摘要：本文介紹了新風光電子科技股份有限公司生產的高壓變頻器在空壓機軟啟動應用情況。通過無擾切換啟動功能，保障了生產正常進行，節(jié)省了占網(wǎng)容量，節(jié)約了投資成本，節(jié)能效果顯著，特別適用于小容量電網(wǎng)啟動大功率負載設備的現(xiàn)場應用。

1 用戶情況

盈德氣體集團成立于2001年，以空分業(yè)務起家，目前已在國內投資建設近百套空分，廣泛分布于全國各地， 規(guī)模和產能等占有絕對的市場優(yōu)勢。以空分業(yè)務為基礎， 盈德氣體集團繼續(xù)深耕工業(yè)氣體市場，大力發(fā)展合成氣、特氣、液體銷售與配送等業(yè)務，均取得了不俗的成績?；浶景雽w是國內第一座以虛擬IDM為營運策略的12英寸芯片廠， 主要服務于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等前沿領域，2018年底，盈德氣體集團與廣州粵芯半導體公司達成協(xié)議，在其項目內投資新建、運行并管理一個大宗氣體供應站，滿足粵芯半導體的多種氣體需求。廠區(qū)現(xiàn)場如圖1所示。

圖 1 用戶廠區(qū)

盈德氣體現(xiàn)場新建大綜氣站項目，其中2 #進線容量為4000kV A，配備一臺型號SC11-4000kV A 20kV±2×2.5%/10kV主變，后級所帶負荷分別有： 一臺1250kVA 的動力變( 廠內低壓負荷) 、一臺容量600kVar的電容柜、一臺功率1600kW的CAD空壓機。進線容量設計太小。如果使用普通的軟起動，根據(jù)經(jīng)驗沖擊電流在2-3倍電機額定電流左右，全額生產后設計的進線容量無法啟動空壓機負載，用戶設計的時候只能考慮的使用變頻器啟動方案，且需要轉工頻的無擾切換功能。

2現(xiàn)場設備情況

空壓機現(xiàn)場如圖2所示。參數(shù)如表1所示。

圖 2 空壓機負載現(xiàn)場

經(jīng)過多方對比，客戶最終選擇了新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38系列產品，軟啟動1600kW的空壓機電機，采用“一拖一”自動切換方案。

3風光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術特點

風光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，新風光公司是國家高新技術企業(yè)，生產的風光牌JD- BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術、功率單元串聯(lián)多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519 -1992 的諧波標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。

3.1 JD-BP38-800F高壓變頻器技術指標

JD-BP38-800F高壓變頻器技術指標如表3所示。

3.2 JD-BP38-800F高壓變頻器技術特點

具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點：

(1) 高性能矢量控制，啟動轉矩大，轉矩動態(tài)響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高設備運行的平穩(wěn)性;

(2) ) 振蕩抑制技術， 采用優(yōu)越的電流算法， 有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作;

(3) ) 快速飛車啟動技術，特別適用于(如水泥廠高溫風機)變頻保護后的重新啟動，可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行;

(4) ) 電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間;

(5) 線電壓自動均衡技術。變頻器某相有單元故障后，可保證最大的線電壓均衡輸出;

(6) ) 工、變頻無擾切換技術，該技術可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要;可以實現(xiàn)大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產的正常進行;

(7) ) 輸出電壓自動穩(wěn)壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能;

(8) ) 故障單元熱復位技術， 若單元在運行中故障， 且變頻器對其旁路繼續(xù)運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機;

(9) ) 多種控制方式， 可選擇本機控制、遠控盒控制、 DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能;

(10)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握;

(11)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍;

(12)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生;

(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出， 避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護， 最大限度減少停機次數(shù);

(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續(xù)運行。

4 變頻改造方案

4.1 改造控制方案

圖 3 自動旁路柜

現(xiàn)場空壓機先閥門關閉，使用變頻器無負載啟動，啟動完畢后，使用變頻器“勿擾切換”功能，實現(xiàn)變頻轉工頻，空壓機再進行逐步加載?？諌簷C空載時幾乎等同于空電機啟動工況，根據(jù)相關設理論計要求2/3的容量既可以滿足空載啟動要求，又根據(jù)相關應用案例，該項目最終選用一個功率800kW變頻器作為CAD空壓機(1600kW) 的啟動設備。

4.2高壓變頻器主回路控制方案

根據(jù)現(xiàn)場要求，空壓機采用“一拖一”運行方式，配置自動旁路柜，其一次電路如圖3所示。

高壓變頻器變頻切換工頻的控制系統(tǒng)，包括高壓變頻器、輸入接觸器KM1、變頻接觸器KM3、工頻接觸器

KM4和工頻采樣模塊，高壓變頻器通過輸入接觸器KM1 與電網(wǎng)相連接，高壓變頻器通過變頻接觸器KM3 與電機相連接，電機通過工頻接觸器KM4 與電網(wǎng)相連接，高壓變頻器通過工頻采樣模塊采集工頻電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位和工頻接觸器KM4的電流。

