景洪電廠變頻器替代軟啟動器的改造方案探析

宗開華 ，劉 錦 ，江磊 ，吳夢婷 ，田 博

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司景洪電廠,云南 景洪 666100；2.西安航天自動化股份有限公司,陜西 西安 710065）

1 引言

油壓裝置是水電站中為液壓設備提供壓力能源的設備，目前廣泛應用于水電站機組控制系統，如水輪機組調速和機組控制系統、大型水泵站以及進水閥門、空放閥等，其他需用壓力能源的地方均可選用。油壓裝置穩定、安全、可靠是機組安全穩定運行和調速器系統可靠運行的保證。

油壓裝置和其用油設備構成一個封閉的循環油路。電動機帶動油泵旋轉時，回油箱內的油液經濾油器過濾后，由吸油管吸入，經油泵后到達油泵高壓腔。在電動機啟動的瞬間，由于組合閥中低壓啟動閥的作用,壓力油經主閥被排至回油箱，油泵電機在低負載下運行。當電動機轉速升至額定轉速后，壓力逐漸建立，低壓啟動閥關閉，主閥控制腔的壓力隨之建立，將主閥關閉。當壓力升至額定值后，壓力油推開組合閥中的單向閥經濾油器、截止閥進入壓力油罐內。需用壓力油時，壓力罐內的壓力油經電動球閥送至工作系統的各用油部件，工作后的回油排入回油箱，這樣就構成了一個循環的油路系統。

2 設計背景

景洪電廠位于云南省西雙版納州景洪市，距離昆明約575 km，距景洪市區約5 km。改造前的電廠5 號機調速器油壓裝置設置一套控制系統，系統由2 臺油泵電機軟啟動器、1 套PLC控制系統、繼電器、操作按鈕、觸摸屏等器件組成，其中2 臺油泵電機啟動方式采用“軟啟動”方式，油泵電機啟動時，由于產生的電流大，對廠用電系統的電網有沖擊。所以電廠決定對調速器油壓裝置控制系統進行采用變頻器啟動的方式更換改造。

3 可行性分析

電動機啟動分為全壓啟動和降壓啟動兩種，全壓啟動也稱直接啟動，是最常用的啟動方式，他是將電動機的定子繞組直接接入電源，在額定電壓下啟動，具有啟動轉矩大、啟動時間短的特點，也是最簡單、最經濟和最可靠的啟動方式[1]。一般功率小的電動機可以采用直接啟動方式，因為小功率電動機的啟動電流不是很大，對電路系統的影響不是很明顯。

而大功率電動機啟動電流大，電機啟動時會導致電網供電線路產生較大的電壓降，需要采用降壓啟動，典型的降壓啟動方式有采用自耦變壓器降壓啟動、星三角降壓啟動、軟啟動器和變頻器啟動，還有串電阻啟動等方式。

電動機采取直接啟動還是降壓啟動方式要根據實際情況來定，其主要取決于電動機所在的母線系統承受的電流，一般電動機容量超過變壓器容量的5%～10%就要采取降壓啟動，在不同容量的電力系統中能夠直接啟動的電動機功率標準是不同的，有要求在11 kW以下，有的是在18.5 kW以下。

景洪電廠5 號機調速器油壓裝置所用的油泵電機功率為132 kW，可采用軟啟動器和變頻器兩種降壓啟動方式。

3.1 軟啟動器特點

軟啟動器是一種具有軟啟動、軟停止、輕載節能和定時低速運行等多種功能的電動機控制裝備。它可以在整個啟動過程中實現電動機的平滑啟動，還能根據電動機所帶負載的特性來調整各種啟動參數，如過流值、過扭矩值、啟動時間等。

目前常用的軟啟動器所依據的理論是電動機穩態數學模型的調壓調速原理，在降低啟動電流的同時也降低了啟動轉矩[2]。

軟啟動器用于啟動電動機時是個調壓器，它的輸出可以改變電壓，電動機在啟動的時間內，端電壓從設定的初始值逐步增大至全電壓，使電機平滑且無級地加速至額定轉速。同時，可調節的啟動時間有效地防止低壓斷路器的瞬時脫扣器在啟動時產生誤跳閘現象。

因此軟啟動器在工業、民用建筑領域的動力控制設備中具有傳統降壓啟動方式不可比擬的優越性。

3.2 變頻器特點

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變頻率控制交流電動機的運行速度和轉矩實現降壓的啟動功能，它主要由整流、逆變、濾波、制動和驅動單元等組成。依靠開斷內部的IGBT來調整電源輸出的頻率和電壓，以達到調速和節能的作用，同時，變頻器還有防過載、防過流、防過壓保護等功能。

變頻器是工業自動化控制領域技術含量高、控制功能全、控制效果好的電動機控制裝置，主要用于調速要求較高的控制領域，因為價格比軟啟動器昂貴，結構也復雜得多，所以對維護技術人員提出了更高的要求，但是隨著工業自動化程度不斷地提高，變頻器在電力、水力、煤炭、化工、水泥等多個領域得到了廣泛地應用。

