基于ACS2000 DFE中压变频器的PTA搅拌器传动系统改造

胡 平

（中国石化仪征化纤股份有限公司PTA生产中心，江苏仪征 211900）

设备改造

基于ACS2000 DFE中压变频器的PTA搅拌器传动系统改造

胡 平

（中国石化仪征化纤股份有限公司PTA生产中心，江苏仪征 211900）

介绍了ACS2000 DFE中压变频器的拓扑结构、电源配置、控制系统构成、电平输出原理及直接转矩控制。阐述了在PTA搅拌器传动系统改造中，ACS2000 DFE中压变频器一键自动起停、速度切换及调节、报警及故障输出、运行状态监测的参数及接线设计。通过对ACS2000 DFE中压变频器的外部报警及联锁设计分析，提出了外部联锁变更的参考方案。

中压变频器 传动系统 直接转矩控制 外部联锁

ACS2000中压变频器是ABB公司为0.2～2 MVA功率范围中压用户开发的产品。因其结构简单、集成度高、安装调试方便而颇具市场竞争力，同时该产品绝大部分元器件也在国内生产，可缩短交货时间并提供更及时的服务。基于上述原因并考虑控制的复杂程度、运行成本等因素，仪化公司PTA生产中心选用二极管整流的ACS2000 DFE风冷型中压变频器对PTA反应器搅拌器传动系统进行了改造。笔者从ACS2000 DFE中压变频器的拓扑结构、控制系统构成及工作原理入手，介绍了改造中一键自动启停、速度切换及调节、运行状态监测、报警及故障输出的设计与实现。通过对ACS2000 DFE变频器的联锁设计分析，讨论了使用DCS系统进行变频器运行监控后，变频器外部联锁设置的必要性，并提出了ACS2000 DFE中压变频器外部联锁变更的参考方案。

1 ACS2000 DFE中压变频器结构［1］

1.1 ACS2000 DFE硬件拓扑结构

图1所示，ACS2000 DFE风冷型中压变频器由变压器柜、控制柜、EMC柜及整流逆变柜组成，配置的2台冷却风机分别安装于变压器柜及整流逆变柜柜顶。为保证对变频器整流逆变柜的安全维护，在EMC柜内安装了一只接地开关，盘面上为接地开关的操作手柄。变频器的结构如图2所示。

1.2 ACS2000 DFE变频器电源配置

图1 ACS2000 DFE变频器外观图

ACS2000 DFE变频器需要两路独立的电源，即用于电源电子元件的主电源及用于控制和冷却设备的辅助电源（如图3所示）。其中，主电源由输入隔离变压器向变频器供应，而辅助电源提供以下备选方案：

a）由一路三相电源提供全部辅助电源；

b）两路三相电源，从一路电源切换到另一路电源由变频器自动控制；

c）一路三相电源和一路单相电源；

d）两路三相电源和两路单相电源。根据该中心电源配置情况，选用一路三相电源作为变频器主电源，辅助电源由UPS提供。

1.3 ACS2000 DFE变频器控制系统拓扑结构

如图4所示，ACS2000 DFE控制系统主要由AMC板、INU接口板、相接口板（Phase INT）、I／O板（IOEC modules）、操作盘（CDP）及总线适配器（Filedbus adapter）组成。转矩、电流、电压等相关的变量均由控制系统监控，并采用预编程的保护功能，保证上述变量不超出限值，确保变频器的安全运行。

图2 ACS2000 DFE结构框图

图3 ACS2000 DFE变频器电源配置

AMC板是整个控制系统的核心，它的作用是处理变频器状态信息，完成速度和转矩控制任务，监控变频器的运行。

IOEC板是变频器与外部设备连接的媒介，主回路断路器（MCB）、接地开关、门联锁系统、冷却系统等外部设备及变频器内部数字量及模拟量输入／输出信号均通过IOEC模块与控制系统连接，IOEC板各个通道的激活与调整可通过参数实现。标准的输入／输出包括一个外部模块（IOEC 2）和一个针对变频器操作的内部模块（IOEC 1），提供用于满足大多数应用的标准控制与监视功能。当需要额外输入与输出时，可配置扩展输入／输出，包括一个外部模块（IOEC 4）和一个内部模块（IOEC 3）。

