施耐德變頻器在北京地鐵風機上的應用

　　1、引言

　　北京地鐵五號線南起豐臺宋家莊，經天壇，崇文門，東單，北至昌平太平莊北站。線路全長約27公里，其中地下線約17公里。全線共設有22個車站，其中16座地下站，6座地上站，一個車輛段、一個停車場、一個指揮中心，預計2006年底建成通車。

　　2、地鐵工程空調通風系統工藝要求概述

　　地鐵工程中地下車站及區間除車站出入口、風亭及地下線路兩端隧道洞口外，基本與大氣隔絕。通風空調系統的任務是對地下車站，區間隧道內溫度、濕度、風速、事故工況排煙等進行全面控制。車站兩端各設置新風井及排風井各一座，風井面積因通風量而異。

　　北京地鐵五號線工程空調通風系統制式采用閉式系統，開、閉式運行。空調通風系統由以下四部分組成:車站公共區空調通風/區間通風系統(大系統)、設備管理用房空調通風系統(小系統),空調水系統(水系統)、其他區間通風系統(中間風井，洞口空氣幕，即射流風機)。

　　隧道通風系統中車站的公共區夏季采用空調，其余季節通風換氣。車站公共區空調通風機與至車站的區間隧道風機合而為一，及車站空調通風兼容區間隧道風機功能。采用變頻控制，工況不同時，風量不同，達到節能運行。

　　地鐵運營正常工況時，通風空調設備排除余熱和余濕，為乘客在地鐵車站創造一個往返于地面至列車內的過渡性舒適環境。隧道通風機通過送，回風管對車站公共區空調通風。當區間夜間通風和區間隧道阻塞工況時，通過組合風閥轉換開關控制實現對區間的通風換氣。風機根據運行模式的要求進行正轉或反轉運行，已達到向車站和區間隧道送風和排風的目的。同時該風機兼送車站機區間火災事故風，通風空調設備向乘客和消防人員提供必要的新風量，形成一定迎面風速，誘導乘客安全撤離，并具有排煙功能。

　　3、地鐵隧道風機對變頻控制的要求

　　基于以上地鐵工程隧道通風系統工藝要求，對于采用變頻器控制隧道風機，有以下綜合功能要求。

　　3.1控制方式要求

　　由于風機需要由中央控制、車站控制、就地控制三級組成，所以變頻器的受控要考慮三地的命令，以及不同的運轉方式。

　　其中中央控制室對全線風機變頻通風設備進行監控。在正常工況下，中控室顯示風機的工作狀態，在事故工況下，風機及其相應的風閥接受中央控制室的信號，通過變頻進行正轉/逆轉運行，以保證列車正常運行及乘客疏散;火災工況下，由中央控制室統一調度。

　　車站控制室確保在正常工況下，對車站及其所控區間風機作變頻控制及顯示，在事故工況下，風機及相應的變頻器能接受車站控制、中央控制室控制;火災工況下，由中央控制室統一調度。

　　就地控制是在風機變頻控制柜處進行操作，供機組安裝、調試、檢修時在現場使用。

　　根據控制方式的不同要求，變頻控制系統要求設有就地(手動)/遠程(自動)控制轉換開關，工頻/變頻運行控制轉換開關。就地控制時其他操作屏蔽。遠程自動控制通過bas(環控系統)，實現遠程啟停風機，同時可以反饋風機啟、停、正、逆轉運行狀態、故障信號、變頻運行控制轉換開關位置信號，反饋自動控制/就地轉換開關位置信號等。而在火災發生時，遠程控制要通過fas(火災控制系統)系統實現，可反饋風機運行狀態和故障信號、運行控制轉換位置信號，可遠程啟停風機，同時還能屏蔽bas系統運行操作。

　　3.2變頻器的性能及要求

　　北京地鐵五號線工程項目車站可逆轉耐高溫軸流風機，區間風井隧道可逆轉軸流風機共計采用施耐德atv38hc13nx變頻器56臺，atv38hc15nx變頻器8臺，ats48c21q軟啟動器2臺。其中atv38hc13nx變頻器對應軸流風機電機功率為90kw，atv38hc15nx變頻器對應軸流風機電機功率為110kw，為可靠運行考慮計，要求變頻器按風機的負載功率均加大一檔選擇。

　　atv38變頻器是施耐德電氣公司針對風機水泵等變轉矩負載而開發的一款用于三相異步電動機的變頻器，功率范圍從0.75kw到315kw,電壓范圍:380v~10%至460v+10%,廣泛用于工業與民用建筑供熱，通風，供水，空調等各類應用場合。其主要特點如下:

　　(1)產品適用性強

　　針對風機應用，atv38變頻器可以通過磁通優化，調節優化電動機效率，提高節能效果，根據速度調整電流限制，使用速度檢測自動捕捉旋轉負載，內置pid調節，自動降低電機噪音等。

　　(2)集成性好

　　atv38系列變頻器具有4個邏輯輸入，2個繼電器輸出，2個模擬輸入和1個模擬輸出，另可通過i/o擴展卡滿足增加要求，標準配置一個符合modbus協議的rs-485多點串口連接。因此可以滿足多方控制及多種控制要求。

