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生產中心，江蘇儀征 211900）

設備改造

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生產中心，江蘇儀征 211900）

介紹了ACS2000 DFE中壓變頻器的拓撲結構、電源配置、控制系統(tǒng)構成、電平輸出原理及直接轉矩控制。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)及接線設計。通過對ACS2000 DFE中壓變頻器的外部報警及聯(lián)鎖設計分析，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)的產品。因其結構簡單、集成度高、安裝調試方便而頗具市場競爭力，同時該產品絕大部分元器件也在國內生產，可縮短交貨時間并提供更及時的服務?；谏鲜鲈虿⒖紤]控制的復雜程度、運行成本等因素，儀化公司PTA生產中心選用二極管整流的ACS2000 DFE風冷型中壓變頻器對PTA反應器攪拌器傳動系統(tǒng)進行了改造。筆者從ACS2000 DFE中壓變頻器的拓撲結構、控制系統(tǒng)構成及工作原理入手，介紹了改造中一鍵自動啟停、速度切換及調節(jié)、運行狀態(tài)監(jiān)測、報警及故障輸出的設計與實現(xiàn)。通過對ACS2000 DFE變頻器的聯(lián)鎖設計分析，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 ACS2000 DFE中壓變頻器結構［1］

1.1 ACS2000 DFE硬件拓撲結構

圖1所示，ACS2000 DFE風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柜內安裝了一只接地開關，盤面上為接地開關的操作手柄。變頻器的結構如圖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，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)拓撲結構

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。轉矩、電流、電壓等相關的變量均由控制系統(tǒng)監(jiān)控，并采用預編程的保護功能，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結構框圖

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，完成速度和轉矩控制任務，監(jiān)控變頻器的運行。

IOEC板是變頻器與外部設備連接的媒介，主回路斷路器（MCB）、接地開關、門聯(lián)鎖系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等外部設備及變頻器內部數(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部模塊（IOEC 1），提供用于滿足大多數(shù)應用的標準控制與監(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）和一個內部模塊（IOEC 3）。

INT板用于短路檢測并控制逆變器的相模塊驅動板。相模塊驅動板完成逆變器內部元件的導通與關斷控制。

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)拓撲結構

2 ACS2000 DFE變頻器電平輸出及直接轉矩控制

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。逆變器的拓撲結構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，開關狀態(tài)與輸出電壓的對應關系如表1所示。根據(jù)開關狀態(tài)與輸出電壓的對應關系，通過控制每相逆變器元件的開關，相間即可獲得9電平輸出。

圖5 相模塊結構

圖6 相模塊結構劃分

表1 開關狀態(tài)及相應電壓

2.2 直接轉矩控制［2］

直接轉矩控制框圖如圖7所示，逆變器的開關狀態(tài)由電機的磁通和轉矩直接控制。測量的電機電流和直流母線電壓作為自適應電機模型的輸入，該模型每25μs產生一組精確的轉矩和磁通的實際值。電機轉矩比較器將轉矩實際值與轉矩給定調節(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狀態(tài)。這樣的控制方式優(yōu)點如下：

a）轉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生電壓波形，避開了將定子電流分解成轉矩和磁鏈分量，省去了旋轉變換和電流控制，簡化了控制器結構；

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，可以獲得快速的轉矩響應。

3 PTA攪拌器傳動系統(tǒng)改造

應用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容：

a）一鍵啟停變頻器；b）高低速切換及轉速調節(jié)；c）運行狀態(tài)監(jiān)測；d）報警及故障設置。

3.1 一鍵啟停控制

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，變頻器風機運轉并開始進行直流回路充電，充電結束后合高壓進線開關，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，電機啟動并以設定的恒定轉速運行。當現(xiàn)場按下停止按鈕后，變頻器停止輸出，之后發(fā)出停高壓進線開關命令，高壓開關分斷后進行直流回路放電，風機經延遲后停止運轉，現(xiàn)場電機以自由停車方式運行，直至轉速降為零。

為實現(xiàn)直接通過現(xiàn)場電機操作柱按鈕完成一鍵啟?？刂疲瑢⒆冾l器啟動參數(shù)11.01設置為自動啟動模式，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節(jié)

