變頻器及電纜在空冷器的應(yīng)用

閆濤

摘 要：空冷器主要應(yīng)用在電站和石化行業(yè)，近些年空冷器在核電方面也有所突破，國內(nèi)有的空冷制造商甚至取得了核電認(rèn)證。電站空冷器分為直接空冷和間接空冷，直接空冷采風(fēng)機(jī)來進(jìn)行通風(fēng)換熱，風(fēng)機(jī)大多采用變頻風(fēng)機(jī)，即風(fēng)機(jī)電機(jī)用變頻器控制，變頻控制可以隨時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制背壓或者介質(zhì)溫度的目的，這樣既控制靈活，又節(jié)約能源，所以空冷上變頻器的選擇和變頻器至風(fēng)機(jī)電機(jī)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(yīng)用做以淺顯的分析和研究，為空冷電氣部分變頻及優(yōu)化提供一些建議。

關(guān)鍵詞：變頻器；變頻電纜；諧波

中圖分類號(hào)：TN773 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(yè)中的空冷器，主要采用變頻控制，當(dāng)然也有部分國外項(xiàng)目因?yàn)槠渌蛩鼐C合考慮后采用單速電機(jī)或者雙速電機(jī)控制。但就節(jié)能效果來說，變頻控制顯得更為優(yōu)秀。在空冷器運(yùn)行過程中，變頻控制可以同時(shí)調(diào)節(jié)空冷風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制排汽壓力或者出口介質(zhì)溫度的目的。相對(duì)于單速電機(jī)和雙速電機(jī)，更能夠精確控制換熱器的換熱能力，如果采用單速電機(jī)或者雙速電機(jī)，無論是對(duì)換熱穩(wěn)定性還是對(duì)電廠電網(wǎng)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(yīng)用的變頻裝置輸出側(cè)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(cè)進(jìn)入的是一個(gè)非線性整流電路，對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)和全廠電網(wǎng)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(gè)方面，所以當(dāng)空冷變頻裝置運(yùn)行時(shí)，不僅要防止全廠電網(wǎng)對(duì)變頻裝置的影響，還要防止空冷變頻段對(duì)全廠電網(wǎng)的影響。當(dāng)然變頻裝置內(nèi)部也有一些元器件會(huì)產(chǎn)生一些諧波干擾等。怎么去做到這些，那么就需要在空冷設(shè)計(jì)階段選擇一些適合每個(gè)工程項(xiàng)目的元器件或設(shè)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(gè)空冷設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行。變頻器輸出側(cè)是PWM波形，輸出電壓和輸出電流均有各種諧波產(chǎn)生，載波頻率較低時(shí)候，高次諧波所產(chǎn)生的各種噪聲就過通過可聽見的聲音傳入人耳。雖然有時(shí)候人耳聽不見，但是這個(gè)諧波還是存在的，那是因?yàn)檩d波頻率較高，載波頻率的大小同變頻裝置調(diào)制頻率有聯(lián)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(jì)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(duì)配電變壓器輸入電流的奇變。變頻器直連配電變壓器時(shí)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)，并且采用分信號(hào)接線箱和電纜及通道，當(dāng)然不僅要對(duì)變頻裝置動(dòng)力及信號(hào)電纜進(jìn)行屏蔽也要對(duì)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(jìn)出濾波器來減小對(duì)電網(wǎng)的污染和噪音，動(dòng)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(shù)字微處理器控制器將固定頻率的交流電變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，既可以遠(yuǎn)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(jìn)行就地人工控制變頻器，可以啟動(dòng)、調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率、停止變頻裝置。通常來說空冷風(fēng)用變頻器采用一拖一形式，工業(yè)級(jí)、矢量控制變頻器。在選用上根據(jù)品牌區(qū)別有風(fēng)機(jī)泵類及更高檔次的變頻器，也有使用重載的時(shí)候。主要來說還得根據(jù)環(huán)境條件，使用情況，現(xiàn)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(yīng)充分考慮電動(dòng)機(jī)及空冷系統(tǒng)運(yùn)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(shè)計(jì)時(shí)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(dá)60kA，并且短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成整體失衡。