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同步變頻調速系統的現場應用

2009年03月09日 18:13:13人氣:1123來源:煙臺勾股通信技術有限公司

一、前言
    四川隆昌隆橋化工有限公司是以天然氣為主要原料的化工企業,其前身是四川省隆昌縣氮肥廠,始建于1970年,占地面積達76600平方米,至今有30多年的化工生產經營歷史。目前公司系列化工產品生產能力達到:合成氨6萬噸,農用碳酸氫氨10萬噸,工業用特種氨水3萬噸,高純度食品添加劑二氧化碳2萬噸,塑料制品1000噸,合資生產復混肥料5萬噸。
    目前大型空氣壓縮機是該公司化工生產線中的關鍵設備,其單機耗電量占到企業總電能消耗的1/3以上。因此,為降低單位產能的耗電量,提高生產效率,響應國家政府節能降耗的產業政策,必須采用新技術來改善生產工藝,對傳統型的生產機組進行節能改造。其關鍵技術就在于,對帶動大型空壓機的高壓同步電機進行變頻調速技術改造,通過改變壓縮機的轉速來調節工藝空氣的流量,達到供需平衡,從而節省單位生產的耗電量,而且操作方便有效。
    隆橋化工公司于2007年6月,投入了北京合康億盛HIVERT-T06/077(800kVA/6kV)的高壓變頻器一臺,于高壓同步電動機調速,電機參數見下表。該同步電動機投入高壓變頻器后,無大電流沖擊,負載運行平穩,運行頻率連續可調。高壓變頻器投入后節能效果明顯,在滿負荷運行下節能效果可達到15%以上。
 
表1:設備參數表  
  
二、活塞式空氣壓縮機的工作原理
    當曲軸旋轉時,通過連桿的傳動,活塞做往復運動,由氣缸內壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積則會發生周期性變化。活塞從氣缸蓋處開始運動時,氣缸內的工作容積逐漸增大,這時,氣體即沿著進氣管,推開進氣閥而進入氣缸,直到工作容積變到zui大時為止,進氣閥關閉;活塞反向運動時,氣缸內工作容積縮小,氣體壓力升高,當氣缸內壓力達到并略高于排氣壓力時,排氣閥打開,氣體排出氣缸,直到活塞運動到極限位置為止,排氣閥關閉。當活塞再次反向運動時,上述過程重復出現。總之,曲軸旋轉一周,活塞往復一次,氣缸內相繼實現進氣、壓縮、排氣的過程,即完成一個工作循環。如下圖所示。


活塞式壓縮機工作原理

三、空壓機工頻定速運行工況介紹
    隆橋化工廠的工藝空氣由兩臺活塞式空壓機并網供給,空氣壓縮機采用四氣缸三段式運行,壓力在1.2MPa左右。生產的工藝空氣分別供給四個負載使用,全負荷的工藝空氣流量為6800Nm3/h,根據生產需要,平均工藝空氣的需求量在6000-6500Nm3/h之間。變頻器改造前工頻運行時,通過調節放空閥門開度來改變主管網所需工藝空氣流量,正常運行時的放氣閥開度為10-35%。工頻運行時,壓縮機始終工作在滿轉速狀態下,多余的工藝空氣將通過放空閥排空,從而造成大量能源的浪費,并且也縮短了設備的使用壽命。
 

四、空壓機變頻調速運行的節能原理
    活塞式空壓機具有恒轉矩特性,其軸功率P和流量Q與轉速n成正比;當利用變頻器來改變電機的運行頻率,即調節壓縮機轉速n,從而調節工藝空氣流量Q,達到需求與供給的平衡。其節電率P%正比于△n%即轉速下降的百分數,節能效果明顯。 
    調試過程中,壓縮機運行在25Hz以下時,變頻器輸出電流波動較大。仔細分析波形,其電流值出現周期性的波動,這是由于空氣壓縮機的周期性負載所決定的,當轉速下降過多時,要造成出氣的脈動,在40Hz以上時,由于轉動的速度高,則這種周期性的波動不太明顯;且活塞式空壓機具有恒轉矩特性,在變頻器輸出整個頻率內電流變化不大,因負載損耗也變化不大,所以低頻效率變低;且電機使用的自冷式風冷,在低頻時由于轉速的下降,冷卻的效果降低;在因此考慮在低轉速時經濟運行,并保證設備的安全,故運行的頻率應不低于20Hz。

五、同步電機高壓變頻器基本原理
    HIVERT—T06/077型同步電機用高壓變頻調速系統主電路見下圖,由隔離變壓器和功率單元二大部分組成。6kV高壓電經過變壓器降壓、移相、隔離后分配給各個功率單元。功率單元為三相輸入全橋整流,通過IGBT逆變后單相輸出,每相相鄰功率單元輸出端串接起來,三相接成星接,實現變頻后的高壓正弦波輸出,直接驅動高壓同步電機。 


HIVERT-T06 同步機用高壓變頻器主電路圖

電壓疊加圖

    由電氣原理圖可見6KV輸入側為二極管全波整流36脈沖構成多極移相疊加的整流方式極大地改善網側的電流波型,使其負載下的網側功率因數接近1.0。輸出側由每個功率單元的L1、L2輸出端子相互串聯而成星型接法給電機供電,通過對每個單元的PWM波型進行重組,得到階梯的PWM波型,該波型正弦度好,dv/dt小,可以降低輸出諧波及由此引起的電機振動、電機發熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機的絕緣損壞,無須濾波器

六、同步電機變頻調速現場應用情況及調試情況
    變頻器選用合康HIVERT-T06/077同步電機變頻調速系統,旁路柜XGNPG-7.2方案選用一拖一手動旁路柜,勵磁柜使用原有的勵磁電流柜。


    1. 變頻運行啟動過程:刀閘QS1、QS 2閉合,QS3斷開,變頻器設為遠程控制(變頻器的系統待機輸出接到啟動輸入),勵磁柜處于滅磁狀態。斷路器QF0合閘,變頻器高壓就緒后,系統待機信號閉合直接啟動電機,經過約30秒延時后,勵磁柜自動投勵,將電機牽入同步運行。
    2.變頻運行停機過程:變頻器驅動同步電機減速至zui低頻率,分斷斷路器QF0,變頻器停止運行,并啟動勵磁柜滅磁。
    3.變頻運行故障處理:變頻器在運行過程中出現重故障時,將立即封鎖輸出,輸出保護信號分斷電源 target=_blank>高壓電源,并啟動勵磁柜滅磁。
    4. 工頻運行:QS1、QS2斷開,QS3閉合,同步電機的起動、運行、停車過程按照原來的操作步驟進行。
 
七、變頻改造注意事項  
    1.同步電機由于采用自冷,不允許長時間在低頻下運行,工作下限應不低于20Hz。 
    2.功率選用比空壓機功率大一個等級的變頻器,以免空壓機啟動出現過電流跳閘的情況。 
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