施耐德变频器在北京地铁风机上的应用

　　1、引言

　　北京地铁五号线南起丰台宋家庄，经天坛，崇文门，东单，北至昌平太平庄北站。线路全长约27公里，其中地下线约17公里。全线共设有22个车站，其中16座地下站，6座地上站，一个车辆段、一个停车场、一个指挥中心，预计2006年底建成通车。

　　2、地铁工程空调通风系统工艺要求概述

　　地铁工程中地下车站及区间除车站出入口、风亭及地下线路两端隧道洞口外，基本与大气隔绝。通风空调系统的任务是对地下车站，区间隧道内温度、湿度、风速、事故工况排烟等进行全面控制。车站两端各设置新风井及排风井各一座，风井面积因通风量而异。

　　北京地铁五号线工程空调通风系统制式采用闭式系统，开、闭式运行。空调通风系统由以下四部分组成:车站公共区空调通风/区间通风系统(大系统)、设备管理用房空调通风系统(小系统),空调水系统(水系统)、其他区间通风系统(中间风井，洞口空气幕，即射流风机)。

　　隧道通风系统中车站的公共区夏季采用空调，其余季节通风换气。车站公共区空调通风机与至车站的区间隧道风机合而为一，及车站空调通风兼容区间隧道风机功能。采用变频控制，工况不同时，风量不同，达到节能运行。

　　地铁运营正常工况时，通风空调设备排除余热和余湿，为乘客在地铁车站创造一个往返于地面至列车内的过渡性舒适环境。隧道通风机通过送，回风管对车站公共区空调通风。当区间夜间通风和区间隧道阻塞工况时，通过组合风阀转换开关控制实现对区间的通风换气。风机根据运行模式的要求进行正转或反转运行，已达到向车站和区间隧道送风和排风的目的。同时该风机兼送车站机区间火灾事故风，通风空调设备向乘客和消防人员提供必要的新风量，形成一定迎面风速，诱导乘客安全撤离，并具有排烟功能。

　　3、地铁隧道风机对变频控制的要求

　　基于以上地铁工程隧道通风系统工艺要求，对于采用变频器控制隧道风机，有以下综合功能要求。

　　3.1控制方式要求

　　由于风机需要由中央控制、车站控制、就地控制三级组成，所以变频器的受控要考虑三地的命令，以及不同的运转方式。

　　其中中央控制室对全线风机变频通风设备进行监控。在正常工况下，中控室显示风机的工作状态，在事故工况下，风机及其相应的风阀接受中央控制室的信号，通过变频进行正转/逆转运行，以保证列车正常运行及乘客疏散;火灾工况下，由中央控制室统一调度。

　　车站控制室确保在正常工况下，对车站及其所控区间风机作变频控制及显示，在事故工况下，风机及相应的变频器能接受车站控制、中央控制室控制;火灾工况下，由中央控制室统一调度。

　　就地控制是在风机变频控制柜处进行操作，供机组安装、调试、检修时在现场使用。

　　根据控制方式的不同要求，变频控制系统要求设有就地(手动)/远程(自动)控制转换开关，工频/变频运行控制转换开关。就地控制时其他操作屏蔽。远程自动控制通过bas(环控系统)，实现远程启停风机，同时可以反馈风机启、停、正、逆转运行状态、故障信号、变频运行控制转换开关位置信号，反馈自动控制/就地转换开关位置信号等。而在火灾发生时，远程控制要通过fas(火灾控制系统)系统实现，可反馈风机运行状态和故障信号、运行控制转换位置信号，可远程启停风机，同时还能屏蔽bas系统运行操作。

　　3.2变频器的性能及要求

　　北京地铁五号线工程项目车站可逆转耐高温轴流风机，区间风井隧道可逆转轴流风机共计采用施耐德atv38hc13nx变频器56台，atv38hc15nx变频器8台，ats48c21q软启动器2台。其中atv38hc13nx变频器对应轴流风机电机功率为90kw，atv38hc15nx变频器对应轴流风机电机功率为110kw，为可靠运行考虑计，要求变频器按风机的负载功率均加大一档选择。

　　atv38变频器是施耐德电气公司针对风机水泵等变转矩负载而开发的一款用于三相异步电动机的变频器，功率范围从0.75kw到315kw,电压范围:380v~10%至460v+10%,广泛用于工业与民用建筑供热，通风，供水，空调等各类应用场合。其主要特点如下:

　　(1)产品适用性强

　　针对风机应用，atv38变频器可以通过磁通优化，调节优化电动机效率，提高节能效果，根据速度调整电流限制，使用速度检测自动捕捉旋转负载，内置pid调节，自动降低电机噪音等。

　　(2)集成性好

　　atv38系列变频器具有4个逻辑输入，2个继电器输出，2个模拟输入和1个模拟输出，另可通过i/o扩展卡满足增加要求，标准配置一个符合modbus协议的rs-485多点串口连接。因此可以满足多方控制及多种控制要求。