INT板用于短路检测并控制逆变器的相模块驱动板。相模块驱动板完成逆变器内部元件的导通与关断控制。

各模块之间除INT接口板与AMC板之间直接通过64针扁平电缆连接外，其余板块间的通讯均通过光纤完成。

图4 ACS2000 DFE控制系统拓扑结构

2 ACS2000 DFE变频器电平输出及直接转矩控制

2.1 电平输出

如图5所示，ACS2000变频器的逆变器为中性点钳位3相逆变器，每相包含12只IGBT和一只相电容。逆变器的拓扑结构可以看成是电流回路上带有H桥的3电平中性点钳位逆变器。Cell1和Cell2属于H桥部分，Cell3属于3电平钳位逆变器部分（如图6所示）。3电平中性点钳位逆变器的直流电压为－V，0和＋V，相电容Cf的电压为V／2，则通过调节3电平中性点钳位逆变器，可输出电压范围为V的电压，而通过调节H桥部分可输出电压范围为V／2的电压。因此5电平中性点钳位逆变器每相输出5个不同的电压，即V，V／2，0，－V／2和－V，开关状态与输出电压的对应关系如表1所示。根据开关状态与输出电压的对应关系，通过控制每相逆变器元件的开关，相间即可获得9电平输出。

图5 相模块结构

图6 相模块结构划分

表1 开关状态及相应电压

2.2 直接转矩控制［2］

直接转矩控制框图如图7所示，逆变器的开关状态由电机的磁通和转矩直接控制。测量的电机电流和直流母线电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25μs产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。这样的控制方式优点如下：

a）转矩和磁链的控制采用双位式BANGBANG控制器，并在逆变器中直接用这两个控制信号产生电压波形，避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器结构；

b）以定子磁链为基准进行运算和控制，计算磁链的模型不受转子参数变化的影响，提高了控制的鲁棒性；

c）在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应。

3 PTA搅拌器传动系统改造

应用ACS2000 DFE变频器对搅拌器传动系统进行改造，在保证传动系统运行稳定的同时，需根据现场实际情况，完善启停控制与速度调节、优化DCS对传动系统的监控及联锁。改造主要包含以下几方面内容：

a）一键启停变频器；b）高低速切换及转速调节；c）运行状态监测；d）报警及故障设置。

3.1 一键启停控制

如图8所示，通常情况下ACS2000 DFE需要2个控制命令分别进行进线断路器合闸及电机启动，根据该中心搅拌器电机原有控制方式，需采用一键启停控制，即现场按下启动按钮后，变频器风机运转并开始进行直流回路充电，充电结束后合高压进线开关，变频器进入准备运行状态后，启动命令由变频器直接输出，电机启动并以设定的恒定转速运行。当现场按下停止按钮后，变频器停止输出，之后发出停高压进线开关命令，高压开关分断后进行直流回路放电，风机经延迟后停止运转，现场电机以自由停车方式运行，直至转速降为零。

为实现直接通过现场电机操作柱按钮完成一键启停控制，将变频器启动参数11.01设置为自动启动模式，将现场操作柱启动、停止按钮的接线引至72.12至72.14参数选择的输入端口，并通过11.07设置按钮的接线类型。同时为区分正常停车与联锁停车，便于在变频器停车时及时判断停车命令的来源，将DCS联锁停车命令作为变频器紧急停车输入，即当DCS联锁时变频器紧急停车。