3.3 變頻器優勢

軟啟動器和變頻器的共同點是二者都能起到電動機降壓啟動的作用，但是兩者又是不同用途的產品。變頻器是通過改變電動機供電電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段[3]。而軟啟動器的輸出只能改變電壓而不能改變頻率，不具備調速功能。

通過軟啟動器啟動的電動機，是在接近全壓時才啟動的，不能實現零壓啟動，它的啟動電流大，會對廠用電網造成一定程度的沖擊，因此對廠用電網的容量有一定的過高要求，不僅如此，電動機啟動時產生的大電流和震動還會影響其他設備的正常運行，對其他使用設備和相應的管路損害較大、縮短了其使用壽命。而變頻器的軟啟動可以控制啟動速度，延長啟動時間，使啟動電流從零逐步升高至固定的額定電流，可以極大地減輕對廠用電網的沖擊力，對使用設備和相應的管路使用壽命有利。

4 改造過程

4.1 軟啟動器控制原理

經過以上可行性分析，景洪電廠對5號機調速器油壓裝置的油泵電機由軟啟動器啟動改造為由變頻器啟動，改造前的軟啟動器的主回路控制原理見圖1。

圖1 軟啟動器主回路控制原理圖

從主回路原理圖分析，控制回路通過中間繼電器K1 的線圈得電，再由K1的觸點閉合來觸發軟啟動器的主回路接通，使油泵電機平滑地啟動直至達到額定轉速，啟動完成后，軟啟動器內部的R2A和R2C接通，發出油泵電機運行的無源開關點信號。當控制中間繼電器K1 的線圈失電，K1 的觸點就會斷開，導致軟啟動器的主回路切斷，實現油泵電機停止運行。

油泵電機一旦出現過熱、過流、過扭矩等狀況時，軟啟動器內部的R1A和R1C斷開，發出控制故障的無源開關點信號。

4.2 變頻器控制原理

變頻器的啟動控制主回路與軟啟動器類似，改造后的變頻器的主回路控制原理見圖2。

圖2 變頻器主回路控制原理圖

變頻器的控制回路也可以通過中間繼電器K1 的觸點閉合來觸發主回路的接通，現場啟動時間設置為30 s，比軟啟動器的啟動時間5 s更長，油泵電機啟動電流至正常運行過程中始終較小，所以對廠用電網的沖擊小。

變頻器內部的XR02 的NO和COM在油泵電機啟動完成后同樣發出接通的運行無源開關點信號。當中間繼電器K1 的線圈失電，會切斷主回路，油泵電機停止運行。通過XRO3的NO和COM發出電機故障的無源開關點信號。

5 自動運行流程

油泵電機啟動完成后的正常運行，與卸荷閥的加載是調速器油壓裝置系統完成補氣、補油動作的前提條件。

當油壓裝置的壓縮空氣泄漏到一定數量時，壓力油罐內的油壓油位會高出正常油位，此時回油箱內油位低于正常油位。利用補氣閥和中間油罐共同作用，使油泵電機每次啟動和卸荷閥加載后，系統自動開啟補氣閥向壓力油罐補充一次壓縮空氣，完成一次自動補氣。

圖3 補氣控制流程圖

油壓裝置的作用是向調速器提供穩定的壓力油源，回油箱油位保持為規定值。當壓力油罐的壓力因供油而下降到規定值時，壓力罐內壓力會降到低壓設定值，壓力開關動作，系統啟動主用泵從回油箱清潔油區吸油送到壓力油罐。當壓力油罐輸出油量大于主用泵輸出油量或主用泵未能在設定值時啟動，導致罐內壓力繼續下降，當降至下一個低壓設定值時，備用壓力開關動作，啟動備用泵，當其壓力達到高壓規定值時，控制油泵電機組停止工作，保證回油箱油位為規定值，這樣完成了一次自動補油過程，系統中的回油返回回油箱污油區，通過過濾網過濾后進入箱內凈油區，以備下一輪循環使用。

圖4 補油控制流程圖

6 結語

景洪電廠5號機調速器油壓裝置電氣控制使用的變頻器是專業性較強的傳動系統，在整個項目甚至電廠運行中都占有比較重要的地位，本系統的變頻器采用了成熟的、性能穩定的世界知名品牌的ABB公司的產品，在器件選型上設計合理，2臺采用統一的型號設備可以節省備品備件的使用數量，減少其后期的維護費用，使得后期的維修更加方便。油泵電機的運行與補氣、補油裝置運行流程在設計上采用了防止油罐過壓、液位過高的事故極限保護閉鎖關系。此外，流程中的油泵電機超時運行保護具有及時停機的緊急安全處理功能。

通過景洪電廠5號機調速器油壓裝置的運行實踐，其油泵電機啟動電流小、運行狀態與配套的補氣、補油裝置的邏輯動作正確，改造后的油泵電機變頻器啟動比改造前的軟啟動器在啟動過程中對廠用電網的沖擊明顯減小，達到了調速器油壓裝置的安全生產運行要求。其改造方案可在以后的大功率電動機啟動的傳動系統設計中推廣應用。