变频器及电缆在空冷器的应用

闫涛

摘 要：空冷器主要应用在电站和石化行业，近些年空冷器在核电方面也有所突破，国内有的空冷制造商甚至取得了核电认证。电站空冷器分为直接空冷和间接空冷，直接空冷采风机来进行通风换热，风机大多采用变频风机，即风机电机用变频器控制，变频控制可以随时调整风机转速，以达到控制背压或者介质温度的目的，这样既控制灵活，又节约能源，所以空冷上变频器的选择和变频器至风机电机电缆的选择则尤为重要了。下面就空冷变频器及电缆选型及应用做以浅显的分析和研究，为空冷电气部分变频及优化提供一些建议。

关键词：变频器；变频电缆；谐波

中图分类号：TN773 文献标志码：A 文章编号：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

电站空冷和煤化工行业中的空冷器，主要采用变频控制，当然也有部分国外项目因为其它因素综合考虑后采用单速电机或者双速电机控制。但就节能效果来说，变频控制显得更为优秀。在空冷器运行过程中，变频控制可以同时调节空冷风机电机转速，以达到控制排汽压力或者出口介质温度的目的。相对于单速电机和双速电机，更能够精确控制换热器的换热能力，如果采用单速电机或者双速电机，无论是对换热稳定性还是对电厂电网都可能存在着一定的影响。

1 空冷器用变频装置

在空冷器上应用的变频装置输出侧通常含有较多的谐波，这些谐波有1、3、5次谐波和非正弦波，输入侧进入的是一个非线性整流电路，对风机电机和全厂电网均有着一定程度的影响。电磁兼容包括电磁干扰和敏感性两个方面，所以当空冷变频装置运行时，不仅要防止全厂电网对变频装置的影响，还要防止空冷变频段对全厂电网的影响。当然变频装置内部也有一些元器件會产生一些谐波干扰等。怎么去做到这些，那么就需要在空冷设计阶段选择一些适合每个工程项目的元器件或设备，比如有源滤波装置，输入输出滤波器等来维持空冷变频装置乃至整个空冷设备的稳定高效运行。变频器输出侧是PWM波形，输出电压和输出电流均有各种谐波产生，载波频率较低时候，高次谐波所产生的各种噪声就过通过可听见的声音传入人耳。虽然有时候人耳听不见，但是这个谐波还是存在的，那是因为载波频率较高，载波频率的大小同变频装置调制频率有联系。用拉普拉斯变换可以通过电压方波和电流正弦波分析计算出各类的谐波含量。通过在变频装置的直流电路中安装直流电抗器和在低压变压器与其连接中安装交流电抗器，可以减少变频器对配电变压器输入电流的奇变。变频器直连配电变压器时，变频器为交直交电压型，在三相整流电路带全波形整流后给其电容进行充电。为了防止干扰，可以通过采用外壳屏蔽的变频装置和采用镀锌钢管屏蔽的输出电缆来实现，并且采用分信号接线箱和电缆及通道，当然不仅要对变频装置动力及信号电缆进行屏蔽也要对其它容易受到干扰的电缆采取一些屏蔽之类的措施，可以配置进出滤波器来减小对电网的污染和噪音，动力电缆也可以采用隔离变压器或者有缘滤波器来避免传送干扰。

2 空冷器用变频装置类型的选择

变频装置控制单元通常采用数字微处理器控制器将固定频率的交流电变为可调频率的交流电，既可以远程控制也可以就地控制。通过变频装置或者柜门的操作面板可进行就地人工控制变频器，可以启动、调整转速、频率、停止变频装置。通常来说空冷风用变频器采用一拖一形式，工业级、矢量控制变频器。在选用上根据品牌区别有风机泵类及更高档次的变频器，也有使用重载的时候。主要来说还得根据环境条件，使用情况，现场因素来选择。

3 空冷器用变频器功率的选择

空冷器用变频器功率选择应充分考虑电动机及空冷系统运行中各种工况的要求。空冷用变频装置所采用的元件均在设计时就留有一定的余量，并且元件可靠度较高，变频装置母线段耐受短路电流可高达60kA，并且短时间内不会造成整体失衡。变频装置能够在能在150%铭牌功率下短时间运行，并且每天应可以在风机最大出力功率下连续运行超过2小时。额定运行工况下，使用变频装置后電动机不降出力。根据空冷器实际的运行环境结合其配套的风机电机功率参数选择合适的变频器。变频器可以提供额定电流150%（对应风机最大能力转速）的间隙过载能力不小于2秒钟。

