景洪电厂变频器替代软启动器的改造方案探析

宗开华 ，刘 锦 ，江磊 ，吴梦婷 ，田 博

（1.华能澜沧江水电股份有限公司景洪电厂,云南 景洪 666100；2.西安航天自动化股份有限公司,陕西 西安 710065）

1 引言

油压装置是水电站中为液压设备提供压力能源的设备，目前广泛应用于水电站机组控制系统，如水轮机组调速和机组控制系统、大型水泵站以及进水阀门、空放阀等，其他需用压力能源的地方均可选用。油压装置稳定、安全、可靠是机组安全稳定运行和调速器系统可靠运行的保证。

油压装置和其用油设备构成一个封闭的循环油路。电动机带动油泵旋转时，回油箱内的油液经滤油器过滤后，由吸油管吸入，经油泵后到达油泵高压腔。在电动机启动的瞬间，由于组合阀中低压启动阀的作用,压力油经主阀被排至回油箱，油泵电机在低负载下运行。当电动机转速升至额定转速后，压力逐渐建立，低压启动阀关闭，主阀控制腔的压力随之建立，将主阀关闭。当压力升至额定值后，压力油推开组合阀中的单向阀经滤油器、截止阀进入压力油罐内。需用压力油时，压力罐内的压力油经电动球阀送至工作系统的各用油部件，工作后的回油排入回油箱，这样就构成了一个循环的油路系统。

2 设计背景

景洪电厂位于云南省西双版纳州景洪市，距离昆明约575 km，距景洪市区约5 km。改造前的电厂5 号机调速器油压装置设置一套控制系统，系统由2 台油泵电机软启动器、1 套PLC控制系统、继电器、操作按钮、触摸屏等器件组成，其中2 台油泵电机启动方式采用“软启动”方式，油泵电机启动时，由于产生的电流大，对厂用电系统的电网有冲击。所以电厂决定对调速器油压装置控制系统进行采用变频器启动的方式更换改造。

3 可行性分析

电动机启动分为全压启动和降压启动两种，全压启动也称直接启动，是最常用的启动方式，他是将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下启动，具有启动转矩大、启动时间短的特点，也是最简单、最经济和最可靠的启动方式[1]。一般功率小的电动机可以采用直接启动方式，因为小功率电动机的启动电流不是很大，对电路系统的影响不是很明显。

而大功率电动机启动电流大，电机启动时会导致电网供电线路产生较大的电压降，需要采用降压启动，典型的降压启动方式有采用自耦变压器降压启动、星三角降压启动、软启动器和变频器启动，还有串电阻启动等方式。

电动机采取直接启动还是降压启动方式要根据实际情况来定，其主要取决于电动机所在的母线系统承受的电流，一般电动机容量超过变压器容量的5%～10%就要采取降压启动，在不同容量的电力系统中能够直接启动的电动机功率标准是不同的，有要求在11 kW以下，有的是在18.5 kW以下。

景洪电厂5 号机调速器油压装置所用的油泵电机功率为132 kW，可采用软启动器和变频器两种降压启动方式。

3.1 软启动器特点

软启动器是一种具有软启动、软停止、轻载节能和定时低速运行等多种功能的电动机控制装备。它可以在整个启动过程中实现电动机的平滑启动，还能根据电动机所带负载的特性来调整各种启动参数，如过流值、过扭矩值、启动时间等。

目前常用的软启动器所依据的理论是电动机稳态数学模型的调压调速原理，在降低启动电流的同时也降低了启动转矩[2]。

软启动器用于启动电动机时是个调压器，它的输出可以改变电压，电动机在启动的时间内，端电压从设定的初始值逐步增大至全电压，使电机平滑且无级地加速至额定转速。同时，可调节的启动时间有效地防止低压断路器的瞬时脱扣器在启动时产生误跳闸现象。

因此软启动器在工业、民用建筑领域的动力控制设备中具有传统降压启动方式不可比拟的优越性。

3.2 变频器特点

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变频率控制交流电动机的运行速度和转矩实现降压的启动功能，它主要由整流、逆变、滤波、制动和驱动单元等组成。依靠开断内部的IGBT来调整电源输出的频率和电压，以达到调速和节能的作用，同时，变频器还有防过载、防过流、防过压保护等功能。

变频器是工业自动化控制领域技术含量高、控制功能全、控制效果好的电动机控制装置，主要用于调速要求较高的控制领域，因为价格比软启动器昂贵，结构也复杂得多，所以对维护技术人员提出了更高的要求，但是随着工业自动化程度不断地提高，变频器在电力、水力、煤炭、化工、水泥等多个领域得到了广泛地应用。

