变频器在地铁施工中的应用与探索

变频器在地铁施工中的应用与探索

变频器在地铁施工中的应用与探索摘要：变频器的诞生源于交流电机对无级调速的需求，随着晶闸管、静电感应晶体管、耐高压绝缘栅双极型晶闸管等部件的出现，电气技术有了日新月异的变化，变频器调速技术也随之发展，特别脉宽调制变压变频调速技术更是让变频器登上了新的台阶。地铁施工当前运用大功率交流电机总量很大，随着对节能低碳环保的要求，为变频器的应用提供了广泛的空间，也存在着潜在的经济益。关键词：变频器地铁施工应用节能提纲：一．总论二．变频器的定义及工作原理三．变频器的作用四．变频器在地铁施工中的应用五．变频器的维修保养六．结论一、总论随着社会经济的发展，城市交通成了发展的瓶颈，许多城市着手开始发展地下交通，地铁已不在陌生，它正改变着大家的工作和生活。然而地铁施工却是许多人陌生的事情，高高的围挡隔开了墙里墙外的世界。地铁施工，需要大型的施工设备：如龙门吊，空压器，通风机、钻机，抽水机，特别是盾构机，还有一些小型的机电设备，使用特别频繁，也称得上是高能耗的项目。那么变频器会为我们带来什么好处呢？二、变频器的定义及工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。变频器是将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备，变频器的使用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行。变频器的组成主要包括控制电路和主电路两个部分，主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的，其中主电路还包括整流器和逆变器等部件。变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。变频器的工频电源一般是50Hz或60Hz，工频电源的频率和电压都是恒定不变的。以工频电源工作的电机在调速时可能会造成功率的下降，而通过变频器的调整，电机在调速时就可以减少功率损失。变频器的种类繁多，按照变频器的用途不同可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等;按照变频器工作原理分类可分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。三、变频器的作用(1)可调的转矩极限，受控的停止方式，可逆运行控制。通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到3％～5％左右。在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。如同可控的加速一样,在变频调速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。(2)减少机械传动部件，可控的加速功能，可调的运行速度由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出,从而节省齿轮箱等机械传动部件,最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间,提高稳定性。变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。(3)启动时需要的功率更低，控制电机的启动电流，降低电力线路电压波动，节能。电机功率与电流和电压的乘积成正比,那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响,从而将受到电网运行商的警告,甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停,就不会产生类似的问题。当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(也可适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降。四、变频器在地铁施工中的应用离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快。在西安地铁三号线试验段使用变频器的想法是因一件小事情激发的。当时工地上没有自来水，降水井的水抽上来后，白白地流到了雨水管，工地上施工用水，生活用水就想到利用这个水源，可场地条件限制，不能自制高位水箱，流到厕所和洗手池的水就没有压力，就想到安装一台管道增压泵，安装后，用水是有压力了，可增压泵频频损坏，原来压力控制电路板老被烧坏，当时购泵时，就为了耐用，选择了一台进口水泵，结果一损坏，更换控制板要一千多，维修费过高。查找原因时发现，工地上人员多，只要一用水，管道泵就会启动，由于过于频繁启动，特别是重复启动时间隔几乎几秒钟，运行时间也是几秒钟。为了解决这个问题，就考虑到采用变频器，人少用水量小时，管道泵转速就慢一点，不致于压力过大，对泵负载过大。事实上效果非常明显，延长了水泵的使用寿命。