4 空冷器用变频器附件的选择

变频器及其附属设备自带外壳，每台变频器安装在一台柜体内。变频柜整体可以采用用进口或者国产优质冷轧或敷铝锌的钢板，厚度大于或等于两毫米；面板喷塑均匀平滑外观美，结构合理匀称。柜体外壳防护等级：IP42或其它。机柜门采用一定的措施，以提高抗射频干扰（RFT）的能力。每面变频器柜内可以同时配有相应风机组的分支供电回路，包括：齿轮箱的加热器、电动机的空间加热器、齿轮箱油泵电机、电机的冷却风扇电机。变频器电源侧采用刀熔开关带信号输出，加热器回路采用塑壳断路器加接触器方案，电机冷却风扇电机和减速箱油泵回路采用塑壳断路器加接触器加热继电器方案。变频器柜柜内元器件可以选用性能优良产品，只要保证在整体技术要求所有一次设备及元件可以不局限于进口产品也可以采用国内优质产品替代。变频柜应在现场要求的防护等级下保持通风散热，可以通过装设排风扇、排风风道即采用风冷和足够间距等措施保证热量的散出。可以通过变频装置在各种运行状况下的内部元件的散热量和环境因素来计算换热装置的换热能力，可以保证在计算后的散热情况下变频柜柜体内绝对温升必须不大于三十摄氏度，如果很难达到要求，应该用其它方案代替。内置输出共模滤波器，用以减少运行噪声，抑制变频器发出的电磁干扰对电力系统的影响。内置输入或输出滤波器，用以抑制进线电流和电压谐波失真在百分之四以内。变频器可以采用纯中文或英文等带显示的控制面板，该面板应安装在变频柜的柜门上。从而不用打开变频柜柜门就可以对变频器进行操作。控制面板与变频器采用专用通信口进行连接。变频装置应具有与控制系统的通讯所需的卡件或接口，通讯接口必须支持PROFIBUS等主流的通讯协议，便于后期运行中维护方便，来满足后期全厂设备改造时能够直接通信控制而不用再将原有电气设备进行改造。机组变频器应组成现场总线网，即各个变频器通信接口串接在一起，以一个接口与通信单元连接。变频装置可以配有内置滤波器、外置浪涌保护器、防雷保护设备、输入和输出滤波器及电抗器、EMI/EMC装置等。

5 空冷变频器用电缆

空冷变频器用电缆和普通电缆是有所区别的，变频器用电缆中对称结构能够保证电缆路径中各个部分全部具有稳定的电磁场空间，进而能够改变送电的品质。变频电缆有着均匀并且很低的阻抗。各相线变频电缆的电抗，其数值明显低于当前绝大多数普通动力三芯、四芯电缆，进而降低了反射波，减小了阻抗波，成功的阻止了功率较大传输情形下变化频率产生的高谐波对邻近控制、计算机系统电缆的干扰。变频电缆抗干扰性能是很优秀的，屏蔽结构卓有成效的防止了外界电磁场的干扰。当线路运行时出现高次谐波分量与高频浪涌电压的时候，屏蔽层内电流量的总累积是零，对外界产生电磁干扰也为零。

6 空冷变频器用电缆类型的选择

对于交直交型的变频器，因为它用切换开关的技术，所以输出不是正弦波，输出变成了正弦基波和高次谐波的阶梯波。如果采用普通的动力电缆连接电机和变频装置，可能出现下面所说的问题：中性线流过零序电流的情况下，受相线中其它电流的影响，部分的电流密度更加变大，导电面积中有效的部分就会减小。谐波中高频部分分解成负序和零序、正序，中性线中会通过零序谐波。零序谐波中高频部分电流在导体的表面拥挤的通过，进而缩小了导体的导电面积中有效部分。如此这般，中性线会变烫，电缆老化程度会变快，电缆使用寿命会变短。想要将上述问题解决掉，我们可以把动力电缆的芯数变为6个，以做成三加三芯对称结构。空冷器变频器用电缆选择对称三加三芯结构的理由如下。其中中性线芯在空间上的相位按顺序滞后一百二十度，变成了一个等边三角形平衡状态，这样电流就不会叠加，高次谐波对动力电缆的损耗就这样被减少了。运行过程中空冷用变频器可能有大量电磁波产生，对其相关的和电网内的供配电系统和电网会产生不小的干扰，这就要求配电线缆需要有较高的屏蔽方法和措施。多层屏蔽动力电缆能够取得非常不错的效果。当然要是屏蔽层内的回路发生偏心，屏蔽电磁的效果肯定会降低，在屏蔽层中出现的涡流损耗这时候可能会增加一些。只有三加三芯对称结构的电缆才能减小偏心问题。金属屏蔽配合这种对称的结构，能够让电缆的屏蔽系数降低至0.69甚至更小。这样一来就能够屏蔽电磁波外露，金属屏蔽层能够较好的发挥其效果。这就是为什么变频器专用电缆选择对称三加三芯结构的第二个理由。变频专用电缆根据屏蔽层的有无又可以为两种结构。三加三芯中三条中性线的截面积之和必须大于单根相线的截面积的一半。

7 空冷变频器用电缆规格的选择

空冷变频器用电缆规格可以根据实际电机功率，传输的距离，现场的环境等因素来选择，可以说选择动力电缆和变频器专用电缆应该是都可以的，都有过运行的经验，那么具体规格如何选择就成了工程设计者的难题，因为需要在空冷造价和空冷性能上进行平衡，绝不可以天平倒向一头，这样会导致整体工程的质量下降一个档次。

可以说，空冷发展到今天，已经达到一个瓶颈了，想要突破应该不是很容易，那么就需要在原有设计里细化和优化，使得整体设备达到一个最优秀的状态。

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