000kN門機上的應用，代替了門式起重機上傳統的繞線電機切換電阻的調速方式，簡化日常的維護工作，提高門機工作性能，是大起重量門式起重機調速的主要發展趨勢。

作者簡介：剛鐵（1976，3-），男，漢族，吉林省吉林市，中級技師，本科，研究方向：低壓電氣設備的安裝與檢修。