根據(jù)工藝對攪拌器電機轉速的要求，轉速調節(jié)需采用兩段控制，即低速時限定變頻器轉速輸出為恒定轉速720 r／min，切換至高速后，變頻器根據(jù)DCS輸出的4～20 mA信號調節(jié)轉速。為防止調速信號丟失導致電機轉速下降造成系統(tǒng)停車，將參數(shù)設置為切換至高速后調速信號丟失保持恒定轉速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)給定進行轉速調節(jié)，二者邏輯相反。為根據(jù)DCS輸出邏輯實現(xiàn)轉速切換控制，在變頻器柜內安裝1只中間繼電器進行觸點類型轉換，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、轉速通過IOEC板的AO輸出至DCS系統(tǒng)；將風機回路接觸器的輔助觸點作為風機運行狀態(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)設置詳見表2所示。

表2 ACS2000部分參數(shù)設置

圖9 系統(tǒng)單線圖

4 ACS2000 DFE變頻器聯(lián)鎖設計分析

ACS2000 DFE變頻器外部聯(lián)鎖保護為風壓及溫度，包括集成變壓器繞組溫度的聯(lián)鎖、集成變壓器柜內風壓聯(lián)鎖、環(huán)境溫度聯(lián)鎖及整流逆變柜內風壓聯(lián)鎖。

圖10 風壓報警及聯(lián)鎖接線圖

4.1 風壓聯(lián)鎖設計

ACS2000 DFE變頻器在變壓器柜及整流逆變柜內各放置了2個風壓開關進行風壓報警及聯(lián)鎖，接線如圖10所示。變壓器柜內的風壓開關1只檢測變壓器柜外部風壓（P1）及變壓器前方風壓（P2），1個檢測變壓器前方風壓（P2）及變壓器后方風壓（P3），整流逆變柜內的2只風壓開關則分別檢測柜外風壓（P1）及模塊前方風壓（P2）、模塊前方風壓及模塊后方風壓（P3）。3個風壓值之間及其與報警、聯(lián)鎖風壓設定值的關系為：

a）P1＞P2，當P1－P2＜P（濾網報警風壓設定值）時，變頻器報濾網故障；

b）P2＞P3，P2－P3＞P（風壓聯(lián)鎖設定值）時，變頻器聯(lián)鎖停車。

變壓器內風壓報警開關動作值110 Pa，風壓聯(lián)鎖開關動作值240 Pa，整流逆變柜內風壓報警開關動作值180 Pa，風壓聯(lián)鎖開關動作值240 Pa。

4.2 變頻器環(huán)境溫度聯(lián)鎖設計

在ACS2000 DFE變頻器控制柜內下方安裝了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，電流流經測溫鉑電阻元件在鉑電阻上產生直流電壓，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)鎖設計

變壓器繞組的溫度通過嵌入變壓器繞組內的鉑電阻來測量，如圖12所示，鉑電阻信號經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致阻值超過設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 進線變壓器柜頂風機及整流逆變柜頂風機跳閘聯(lián)鎖

變頻器進線變壓器柜頂風機及整流逆變柜頂風機電源開關輔助點接線連接至變頻器輸入輸出板，變頻器接到風機電源開關跳閘信號后，將報故障并觸發(fā)停車邏輯。

5 ACS2000 DFE變頻器外部聯(lián)鎖變更參考方案

考慮變頻器測量元件自身及回路的可靠性及聯(lián)鎖動作時對生產造成的影響，可對變頻器外部保護聯(lián)鎖做相應變更，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致停車。

5.2 變壓器柜及整流逆變柜內風壓聯(lián)鎖變更

因變壓器柜內空間較大且連通性較好，且風壓設置了報警，當風壓出現(xiàn)問題時，可以通過風壓報警及時發(fā)現(xiàn)，同時集成變壓器繞組溫度在DCS已設置監(jiān)測，故可保留風壓報警，取消風壓聯(lián)鎖，以保證不會因風壓開關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量，模塊前后的風壓監(jiān)測直接觸發(fā)聯(lián)鎖。整流逆變柜內共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，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 變壓器柜頂風機及整流逆變柜頂風機跳閘聯(lián)鎖

進線變壓器柜、整流逆變柜頂配置風機的目的，是為了及時散出變壓器及整流逆變元件工作時產生的熱量。風機跳閘時，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)鎖設置，可考慮增加整流逆變柜內部溫度檢測，將信號送DCS進行監(jiān)控、報警及聯(lián)鎖，取消風壓的聯(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。

6 結 語

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系列變頻器的結構及原理進行了敘述，詳細闡述了變頻器啟動、調速及輸入輸出的相關設置及參數(shù)實現(xiàn)，并對變頻器外部聯(lián)鎖的原理及設計進行了分析，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，主要從事電氣技術管理工作。