變頻器及電纜在空冷器的應用

閆濤

摘 要：空冷器主要應用在電站和石化行業，近些年空冷器在核電方面也有所突破，國內有的空冷制造商甚至取得了核電認證。電站空冷器分為直接空冷和間接空冷，直接空冷采風機來進行通風換熱，風機大多采用變頻風機，即風機電機用變頻器控制，變頻控制可以隨時調整風機轉速，以達到控制背壓或者介質溫度的目的，這樣既控制靈活，又節約能源，所以空冷上變頻器的選擇和變頻器至風機電機電纜的選擇則尤為重要了。下面就空冷變頻器及電纜選型及應用做以淺顯的分析和研究，為空冷電氣部分變頻及優化提供一些建議。

關鍵詞：變頻器；變頻電纜；諧波

中圖分類號：TN773 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0161-02

Abstract： Air cooler is mainly used in power plant and petrochemical industry. In recent years， air cooler has also made a breakthrough in nuclear power， and some domestic air-cooled manufacturers have even obtained nuclear power certification. The air cooler of power station is divided into direct air cooling and indirect air cooling. The direct air cooling fan is used for ventilation and heat exchange. The fan mostly adopts frequency conversion fan， that is， the fan motor is controlled by frequency converter， and the frequency conversion control can adjust the fan speed at any time. In order to achieve the purpose of controlling back pressure or medium temperature， it is not only flexible to control， but also save energy， so the choice of air-cooled upconverter and the cable from converter to fan motor is particularly important. The following air cooled inverter and cable selection and application to do a simple analysis and research for air-cooled electrical part frequency conversion and optimization to provide some suggestions.

Keywords： frequency converter； frequency conversion cable； harmonic

電站空冷和煤化工行業中的空冷器，主要采用變頻控制，當然也有部分國外項目因為其它因素綜合考慮后采用單速電機或者雙速電機控制。但就節能效果來說，變頻控制顯得更為優秀。在空冷器運行過程中，變頻控制可以同時調節空冷風機電機轉速，以達到控制排汽壓力或者出口介質溫度的目的。相對于單速電機和雙速電機，更能夠精確控制換熱器的換熱能力，如果采用單速電機或者雙速電機，無論是對換熱穩定性還是對電廠電網都可能存在著一定的影響。

1 空冷器用變頻裝置

在空冷器上應用的變頻裝置輸出側通常含有較多的諧波，這些諧波有1、3、5次諧波和非正弦波，輸入側進入的是一個非線性整流電路，對風機電機和全廠電網均有著一定程度的影響。電磁兼容包括電磁干擾和敏感性兩個方面，所以當空冷變頻裝置運行時，不僅要防止全廠電網對變頻裝置的影響，還要防止空冷變頻段對全廠電網的影響。當然變頻裝置內部也有一些元器件會產生一些諧波干擾等。怎么去做到這些，那么就需要在空冷設計階段選擇一些適合每個工程項目的元器件或設備，比如有源濾波裝置，輸入輸出濾波器等來維持空冷變頻裝置乃至整個空冷設備的穩定高效運行。變頻器輸出側是PWM波形，輸出電壓和輸出電流均有各種諧波產生，載波頻率較低時候，高次諧波所產生的各種噪聲就過通過可聽見的聲音傳入人耳。雖然有時候人耳聽不見，但是這個諧波還是存在的，那是因為載波頻率較高，載波頻率的大小同變頻裝置調制頻率有聯系。用拉普拉斯變換可以通過電壓方波和電流正弦波分析計算出各類的諧波含量。通過在變頻裝置的直流電路中安裝直流電抗器和在低壓變壓器與其連接中安裝交流電抗器，可以減少變頻器對配電變壓器輸入電流的奇變。變頻器直連配電變壓器時，變頻器為交直交電壓型，在三相整流電路帶全波形整流后給其電容進行充電。為了防止干擾，可以通過采用外殼屏蔽的變頻裝置和采用鍍鋅鋼管屏蔽的輸出電纜來實現，并且采用分信號接線箱和電纜及通道，當然不僅要對變頻裝置動力及信號電纜進行屏蔽也要對其它容易受到干擾的電纜采取一些屏蔽之類的措施，可以配置進出濾波器來減小對電網的污染和噪音，動力電纜也可以采用隔離變壓器或者有緣濾波器來避免傳送干擾。

