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施耐德ATV61-ATS48在地铁系统中的应用

未知 2019-07-19 10:53

1 引言

  伴随着国家经济的高速发展,大中型城市的居民成倍增加,给城市交通带来巨大的压力:单单靠地面的公交系统,无法满足人们的日常出行。如何增加公共交通的运输能力,摆在了城市决策者的面前。显然,发展城市大型有轨交通,是解决这个问题的关键。大型有轨交通线分地面轻轨与地下铁路。因为轻轨的运行会产生比较大的噪音等问题,所以,目前国内有轨交通以地铁为主。既然机车在地下运行,就必须解决地铁系统供风的问题。地铁都是伴随着大密度的客流量,在地下10多米深的隧道内运行。如果在运行期间出现火灾事故,没有良好的排烟系统,后果是不可想象的。一年四季以及客流的高低峰,人们对隧道内湿度、温度、风量等的要求都是不一样的,这也是地铁供风空调系统需要考虑的。

  本文介绍施耐德atv61/ats48变频器/软起动在地铁供风空调系统中的应用。

2 术语注解

  bas系统:地铁中央控制系统。

  fas系统:火灾紧急控制系统。

  地铁供风空调系统:车站公共区通风/区间通风系统(大系统)、设备管理用房空调通风系统(小系统)、设备管理用房空调水系统(水系统)、其它区间通风系统(中间风井及射流风机)。

  atv61:施耐德风机/泵专用变频器。

  ats48:施耐德通用型软起动器。

3 变频器/软启动在大系统中的应用

  从技术角度上说,地铁行业对变频器/软起动的要求不是很高,因为地铁行业的驱动负载,基本上是风机(供水系统中有一些泵类)。这就决定了其技术门槛是比较低的;供风空调系统中,大系统对变频器/软起动的要求相对较高,

  3.1 车站通风系统风机

  车站的两端均设置通风道,通风道中并联两台相同技术参数的车站通风风机,并且,它们都是可逆风机。正常工况下,它们起到通风作用,在火灾等紧急情况下,作为排烟风机运行。

  根据不同车站的容积大小,该系统的风机功率分布从55kw~90kw,在传统的系统中,风机都是采用星三角启动,也有一些90年代中后期的线路采用软起动。而现在,在此通风系统中采用变频器是一种发展趋势。地铁运行有高低峰,一年四季温度也有区别,如果让风机在任何条件下都处于工频运行,会浪费大量的能源;并且,从舒适性的角度说,对车站内的乘客也是不合理的。变频器在不需要对驱动系统进行任何大的改造前提下,就能根据环境的差别,调节风机的速度,有效的解决了上面的问题。所以,目前在车站风机系统中采用变频器的概率越来越大,并且,一些老的地铁线路,都在把旧方案改造成变频驱动。

  具体到技术细节,我们在此不直接把变频器作为描述的对象,而是把变频器控制柜作为整体来描述,简称控制柜。

  一般来说,控制柜需要实现三方控制:bas、fas、本地盘柜。其中,bas、fas作为远程控制,只要fas启动,bas需要自动屏蔽。在控制柜上应该有本地/远程切换开关。需要注意的是,在此系统中,很多地铁线要求在变频器边安装旁路,当变频器出现故障,或者是出现火灾,风机能立即从旁路启动,直接工频运行,此情况下,控制柜上需要变频/工频转换开关,保证在本地控制时,也能选择变频/工频两种启动方式。

  其实控制要求描述到此,我们能够判断,在变频器柜内,不能单单只有变频器,还需要安装小型plc系统。也有一些地铁线路中,控制柜内没有小型plc,因为在每一个车站,都有一套大型plc系统,来处理整座车站中所有任务,那么,前面所描述的控制要求,就能够交给这套plc来完成。当然,在此没有谁好谁劣的比较,只是在前期设计时,要由设计方来规划考虑了。

  如果选择在控制柜中安装小型plc,也有一个需要选择的命题:柜内plc与车站plc系统之间是采用通讯的方式,还是采用数字/模拟量方式。这两种方案都是可行的,只是到目前为止,人们好像还是觉得后者的可靠性与可维护性要高一些,这也是智者见智的问题,在此不作讨论。当然,通讯是发展的趋势,同时,也是安全可行的方案,应该大力推广。典型的变频器控制柜内电气图如图1所示。