图7 直接转矩控制框图

图8 变频器启动、停止及紧急停止顺序

3.2 高低速切换及速度调节

根据工艺对搅拌器电机转速的要求，转速调节需采用两段控制，即低速时限定变频器转速输出为恒定转速720 r／min，切换至高速后，变频器根据DCS输出的4～20 mA信号调节转速。为防止调速信号丢失导致电机转速下降造成系统停车，将参数设置为切换至高速后调速信号丢失保持恒定转速1 489 r／min运行。

因变频器恒速选择输入为0时，恒速运行，输入为1时取消恒速选择。而DCS系统设计的逻辑为工艺未开车时输出1，即禁止切高速，电机以恒定低速运行，当工艺条件满足时输出0信号，允许切换至高速运行或根据给定进行转速调节，二者逻辑相反。为根据DCS输出逻辑实现转速切换控制，在变频器柜内安装1只中间继电器进行触点类型转换，将中间继电器的常开点接至变频器恒速选择输入接口。

3.3 运行状态监测

为在中控室监控变频器及电机的运行状态，将变频器检测的电机电流、实际功率、转速通过IOEC板的AO输出至DCS系统；将风机回路接触器的辅助触点作为风机运行状态监测点引至DCS系统；变压器绕组温度通过变送器输出至DCS系统。

3.4 故障及报警设置

为及时发现变频器的报警、便于对系统停车的原因进行区分、判断，取变频器报警及跳闸信号对应的状态字通过IOEC板输出至DCS系统。

改造后系统单线图如图9所示。变频器部分参数设置详见表2所示。

表2 ACS2000部分参数设置

图9 系统单线图

4 ACS2000 DFE变频器联锁设计分析

ACS2000 DFE变频器外部联锁保护为风压及温度，包括集成变压器绕组温度的联锁、集成变压器柜内风压联锁、环境温度联锁及整流逆变柜内风压联锁。

图10 风压报警及联锁接线图

4.1 风压联锁设计

ACS2000 DFE变频器在变压器柜及整流逆变柜内各放置了2个风压开关进行风压报警及联锁，接线如图10所示。变压器柜内的风压开关1只检测变压器柜外部风压（P1）及变压器前方风压（P2），1个检测变压器前方风压（P2）及变压器后方风压（P3），整流逆变柜内的2只风压开关则分别检测柜外风压（P1）及模块前方风压（P2）、模块前方风压及模块后方风压（P3）。3个风压值之间及其与报警、联锁风压设定值的关系为：

a）P1＞P2，当P1－P2＜P（滤网报警风压设定值）时，变频器报滤网故障；

b）P2＞P3，P2－P3＞P（风压联锁设定值）时，变频器联锁停车。

变压器内风压报警开关动作值110 Pa，风压联锁开关动作值240 Pa，整流逆变柜内风压报警开关动作值180 Pa，风压联锁开关动作值240 Pa。

4.2 变频器环境温度联锁设计

在ACS2000 DFE变频器控制柜内下方安装了1只测温铂电阻，用于测量变频器环境温度，信号直接接至变频器输入输出板，参数设定变频器环境温度报警值45℃，联锁值55℃。

变频器环境温度的检测原理如图11所示，IOEC1接口板的模拟量输出口AO02输出4 mA直流电流信号，电流流经测温铂电阻元件在铂电阻上产生直流电压，铂电阻两端电压随着铂电阻电阻值的改变而改变。该电压信号接入IOEC1接口板的模拟量输入口AI01，AI01根据检测到的电压值来判断环境温度。联锁是否误动作完全取决于铂电阻的稳定性与直流电源的精度。

4.3 变压器绕组温度联锁设计

变压器绕组的温度通过嵌入变压器绕组内的铂电阻来测量，如图12所示，铂电阻信号经温度变送器变换后送至变频器接口板。变频器根据输入的4～20 mA信号判断变压器绕组温度值，并以31.02、31.03参数的设定值进行变压器绕组温度报警及联锁。当铂电阻接线松动导致阻值超过设定上限或温度变送器故障时，变频器将误判断为变压器绕组温度过高，直接联锁停车。