2 空冷器用變頻裝置類型的選擇

變頻裝置控制單元通常采用數字微處理器控制器將固定頻率的交流電變為可調頻率的交流電，既可以遠程控制也可以就地控制。通過變頻裝置或者柜門的操作面板可進行就地人工控制變頻器，可以啟動、調整轉速、頻率、停止變頻裝置。通常來說空冷風用變頻器采用一拖一形式，工業級、矢量控制變頻器。在選用上根據品牌區別有風機泵類及更高檔次的變頻器，也有使用重載的時候。主要來說還得根據環境條件，使用情況，現場因素來選擇。

3 空冷器用變頻器功率的選擇

空冷器用變頻器功率選擇應充分考慮電動機及空冷系統運行中各種工況的要求?？绽溆米冾l裝置所采用的元件均在設計時就留有一定的余量，并且元件可靠度較高，變頻裝置母線段耐受短路電流可高達60kA，并且短時間內不會造成整體失衡。變頻裝置能夠在能在150%銘牌功率下短時間運行，并且每天應可以在風機最大出力功率下連續運行超過2小時。額定運行工況下，使用變頻裝置后電動機不降出力。根據空冷器實際的運行環境結合其配套的風機電機功率參數選擇合適的變頻器。變頻器可以提供額定電流150%（對應風機最大能力轉速）的間隙過載能力不小于2秒鐘。

4 空冷器用變頻器附件的選擇

變頻器及其附屬設備自帶外殼，每臺變頻器安裝在一臺柜體內。變頻柜整體可以采用用進口或者國產優質冷軋或敷鋁鋅的鋼板，厚度大于或等于兩毫米；面板噴塑均勻平滑外觀美，結構合理勻稱。柜體外殼防護等級：IP42或其它。機柜門采用一定的措施，以提高抗射頻干擾（RFT）的能力。每面變頻器柜內可以同時配有相應風機組的分支供電回路，包括：齒輪箱的加熱器、電動機的空間加熱器、齒輪箱油泵電機、電機的冷卻風扇電機。變頻器電源側采用刀熔開關帶信號輸出，加熱器回路采用塑殼斷路器加接觸器方案，電機冷卻風扇電機和減速箱油泵回路采用塑殼斷路器加接觸器加熱繼電器方案。變頻器柜柜內元器件可以選用性能優良產品，只要保證在整體技術要求所有一次設備及元件可以不局限于進口產品也可以采用國內優質產品替代。變頻柜應在現場要求的防護等級下保持通風散熱，可以通過裝設排風扇、排風風道即采用風冷和足夠間距等措施保證熱量的散出?？梢酝ㄟ^變頻裝置在各種運行狀況下的內部元件的散熱量和環境因素來計算換熱裝置的換熱能力，可以保證在計算后的散熱情況下變頻柜柜體內絕對溫升必須不大于三十攝氏度，如果很難達到要求，應該用其它方案代替。內置輸出共模濾波器，用以減少運行噪聲，抑制變頻器發出的電磁干擾對電力系統的影響。內置輸入或輸出濾波器，用以抑制進線電流和電壓諧波失真在百分之四以內。變頻器可以采用純中文或英文等帶顯示的控制面板，該面板應安裝在變頻柜的柜門上。從而不用打開變頻柜柜門就可以對變頻器進行操作。控制面板與變頻器采用專用通信口進行連接。變頻裝置應具有與控制系統的通訊所需的卡件或接口，通訊接口必須支持PROFIBUS等主流的通訊協議，便于后期運行中維護方便，來滿足后期全廠設備改造時能夠直接通信控制而不用再將原有電氣設備進行改造。機組變頻器應組成現場總線網，即各個變頻器通信接口串接在一起，以一個接口與通信單元連接。變頻裝置可以配有內置濾波器、外置浪涌保護器、防雷保護設備、輸入和輸出濾波器及電抗器、EMI/EMC裝置等。