變頻裝置能夠在能在150%銘牌功率下短時(shí)間運(yùn)行，并且每天應(yīng)可以在風(fēng)機(jī)最大出力功率下連續(xù)運(yùn)行超過2小時(shí)。額定運(yùn)行工況下，使用變頻裝置后電動(dòng)機(jī)不降出力。根據(jù)空冷器實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境結(jié)合其配套的風(fēng)機(jī)電機(jī)功率參數(shù)選擇合適的變頻器。變頻器可以提供額定電流150%（對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)最大能力轉(zhuǎn)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(shè)備自帶外殼，每臺(tái)變頻器安裝在一臺(tái)柜體內(nèi)。變頻柜整體可以采用用進(jìn)口或者國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(jié)構(gòu)合理勻稱。柜體外殼防護(hù)等級(jí)：IP42或其它。機(jī)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(nèi)可以同時(shí)配有相應(yīng)風(fēng)機(jī)組的分支供電回路，包括：齒輪箱的加熱器、電動(dòng)機(jī)的空間加熱器、齒輪箱油泵電機(jī)、電機(jī)的冷卻風(fēng)扇電機(jī)。變頻器電源側(cè)采用刀熔開關(guān)帶信號(hào)輸出，加熱器回路采用塑殼斷路器加接觸器方案，電機(jī)冷卻風(fēng)扇電機(jī)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(nèi)元器件可以選用性能優(yōu)良產(chǎn)品，只要保證在整體技術(shù)要求所有一次設(shè)備及元件可以不局限于進(jìn)口產(chǎn)品也可以采用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品替代。變頻柜應(yīng)在現(xiàn)場要求的防護(hù)等級(jí)下保持通風(fēng)散熱，可以通過裝設(shè)排風(fēng)扇、排風(fēng)風(fēng)道即采用風(fēng)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(yùn)行狀況下的內(nèi)部元件的散熱量和環(huán)境因素來計(jì)算換熱裝置的換熱能力，可以保證在計(jì)算后的散熱情況下變頻柜柜體內(nèi)絕對(duì)溫升必須不大于三十?dāng)z氏度，如果很難達(dá)到要求，應(yīng)該用其它方案代替。內(nèi)置輸出共模濾波器，用以減少運(yùn)行噪聲，抑制變頻器發(fā)出的電磁干擾對(duì)電力系統(tǒng)的影響。內(nèi)置輸入或輸出濾波器，用以抑制進(jìn)線電流和電壓諧波失真在百分之四以內(nèi)。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(yīng)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(duì)變頻器進(jìn)行操作。控制面板與變頻器采用專用通信口進(jìn)行連接。變頻裝置應(yīng)具有與控制系統(tǒng)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(xié)議，便于后期運(yùn)行中維護(hù)方便，來滿足后期全廠設(shè)備改造時(shí)能夠直接通信控制而不用再將原有電氣設(shè)備進(jìn)行改造。機(jī)組變頻器應(yīng)組成現(xiàn)場總線網(wǎng)，即各個(gè)變頻器通信接口串接在一起，以一個(gè)接口與通信單元連接。變頻裝置可以配有內(nèi)置濾波器、外置浪涌保護(hù)器、防雷保護(hù)設(shè)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(qū)別的，變頻器用電纜中對(duì)稱結(jié)構(gòu)能夠保證電纜路徑中各個(gè)部分全部具有穩(wěn)定的電磁場空間，進(jìn)而能夠改變送電的品質(zhì)。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(shù)值明顯低于當(dāng)前絕大多數(shù)普通動(dòng)力三芯、四芯電纜，進(jìn)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(chǎn)生的高諧波對(duì)鄰近控制、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電纜的干擾。變頻電纜抗干擾性能是很優(yōu)秀的，屏蔽結(jié)構(gòu)卓有成效的防止了外界電磁場的干擾。當(dāng)線路運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)高次諧波分量與高頻浪涌電壓的時(shí)候，屏蔽層內(nèi)電流量的總累積是零，對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾也為零。