4.4 进线变压器柜顶风机及整流逆变柜顶风机跳闸联锁

变频器进线变压器柜顶风机及整流逆变柜顶风机电源开关辅助点接线连接至变频器输入输出板，变频器接到风机电源开关跳闸信号后，将报故障并触发停车逻辑。

5 ACS2000 DFE变频器外部联锁变更参考方案

考虑变频器测量元件自身及回路的可靠性及联锁动作时对生产造成的影响，可对变频器外部保护联锁做相应变更，以避免元器件故障、接线松动等造成变频器的非正常停车。

图11 环境温度检测接线图

图12 变压器绕组温度监测接线图

5.1 变压器绕组温度高报联锁变更

取消变频器对进线变压器绕组的温度监测及保护，将进线变压器绕组温度信号直接送至DCS进行监测及报警。需对进线变压器绕组温度联锁保护时，则可在DCS组态成3取2联锁逻辑，降低误报率，提高可靠性的同时，更好地实现变压器绕组温度的联锁保护。

因ACS2000变频器配置集成变压器时对变压器三相绕组的温度监测无法全部取消，可通过31.04参数设置保留对U相的温度监测，并在回路中串入一只电阻或提供一个虚拟的4～20 mA模拟输入，作为U相温度监测的输入信号，以避免变频器因U相测温回路故障而导致停车。

5.2 变压器柜及整流逆变柜内风压联锁变更

因变压器柜内空间较大且连通性较好，且风压设置了报警，当风压出现问题时，可以通过风压报警及时发现，同时集成变压器绕组温度在DCS已设置监测，故可保留风压报警，取消风压联锁，以保证不会因风压开关误动作造成变频器故障停车。

对于整流逆变柜，因模块前后有散热片隔离，为保证散热所需的足够风量，模块前后的风压监测直接触发联锁。整流逆变柜内共2个整流单元、3个逆变单元，考虑各单元无温度检测及保护，需保留风压报警及联锁，以保护整流逆变单元。

5.3 变频柜环境温度报警及联锁

因环境温度检测铂电阻安装在控制柜内，控制柜与变压器柜相邻，环境温度检测易受到变压器散热的影响，可通过配置空调来保证变频器运行环境温度的前提下，通过修改54.01的参数设置取消温度联锁，避免变频器环境温度误报造成变频器联锁停车。

5.4 变压器柜顶风机及整流逆变柜顶风机跳闸联锁

进线变压器柜、整流逆变柜顶配置风机的目的，是为了及时散出变压器及整流逆变元件工作时产生的热量。风机跳闸时，对于变压器柜可使用温度联锁保护作为后备保护，而整流逆变柜未配置温度保护，需保留柜顶风机跳闸联锁，以保护整流逆变单元。另外参考改造前传动系统的联锁设置，可考虑增加整流逆变柜内部温度检测，将信号送DCS进行监控、报警及联锁，取消风压的联锁保护，以减小误动作的几率。

变更上述联锁后，对变频器的报警监测就变得尤为重要。除依据送至DCS的报警信号进行报警监测外，需加强对变频器运行的温度检测，以便及时发现、处理变频器温度异常，保证变频器的稳定运行。

6 结 语

介绍了基于ACS2000 DFE中压变频器PTA搅拌器传动系统的改造，对ACS2000 DFE系列变频器的结构及原理进行了叙述，详细阐述了变频器启动、调速及输入输出的相关设置及参数实现，并对变频器外部联锁的原理及设计进行了分析，提出了外部联锁变更的参考方案，以为同类型的中压变频器应用或改造提供参考及借鉴。

［1］ ABB BeijingACS 2000 Drive Systems Co.，Ltd.ACS2000 User′s Manual.

［2］ 电气传动自动化技术手册［M］.北京：机械工业出版社，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，工程师，主要从事电气技术管理工作。