  图1中,柜内plc与车站系统plc采用的是数字/模拟量方式,在柜门上安装有本地/远程,变频/工频选择开关。柜内plc采用施耐德小型plc,变频器是atv61。柜内plc采用数字/模拟量来控制atv61,需要特别指出的是:因为atv61内置modbus/canopen两种通讯方式,采用施耐德小型plc,可以直接用通讯的方式来控制变频器atv61的运行,不会额外增加任何成本,并且已经有地铁线路采纳这种方式。

  正常工况下,车站plc根据站内温度、湿度,判断需要多大流量的供风,然后通过模拟量的形式,控制atv61的速度,达到控制的目的。如果某时刻atv61出现硬件故障,无法启动,由选择开关选择为工频,直接在工频下启动风机。出现火灾,车站需要排烟,这两台风机必须作为排烟风机运行,必须在50hz反向运行,高速排烟。如果此时控制系统出现问题,通过柜门按钮启动排烟。

  3.2 区间隧道通风系统

  地铁隧道在几个车站之间都设有一个区间风道,每座区间风道内设有2台可逆转耐高温轴流风机。根据地铁线路的长短,区间风道的数量在4~6座。地铁运营正常工况时,风机每天连续运行8小时,单风机运行或双风机并联运行。

  当区间夜间通风时,通过风阀转换实现对区间的通风换气。同时该风机兼容车站及区间阻塞、火灾工况下事故通风。通常情况下,这些风机不需要控制其流量,只需要平稳启停,不能对电网产生冲击。施耐德软起动器ats48可以有效解决这个问题,从技术角度上讲,软起动的应用更加简单,其核心是在于软起动的控制回路的设计。当然,与上面有关变频器的描述一样,软起动控制柜作为一个整体来描述。在柜门上有本地/远程控制选择开关,远程控制包括bas与fas系统。

  区间隧道通风系统软起动控制回路如图2所示。

  其中,出现火灾,需要排烟,软起动数字量输入li4定义成禁止所有保护,让软起动强行启动,即使此时软起动有故障。

4 地铁行业对变频器的要求

  地铁行业对变频器/软起动的技术难度要求不高,许多厂家的产品都能达到,但是地铁行业也有一些特殊的要求,特别是变频器:

  (1)谐波的要求:地铁系统内,除了变频器,还有大量其它重要设备,如果变频器不治理谐波,就有损坏其它设备的可能。地铁行业要求解决这个问题,要求变频器内置电抗器。

  (2)emc电磁兼容性的问题:变频器的抗干扰性都比较强,但是,其电磁发射性是非常强的,一方面干扰周围的仪器仪表,其二,地铁线路在市区穿行,可能经过医院,商业大厦,电信基地等等对电磁干扰比较敏感的地方,必须抑制emc干扰,需要变频器内置emc滤波器。

  (3)地铁隧道内环境还是比较恶劣的,要求变频器内部电路板能够配置防腐涂层,降低设备硬件故障。

  (4)简单的操作面板,方便维护人员检修,需要变频器的操作界面是中文;同时,该中文面板能够安装在控制柜门上。

  (5)操作面板能够同时监视多个重要变量:速度、电流、运行时间、消耗能量。

  (6)因为风机是旋转负载,经常出现机械共振,不处理,会出现大的机械故障,所以,变频器必须提供多个(至少3个)频率跳变点,避开可能的共振点。

  (7)当模拟量或通讯出现故障,要求变频器能够不报故障,而是保持一个固定速度运行。

  (8)地铁线路很长,加上国内电网电压波动比较大,要求变频器能够有大的电压输入范围,在不影响风量的情况下,电压范围达到:380v,-15%~+10%。

  (9)有关输入电压降的问题:在可以设定的时间内,电压降到50%电网电压,变频器不能报故障,并且能够驱动风机运转。电压回复后,速度回到正常状态。

  (10)兼容性高,可以采用多种通讯协议:modbus,ethernet,devicenet,profibus等等。

  (11)很高的制动力矩,即使不带制动电阻,也能够保证风机从+50hz切换到-50hz时,切换时间小于60秒。

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