同步变频调速电机系统的现场应用
大连电机厂www.dalianmotor.com王经理15941182539
大连电机：一、前言
四川隆昌隆桥化工是以天然气为主要原料的化工企业，其前身是四川隆昌县氮肥厂，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。如下图所示。
活塞式压缩机工作原理
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。
HIVERT-T06 同步机用高压变频器主电路图
电压叠加图
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、QS 2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。
八、大连电机厂： 同步变频电动机高压变频调速系统采用先进的无速度传感器矢量控制技术，通过在四川隆昌隆桥化工有限公司的成功应用，扩展了高压变频器产业的应用领域，为国内同步电机进行变频调速翻开了新的篇章，为我国建设节约型社会提供了更多的技术保障。