　　(3)保护功能齐全

　　可以在连续运行中防止过电流和过载，以及缺相，短路保护，可以实现ptc热传感器对电机进行热保护，并可配置各种报警输出等。

　　(4)电磁兼容性好

　　可配置各种滤波器，输入、输出电抗器，以满足抗射频辐射干扰和传导辐射干扰要求，以及降低对电网的谐波注入。

　　3.3变频器与控制系统简介

　　变频器控制系统主回路如图1所示。

　　主回路(以110kw)为例，由塑壳断路器1qf(施耐德产品，型号ns250-ma)，进线交流接触器、出线交流接触器、工频旁路正转接触器、工频旁路反转接触器1km,2km,3km,4km(施耐德产品，型号lc1d245m5c),热继电器1fr(施耐德产品，型号lr9f7375),构成过载，过流，过热等保护功能执行回路系统，以及完成故障分断隔离(进线接触器)，强制通风，排烟(工频正反转)等工艺运行要求。

　　变频器fc(atv38hc15n4x),进线端增加射抗频干扰滤波器c(型号vw368402)，进线电抗器l(型号vw368503),用于控制风机，改善变频器对电网的谐波影响，及用于满足最严格的电磁兼容性标准要求。

　　变频器的4个逻辑输入端，分别定义为风机正转，反转，直流制动，给定切换功能，两路继电器输出信号分别定义为报警输出，出线接触器控制等，在模拟输入ai1的+10v与ai1端，通过ki5的控制，实现强制变频器在紧急情况下，达到最高频率输出。

　　为实现于bas,fas系统对变频器的控制，变频器附有modbus通讯选件卡，型号vw3a58303,该卡配有一9针sub-d插头。

　　变频器控制回路如图2所示。

　　图1变频器控制系统主回路

　　图2变频器控制回路

　　控制回路采用施耐德小型plc,neza系列产品，具有编程灵活，运行可靠等优点。由本地控制，fas控制，bas控制风机的正转，反转，停止分别进入plc输入信号,同时分别由转换开关选择本地/远程，工频/变频运行作为plc输入信号。

　　plc输出侧，主要用于控制风机工频正转，工频反转，变频器进线接触器，出线接触器控制，变频全速运行等。同时控制变频器的四个逻辑输入端。

　　3.4地铁风机变频通讯网络控制

　　北京地铁五号线风机变频器，与车站bas系统之间，其通信采用modbusrtu传输协议，atv38变频器的物理接口采用rs-485接口，传输介质采用两芯双绞线屏蔽电缆，采用rs-485d型9针插头连接器件。

　　atv38变频器的串行链路配置可以在com菜单中进行配置。从站地址可以在1~247之间，传输速率可以在4800bps,9600bps,19200bps选择。

　　以下分别介绍modbusrtu传输模式及相应控制功能。

　　(1)协议简介

　　modbus通讯采用主—从技术，即主设备查询从设备，从设备根据主设备的查询指令，提供数据响应。

　　查询:

　　查询指令中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码3是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段包含了告之从设备的信息:从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

　　响应:

　　如果从设备产生一个正常的响应，响应信息中的功能代码是对查询信息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据:如寄存器值或状态。

　　如果有错误发生，响应功能码将被修改，表明响应信息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。

　　在rtu模式中，其信息帧中不含报文报头字节，也不含报文结尾字节，其格式如表1所示:

　　表1rtu模式中的格式

　　数据以二进制代码传输。

　　数据区:数据区包含需要从设备执行什么动作或由从设备采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码告诉从设备读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从设备，地址和数据信息都不相同。

　　错误校验码:主设备或从设备可用校验码进行判别接收信息是否出错。错误校验采用crc-16校验方法。

　　请求代码(功能代码)有以下四种类型，“读”，“写”功能都是从主站的角度上定义的，如表2所示。

　　表2请求代码(功能代码)的四种类型

　　(2)地铁bas系统通讯与变频控制功能简介

　　bas对风机atv变频器进行启停控制并监视风机atv变频器的状态和运行参数，同时bas根据负荷变化，自动调整风机atv变频器的频率输出。

　　写风机atv变频器的控制命令basplc采用modbusrtu功能码16向风机atv变频器发送启动、停止指令及频率给定。

　　如将给定值50hz写入变频器中，采用如下格式:将16#0032写入从站2的w401(16#0191)中，如表3所示。

　　表3给定值写入变频器中的格式

　　读风机atv变频器的状态:

　　basplc采用modbus功能码03读取风机atv变频器的运行状态、参数和报警。

　　例:在从站2中读取从w250到w253(16#00fa到16#00fd)四个字，使用功能3请求，如表4所示。

　　表4读风机atv变频器的状态

　　响应:响应如表5所示。

　　表5响应代码

　　值:w250 w251 w252 w253

　　参数:hsp lsp acc dec

　　对于通讯中的故障，bas系统有如下处理:

　　bas发出命令后，如果风机atv变频器没有报文响应(1s)，bas认为出现通信或设备故障，产生报警信息，并在监控画面上显示报警信息。

　　bas发出命令后，如果风机atv变频器有响应，但响应的数据包含了错误码，bas产生报警信息。

　　4、结束语

　　随着我国城市轨道交通事业的发展与建设水平的不断提高，以及节能意识的普遍提高，在地铁隧道通风工程中对变频器的需求亦日益高涨，同时控制方式亦向远程化，智能化发展，采用变频控制地铁隧道风机，将以便利，节能，安全及时等特点为地铁运行提供良好的运营保障。