高壓變頻器可以控制輸入接觸器KM1、變頻接觸器KM3和工頻接觸器KM4的合分，以實現(xiàn)變頻切換工頻的無擾切換。實現(xiàn)過程如下：

(1)高壓變頻器通過工頻采樣模塊采集電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位信號及工頻接觸器KM4 的電流大小信號;

(2)調整高壓變頻器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓一致;

(3)吸合工頻接觸器KM4;

(2) 判斷工頻接觸器KM4電流大小，若工頻接觸器KM4電流大于預設值，封鎖高壓變頻器輸出;

(5)斷開變頻接觸器KM3。

5 “無擾切換”工作原理

本方案實現(xiàn)過程框圖如圖4所示。

圖 4 “無擾切換”工作原理框圖

工作原理和工作過程如下：工頻采樣模塊包括電壓采樣電路和電流采樣電路：電壓采樣電路信號通過單片機信號，分解成電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位信號，通過光纖通訊電路1，發(fā)送給高壓變頻器的主控系統(tǒng)，用于主控系統(tǒng)調節(jié)高壓變頻器的輸出電壓幅值、頻率和相位，與電網(wǎng)一致;電流采樣電路信號，經(jīng)過整流濾波成直流信號，與電路中的三角波進行比較，生產PWM信號， 通過光纖通訊電路2發(fā)送給高壓變頻器的主控系統(tǒng)，以便高壓變頻器的主控系統(tǒng)根據(jù)PWM信號的脈寬進行電流大小的判斷; 光纖通訊電路1與光纖通訊電路2的區(qū)別在于，光纖通訊電路1 為串口通訊，周期性發(fā)送數(shù)據(jù);光纖通訊電路2 是將PWM信號轉換為光信號， 實時發(fā)送， 以保證高壓變頻器的主控系統(tǒng)能夠及時的響應電流變化。

高壓變頻器在接收到轉工頻信號時，高壓變頻器的主控系統(tǒng)調整高壓變頻器的輸出電壓與工頻采樣模塊上傳的工頻電網(wǎng)電壓一致;然后吸合工頻接觸器KM4 ，同時判斷工頻接觸器KM4的電流;當檢測到工頻接觸器KM4上的電流大于預設值時，主控系統(tǒng)判斷KM4 已吸合，然后封鎖高壓變頻器的輸出、停機;防止高壓變頻器與電網(wǎng)之間形成環(huán)流;高壓變頻器停機后斷開變頻接觸器KM3 ， 變頻切換工頻過程完成。

與現(xiàn)有技術相比，本方案在不增加高壓變頻器輸出電抗器的條件下，實現(xiàn)了電機變頻切換工頻電源不間斷的控制過程;解決了變頻轉工頻離線切換方式下對電機的沖擊電流的問題，解決了變頻轉工頻在線切換方式下需要增加電抗器的問題。

4 變頻改造效果

盈德氣體集團1600kW空壓機采用變頻改造后，改造

達到了預期目的。高壓變頻器現(xiàn)場如圖5所示。人機界面如圖6所示。

變頻器拖動空壓機在空載情況下進行軟啟，在達到50Hz后，通過“無擾切換”功能，把空壓機由變頻狀態(tài)

圖 5 高壓變頻器現(xiàn)場圖

圖 6 人機界面

圖 7 變頻轉工頻電流變化波形圖

轉為工頻狀態(tài)，電機無負載啟動時電流21A，在切換時， 觀察開關柜在轉工頻時電流最大為23A，不解決了現(xiàn)場轉工頻瞬間沖擊電流過大的問題。轉工頻瞬間電流變化波形如7所示。

軟起動尤其是超大功率設備的啟動設備，有比較大的市場。

通過使用變頻器啟動相對其他軟起動方案，啟動電流相小，減小了占網(wǎng)容量(占網(wǎng)容量費可以按照23. 3元

/1kVA計算)，節(jié)省了投資成本。

相對該現(xiàn)場小容量變頻啟動大容量設備也節(jié)約的設備購買成本與多數(shù)廠家使用加電抗器柜抑制切換瞬間的電流的方案相比，本方案通過算法及控制優(yōu)化實現(xiàn)無擾切換功能，具有一定的技術優(yōu)勢。

5 結束語

綜合看來，盈德氣體集團1600kW空壓機采用新風光公司高壓變頻器進行改造，解決了空壓機的啟動難題，降低了投資成本，對保證全廠生產的正常順利運行起著重要的作用。在類似的場合應用，具有借鑒意義。