由此想到降水井的水泵，工作一段时间后，井水抽完后，会出现空转情况，一不小心就会烧坏水泵，这也想到了变频器的调频调速功能，随着水泵出水量的减小，水泵的转速就降下来，出水管出水不到管径三分之一时，水泵就停止运行。工作人员巡查后，重新启动水泵，发现无水可抽时，水泵自停，做了记录，极大地减少了水泵空转被烧的事件。 起重设备龙门吊是地铁车站施工不可或缺地大型特种设备，负重行走，跟空载行走几乎是一比一的关系，可大车行走电机运行在工频电源条件下，功率，转速是一定的，加上变频器后，电动机的运转处在可控状态，实现负重和空载地不同运转模式。运行速度可调了，停止方式也可控，实现了负重时平稳运行，空载时快速运行，负重时缓慢停车的安全运行要求。提升电动葫芦，为了实现一个安全良好的起吊状态，操作人员会反复点动，使得电动机是频繁起动，交流接触器也是频繁动作。变频器的采用应用电气传动控制系统，由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动关系到控制运行状态、合理使用电动机和节能，以实现电能与机械能的高效转换。降低了线路电压波动，对转矩极限进行限制，确保安全起吊，不超载，克服了只有限位断电的单一保护措施。隧道通风中采用了110KW的两台轴流风机串联送风，然而隧道对风压的要求却并非恒定的，风机启动时，利用强大的风压促使隧道内工作面的混浊空气被新鲜空气强制推向隧道出口，形成强制空气对流，一旦风机运行半小时后，隧道内作业面的空气置换，达到了动态平衡，流速也不要求有最初那么大，而风机却以一种恒定的转速供应着风量，为了节电，施工现场都采取了间歇式送风，这显然存在着不足之处，用了变频器后，将风机转速控制在较低的转速范围，此时电动机在低电压下工作，实际功率远小于电动机额定功率。节电效果十分显著，可达20～60%。既保证了隧道通风的连续性，也实现了节能效果。盾构施工中的关键设备“小松盾构机”，用电量极大，一般是2000KVA的变压器提供电源，电动机总量达到1600KW左右，电动机的工作也不是恒定不变地，有时电机频繁启动，有时需要可调地转矩，有时也需要精确的停止位置。而生产厂家采用了变频器，可以使电动机启动时电流较小，降低线路的电压波动，提高了设备操作的灵活性和可维护性。五、变频器的维修保养当然变频器虽有以上的优点，但它的维护保养工作却不容忽视，工作环境必须根据现场情况做出相应的对策，变频器应该安装在控制柜内部；变频器最好安装在控制柜内的中部；变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件；变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元件等的最小间距，应该大于300mm；在多粉尘场所使用变频器时，总体要求控制柜整体密封，专门设计进风口、出风口进行通风；控制柜顶部应该有防护网和防护顶盖出风口；控制柜底部应该有底板和进风口、进线孔，并且安装防尘网。接地和防雷装置也必不可少。　　多数变频器厂家内部的印制板、金属结构件均未进行防潮湿霉变的特殊处理，如果变频器长期处于恶劣工作环境下，金属结构件容易产生锈蚀。导电铜排在高温运行情况下，会更加剧锈蚀的过程,对于微机控制板和驱动电源板上的细小铜质导线，锈蚀将造成损坏。因此，对于应用于潮湿和和含有腐蚀性气体的场合，必须对所使用变频器的内部设计有基本要求，例如印刷电路板必须采用三防漆喷涂处理，对于结构件必须采用镀镍铬等处理工艺。除此之外，还需要采取其它积极、有效、合理的防潮湿、防腐蚀气体的措施。　　变频器使用环境：　　1、环境温度：R.T+5℃—+35℃　　2、相对湿度：≤85%R.H　　3、环境空气质量要求：不含高浓度粉尘及易燃、易爆气体或粉尘，附件没有强电磁辐射源。　　操作人员必须熟悉变频器的基本工作原理、功能特点，具有电工操作常识。在对变频器日常维护之前，必须保证设备总电源全部切断；并且在变频器显示完全消失的3-30分钟（根据变频器的功率）后再进行。应注意检查电网电压，改善变频器、电机及线路的周边环境，定期清除变频器内部灰尘，通过加强设备管理最大限度地降低变频器的故障率。 　　(1)冷却风扇　　变频器的功率模块是发热最严重的器件，其连续工作所产生的热量必须要及时排出，一般风扇的寿命大约为20kh～40kh。按变频器连续运行折算为3～5年就要更换一次风扇，避免因散热不良引发故障。　　(2)滤波电容　　中间电路滤波电容：又称电解电容，该电容的作用：滤除整流后的电压纹波，还在整流与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，还为电动机提供必要的无功功率，要承受极大的脉冲电流，所以使用寿命短，因其要在工作中储能，所以必须长期通电，它连续工作产生的热量加上变频器本身产生的热量都会加速其电解液的干涸，直接影响其容量的大小。正常情况下电容的使用寿命为5年。建议每年定期检查电容容量一次，一般其容量减少20%以上应更换。六、结论电动机作为动力的来源，广泛地使用，带来了许多实际地问题，能耗大，损坏率高，维修费高，大功率电机体积大，更换困难，虽有传统意义上的过流过载缺相保护装置，还是满足不了新的节能环保，操作灵活易维护的要求。变频器的开发与应用，实现了合理使用电动机和节能，达到了电能与机械能的高效转换的实用效果。为地铁施工带来新的利润增长点，获得了显著节能效果、经济效益、环境效益和社会效益。