3.3 变频器优势

软启动器和变频器的共同点是二者都能起到电动机降压启动的作用，但是两者又是不同用途的产品。变频器是通过改变电动机供电电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段[3]。而软启动器的输出只能改变电压而不能改变频率，不具备调速功能。

通过软启动器启动的电动机，是在接近全压时才启动的，不能实现零压启动，它的启动电流大，会对厂用电网造成一定程度的冲击，因此对厂用电网的容量有一定的过高要求，不仅如此，电动机启动时产生的大电流和震动还会影响其他设备的正常运行，对其他使用设备和相应的管路损害较大、缩短了其使用寿命。而变频器的软启动可以控制启动速度，延长启动时间，使启动电流从零逐步升高至固定的额定电流，可以极大地减轻对厂用电网的冲击力，对使用设备和相应的管路使用寿命有利。

4 改造过程

4.1 软启动器控制原理

经过以上可行性分析，景洪电厂对5号机调速器油压装置的油泵电机由软启动器启动改造为由变频器启动，改造前的软启动器的主回路控制原理见图1。

图1 软启动器主回路控制原理图

从主回路原理图分析，控制回路通过中间继电器K1 的线圈得电，再由K1的触点闭合来触发软启动器的主回路接通，使油泵电机平滑地启动直至达到额定转速，启动完成后，软启动器内部的R2A和R2C接通，发出油泵电机运行的无源开关点信号。当控制中间继电器K1 的线圈失电，K1 的触点就会断开，导致软启动器的主回路切断，实现油泵电机停止运行。

油泵电机一旦出现过热、过流、过扭矩等状况时，软启动器内部的R1A和R1C断开，发出控制故障的无源开关点信号。

4.2 变频器控制原理

变频器的启动控制主回路与软启动器类似，改造后的变频器的主回路控制原理见图2。

图2 变频器主回路控制原理图

变频器的控制回路也可以通过中间继电器K1 的触点闭合来触发主回路的接通，现场启动时间设置为30 s，比软启动器的启动时间5 s更长，油泵电机启动电流至正常运行过程中始终较小，所以对厂用电网的冲击小。

变频器内部的XR02 的NO和COM在油泵电机启动完成后同样发出接通的运行无源开关点信号。当中间继电器K1 的线圈失电，会切断主回路，油泵电机停止运行。通过XRO3的NO和COM发出电机故障的无源开关点信号。

5 自动运行流程

油泵电机启动完成后的正常运行，与卸荷阀的加载是调速器油压装置系统完成补气、补油动作的前提条件。

当油压装置的压缩空气泄漏到一定数量时，压力油罐内的油压油位会高出正常油位，此时回油箱内油位低于正常油位。利用补气阀和中间油罐共同作用，使油泵电机每次启动和卸荷阀加载后，系统自动开启补气阀向压力油罐补充一次压缩空气，完成一次自动补气。

图3 补气控制流程图

油压装置的作用是向调速器提供稳定的压力油源，回油箱油位保持为规定值。当压力油罐的压力因供油而下降到规定值时，压力罐内压力会降到低压设定值，压力开关动作，系统启动主用泵从回油箱清洁油区吸油送到压力油罐。当压力油罐输出油量大于主用泵输出油量或主用泵未能在设定值时启动，导致罐内压力继续下降，当降至下一个低压设定值时，备用压力开关动作，启动备用泵，当其压力达到高压规定值时，控制油泵电机组停止工作，保证回油箱油位为规定值，这样完成了一次自动补油过程，系统中的回油返回回油箱污油区，通过过滤网过滤后进入箱内净油区，以备下一轮循环使用。

图4 补油控制流程图

6 结语

景洪电厂5号机调速器油压装置电气控制使用的变频器是专业性较强的传动系统，在整个项目甚至电厂运行中都占有比较重要的地位，本系统的变频器采用了成熟的、性能稳定的世界知名品牌的ABB公司的产品，在器件选型上设计合理，2台采用统一的型号设备可以节省备品备件的使用数量，减少其后期的维护费用，使得后期的维修更加方便。油泵电机的运行与补气、补油装置运行流程在设计上采用了防止油罐过压、液位过高的事故极限保护闭锁关系。此外，流程中的油泵电机超时运行保护具有及时停机的紧急安全处理功能。

通过景洪电厂5号机调速器油压装置的运行实践，其油泵电机启动电流小、运行状态与配套的补气、补油装置的逻辑动作正确，改造后的油泵电机变频器启动比改造前的软启动器在启动过程中对厂用电网的冲击明显减小，达到了调速器油压装置的安全生产运行要求。其改造方案可在以后的大功率电动机启动的传动系统设计中推广应用。