同步变频调速系统的现场应用

       一、前言

       四川隆昌隆桥化工有限公司是以天然气为主要原料的化工企业，其前身是四川省隆昌县氮肥厂，始建于1970年，占地面积达76600平方米，至今有30多年的化工生产经营历史。目前公司系列化工产品生产能力达到：合成氨6万吨，农用碳酸氢氨10万吨，工业用特种氨水3万吨，高纯度食品添加剂二氧化碳2万吨，塑料制品1000吨，合资生产复混肥料5万吨。

       目前大型空气压缩机是该公司化工生产线中的关键设备，其单机耗电量占到企业总电能消耗的1/3以上。因此，为降低单位产能的耗电量，提高生产效率，响应国家政府节能降耗的产业政策,必须采用新技术来改善生产工艺，对传统型的生产机组进行节能改造。其关键技术就在于，对带动大型空压机的高压同步电机进行变频调速技术改造，通过改变压缩机的转速来调节工艺空气的流量，达到供需平衡，从而节省单位生产的耗电量，而且操作方便有效。

       隆桥化工公司于2007年6月，投入了北京合康亿盛HIVERT-T06/077（800kVA/6kV）的高压变频器一台,专用于高压同步电动机调速，电机参数见下表。该同步电动机投入高压变频器后，无大电流冲击,负载运行平稳,运行频率连续可调。高压变频器投入后节能效果明显,在满负荷运行下节能效果可达到15%以上。

       二、活塞式空气压缩机的工作原理

       当曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。

       三、空压机工频定速运行工况介绍

       隆桥化工厂的工艺空气由两台活塞式空压机并网供给，空气压缩机采用四气缸三段式运行，压力在1.2MPa左右。生产的工艺空气分别供给四个负载使用，全负荷的工艺空气流量为6800Nm3／h，根据生产需要,平均工艺空气的需求量在6000-6500Nm3／h之间。变频器改造前工频运行时，通过调节放空阀门开度来改变主管网所需工艺空气流量,正常运行时的放气阀开度为10-35%。工频运行时，压缩机始终工作在满转速状态下，多余的工艺空气将通过放空阀排空，从而造成大量能源的浪费，并且也缩短了设备的使用寿命。

       四、空压机变频调速运行的节能原理

       活塞式空压机具有恒转矩特性，其轴功率P和流量Q与转速n成正比；当利用变频器来改变电机的运行频率，即调节压缩机转速n，从而调节工艺空气流量Q，达到需求与供给的平衡。其节电率P％正比于△n％即转速下降的百分数，节能效果明显。

       调试过程中，压缩机运行在25Hz以下时，变频器输出电流波动较大。

仔细分析波形，其电流值出现周期性的波动，这是由于空气压缩机的周期性负载所决定的，当转速下降过多时，要造成出气的脉动，在40Hz以上时，由于转动的速度高，则这种周期性的波动不太明显；且活塞式空压机具有恒转矩特性，在变频器输出整个频率内电流变化不大，因负载损耗也变化不大，所以低频效率变低；且电机使用的自冷式风冷，在低频时由于转速的下降，冷却的效果降低；在因此考虑在低转速时经济运行，并保证设备的安全，故运行的频率应不低于20Hz。

       五、同步电机用高压变频器基本原理

       HIVERT—T06/077型同步电机用高压变频调速系统主电路见下图，由隔离变压器和功率单元二大部分组成。6kV高压电经过变压器降压、移相、隔离后分配给各个功率单元。功率单元为三相输入全桥整流，通过IGBT逆变后单相输出，每相相邻功率单元输出端串接起来，三相接成星接，实现变频后的高压正弦波输出，直接驱动高压同步电机。

       由电气原理图可见6KV输入侧为二极管全波整流36脉冲构成多极移相叠加的整流方式极大地改善网侧的电流波型，使其负载下的网侧功率因数接近1.0。输出侧由每个功率单元的L1、L2输出端子相互串联而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波型进行重组，得到阶梯的PWM波型，该波型正弦度好，dv/dt小，可以降低输出谐波及由此引起的电机振动、电机发热、噪音等。从而减少对输出电缆和电机的绝缘损坏，无须滤波器。

       六、同步电机变频调速现场应用情况及调试情况

       变频器选用合康HIVERT-T06/077同步电机变频调速系统，旁路柜XGNPG-7.2方案选用一拖一手动旁路柜，励磁柜使用原有的励磁电流柜。

       1.变频运行启动过程：刀闸QS1、QS2闭合，QS3断开，变频器设为远程控制（变频器的系统待机输出接到启动输入），励磁柜处于灭磁状态。断路器QF0合闸，变频器高压就绪后，系统待机信号闭合直接启动电机，经过约30秒延时后，励磁柜自动投励，将电机牵入同步运行。

       2.变频运行停机过程：变频器驱动同步电机减速至最低频率，分断断路器QF0，变频器停止运行，并启动励磁柜灭磁。

       3.变频运行故障处理：变频器在运行过程中出现重故障时，将立即封锁输出，输出保护信号分断高压电源，并启动励磁柜灭磁。

       4.工频运行：QS1、QS2断开，QS3闭合，同步电机的起动、运行、停车过程按照原来的操作步骤进行。

       七、变频改造注意事项

       1．同步电机由于采用自冷，不允许长时间在低频下运行，工作下限应不低于20Hz。

       2．功率选用比空压机功率大一个等级的变频器，以免空压机启动出现过电流跳闸的情况。