　　(3)保護功能齊全

　　可以在連續運行中防止過電流和過載，以及缺相，短路保護，可以實現ptc熱傳感器對電機進行熱保護，并可配置各種報警輸出等。

　　(4)電磁兼容性好

　　可配置各種濾波器，輸入、輸出電抗器，以滿足抗射頻輻射干擾和傳導輻射干擾要求，以及降低對電網的諧波注入。

　　3.3變頻器與控制系統簡介

　　變頻器控制系統主回路如圖1所示。

　　主回路(以110kw)為例，由塑殼斷路器1qf(施耐德產品，型號ns250-ma)，進線交流接觸器、出線交流接觸器、工頻旁路正轉接觸器、工頻旁路反轉接觸器1km,2km,3km,4km(施耐德產品，型號lc1d245m5c),熱繼電器1fr(施耐德產品，型號lr9f7375),構成過載，過流，過熱等保護功能執行回路系統，以及完成故障分斷隔離(進線接觸器)，強制通風，排煙(工頻正反轉)等工藝運行要求。

　　變頻器fc(atv38hc15n4x),進線端增加射抗頻干擾濾波器c(型號vw368402)，進線電抗器l(型號vw368503),用于控制風機，改善變頻器對電網的諧波影響，及用于滿足最嚴格的電磁兼容性標準要求。

　　變頻器的4個邏輯輸入端，分別定義為風機正轉，反轉，直流制動，給定切換功能，兩路繼電器輸出信號分別定義為報警輸出，出線接觸器控制等，在模擬輸入ai1的+10v與ai1端，通過ki5的控制，實現強制變頻器在緊急情況下，達到最高頻率輸出。

　　為實現于bas,fas系統對變頻器的控制，變頻器附有modbus通訊選件卡，型號vw3a58303,該卡配有一9針sub-d插頭。

　　變頻器控制回路如圖2所示。

　　圖1變頻器控制系統主回路

　　圖2變頻器控制回路

　　控制回路采用施耐德小型plc,neza系列產品，具有編程靈活，運行可靠等優點。由本地控制，fas控制，bas控制風機的正轉，反轉，停止分別進入plc輸入信號,同時分別由轉換開關選擇本地/遠程，工頻/變頻運行作為plc輸入信號。

　　plc輸出側，主要用于控制風機工頻正轉，工頻反轉，變頻器進線接觸器，出線接觸器控制，變頻全速運行等。同時控制變頻器的四個邏輯輸入端。

　　3.4地鐵風機變頻通訊網絡控制

　　北京地鐵五號線風機變頻器，與車站bas系統之間，其通信采用modbusrtu傳輸協議，atv38變頻器的物理接口采用rs-485接口，傳輸介質采用兩芯雙絞線屏蔽電纜，采用rs-485d型9針插頭連接器件。

　　atv38變頻器的串行鏈路配置可以在com菜單中進行配置。從站地址可以在1~247之間，傳輸速率可以在4800bps,9600bps,19200bps選擇。

　　以下分別介紹modbusrtu傳輸模式及相應控制功能。

　　(1)協議簡介

　　modbus通訊采用主—從技術，即主設備查詢從設備，從設備根據主設備的查詢指令，提供數據響應。

　　查詢:

　　查詢指令中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能。數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息。例如功能代碼3是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內容。數據段包含了告之從設備的信息:從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。

　　響應:

　　如果從設備產生一個正常的響應，響應信息中的功能代碼是對查詢信息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據:如寄存器值或狀態。

　　如果有錯誤發生，響應功能碼將被修改，表明響應信息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。

　　在rtu模式中，其信息幀中不含報文報頭字節，也不含報文結尾字節，其格式如表1所示:

　　表1rtu模式中的格式

　　數據以二進制代碼傳輸。

　　數據區:數據區包含需要從設備執行什么動作或由從設備采集的返送信息。這些信息可以是數值、參考地址等等。例如，功能碼告訴從設備讀取寄存器的值，則數據區必需包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長度。對于不同的從設備，地址和數據信息都不相同。

　　錯誤校驗碼:主設備或從設備可用校驗碼進行判別接收信息是否出錯。錯誤校驗采用crc-16校驗方法。

　　請求代碼(功能代碼)有以下四種類型，“讀”，“寫”功能都是從主站的角度上定義的，如表2所示。

　　表2請求代碼(功能代碼)的四種類型

　　(2)地鐵bas系統通訊與變頻控制功能簡介

　　bas對風機atv變頻器進行啟停控制并監視風機atv變頻器的狀態和運行參數，同時bas根據負荷變化，自動調整風機atv變頻器的頻率輸出。

　　寫風機atv變頻器的控制命令basplc采用modbusrtu功能碼16向風機atv變頻器發送啟動、停止指令及頻率給定。

　　如將給定值50hz寫入變頻器中，采用如下格式:將16#0032寫入從站2的w401(16#0191)中，如表3所示。

　　表3給定值寫入變頻器中的格式

　　讀風機atv變頻器的狀態:

　　basplc采用modbus功能碼03讀取風機atv變頻器的運行狀態、參數和報警。

　　例:在從站2中讀取從w250到w253(16#00fa到16#00fd)四個字，使用功能3請求，如表4所示。

　　表4讀風機atv變頻器的狀態

　　響應:響應如表5所示。

　　表5響應代碼

　　值:w250 w251 w252 w253

　　參數:hsp lsp acc dec

　　對于通訊中的故障，bas系統有如下處理:

　　bas發出命令后，如果風機atv變頻器沒有報文響應(1s)，bas認為出現通信或設備故障，產生報警信息，并在監控畫面上顯示報警信息。

　　bas發出命令后，如果風機atv變頻器有響應，但響應的數據包含了錯誤碼，bas產生報警信息。

　　4、結束語

　　隨著我國城市軌道交通事業的發展與建設水平的不斷提高，以及節能意識的普遍提高，在地鐵隧道通風工程中對變頻器的需求亦日益高漲，同時控制方式亦向遠程化，智能化發展，采用變頻控制地鐵隧道風機，將以便利，節能，安全及時等特點為地鐵運行提供良好的運營保障。