6 空冷變頻器用電纜類型的選擇

對(duì)于交直交型的變頻器，因?yàn)樗们袚Q開關(guān)的技術(shù)，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(dòng)力電纜連接電機(jī)和變頻裝置，可能出現(xiàn)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(dǎo)電面積中有效的部分就會(huì)減小。諧波中高頻部分分解成負(fù)序和零序、正序，中性線中會(huì)通過零序諧波。零序諧波中高頻部分電流在導(dǎo)體的表面擁擠的通過，進(jìn)而縮小了導(dǎo)體的導(dǎo)電面積中有效部分。如此這般，中性線會(huì)變燙，電纜老化程度會(huì)變快，電纜使用壽命會(huì)變短。想要將上述問題解決掉，我們可以把動(dòng)力電纜的芯數(shù)變?yōu)?個(gè)，以做成三加三芯對(duì)稱結(jié)構(gòu)。空冷器變頻器用電纜選擇對(duì)稱三加三芯結(jié)構(gòu)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(gè)等邊三角形平衡狀態(tài)，這樣電流就不會(huì)疊加，高次諧波對(duì)動(dòng)力電纜的損耗就這樣被減少了。運(yùn)行過程中空冷用變頻器可能有大量電磁波產(chǎn)生，對(duì)其相關(guān)的和電網(wǎng)內(nèi)的供配電系統(tǒng)和電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)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(dòng)力電纜能夠取得非常不錯(cuò)的效果。當(dāng)然要是屏蔽層內(nèi)的回路發(fā)生偏心，屏蔽電磁的效果肯定會(huì)降低，在屏蔽層中出現(xiàn)的渦流損耗這時(shí)候可能會(huì)增加一些。只有三加三芯對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電纜才能減小偏心問題。金屬屏蔽配合這種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，能夠讓電纜的屏蔽系數(shù)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(fā)揮其效果。這就是為什么變頻器專用電纜選擇對(duì)稱三加三芯結(jié)構(gòu)的第二個(gè)理由。變頻專用電纜根據(jù)屏蔽層的有無又可以為兩種結(jié)構(gòu)。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(guī)格的選擇

空冷變頻器用電纜規(guī)格可以根據(jù)實(shí)際電機(jī)功率，傳輸?shù)木嚯x，現(xiàn)場的環(huán)境等因素來選擇，可以說選擇動(dòng)力電纜和變頻器專用電纜應(yīng)該是都可以的，都有過運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，那么具體規(guī)格如何選擇就成了工程設(shè)計(jì)者的難題，因?yàn)樾枰诳绽湓靸r(jià)和空冷性能上進(jìn)行平衡，絕不可以天平倒向一頭，這樣會(huì)導(dǎo)致整體工程的質(zhì)量下降一個(gè)檔次。

可以說，空冷發(fā)展到今天，已經(jīng)達(dá)到一個(gè)瓶頸了，想要突破應(yīng)該不是很容易，那么就需要在原有設(shè)計(jì)里細(xì)化和優(yōu)化，使得整體設(shè)備達(dá)到一個(gè)最優(yōu)秀的狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐海，施利春，等.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京清華大學(xué)出版社，2010.

[2]William A.Thue.電力電纜工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]黃威，夏新民，等.電力電纜選型與敷設(shè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[4]王衛(wèi)東.電纜工藝技術(shù)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]李方圓.圖解變頻器控制及應(yīng)用[M].中國電力出版社，2012.

[6]嚴(yán)俊，鄧?yán)i.變頻器應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐[M].中國電力出版社，2011.

[7]陳蕾.電纜圖表手冊(cè)[M].中國水利水電出版社，2014.