5 空冷變頻器用電纜

空冷變頻器用電纜和普通電纜是有所區別的，變頻器用電纜中對稱結構能夠保證電纜路徑中各個部分全部具有穩定的電磁場空間，進而能夠改變送電的品質。變頻電纜有著均勻并且很低的阻抗。各相線變頻電纜的電抗，其數值明顯低于當前絕大多數普通動力三芯、四芯電纜，進而降低了反射波，減小了阻抗波，成功的阻止了功率較大傳輸情形下變化頻率產生的高諧波對鄰近控制、計算機系統電纜的干擾。變頻電纜抗干擾性能是很優秀的，屏蔽結構卓有成效的防止了外界電磁場的干擾。當線路運行時出現高次諧波分量與高頻浪涌電壓的時候，屏蔽層內電流量的總累積是零，對外界產生電磁干擾也為零。

6 空冷變頻器用電纜類型的選擇

對于交直交型的變頻器，因為它用切換開關的技術，所以輸出不是正弦波，輸出變成了正弦基波和高次諧波的階梯波。如果采用普通的動力電纜連接電機和變頻裝置，可能出現下面所說的問題：中性線流過零序電流的情況下，受相線中其它電流的影響，部分的電流密度更加變大，導電面積中有效的部分就會減小。諧波中高頻部分分解成負序和零序、正序，中性線中會通過零序諧波。零序諧波中高頻部分電流在導體的表面擁擠的通過，進而縮小了導體的導電面積中有效部分。如此這般，中性線會變燙，電纜老化程度會變快，電纜使用壽命會變短。想要將上述問題解決掉，我們可以把動力電纜的芯數變為6個，以做成三加三芯對稱結構?？绽淦髯冾l器用電纜選擇對稱三加三芯結構的理由如下。其中中性線芯在空間上的相位按順序滯后一百二十度，變成了一個等邊三角形平衡狀態，這樣電流就不會疊加，高次諧波對動力電纜的損耗就這樣被減少了。運行過程中空冷用變頻器可能有大量電磁波產生，對其相關的和電網內的供配電系統和電網會產生不小的干擾，這就要求配電線纜需要有較高的屏蔽方法和措施。多層屏蔽動力電纜能夠取得非常不錯的效果。當然要是屏蔽層內的回路發生偏心，屏蔽電磁的效果肯定會降低，在屏蔽層中出現的渦流損耗這時候可能會增加一些。只有三加三芯對稱結構的電纜才能減小偏心問題。金屬屏蔽配合這種對稱的結構，能夠讓電纜的屏蔽系數降低至0.69甚至更小。這樣一來就能夠屏蔽電磁波外露，金屬屏蔽層能夠較好的發揮其效果。這就是為什么變頻器專用電纜選擇對稱三加三芯結構的第二個理由。變頻專用電纜根據屏蔽層的有無又可以為兩種結構。三加三芯中三條中性線的截面積之和必須大于單根相線的截面積的一半。

7 空冷變頻器用電纜規格的選擇

空冷變頻器用電纜規格可以根據實際電機功率，傳輸的距離，現場的環境等因素來選擇，可以說選擇動力電纜和變頻器專用電纜應該是都可以的，都有過運行的經驗，那么具體規格如何選擇就成了工程設計者的難題，因為需要在空冷造價和空冷性能上進行平衡，絕不可以天平倒向一頭，這樣會導致整體工程的質量下降一個檔次。

可以說，空冷發展到今天，已經達到一個瓶頸了，想要突破應該不是很容易，那么就需要在原有設計里細化和優化，使得整體設備達到一個最優秀的狀態。

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