摘要：本文介紹了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在空壓機(jī)軟啟動(dòng)應(yīng)用情況。通過無擾切換啟動(dòng)功能，保障了生產(chǎn)正常進(jìn)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(dòng)大功率負(fù)載設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 用戶情況

盈德氣體集團(tuán)成立于2001年，以空分業(yè)務(wù)起家，目前已在國內(nèi)投資建設(shè)近百套空分，廣泛分布于全國各地， 規(guī)模和產(chǎn)能等占有絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。以空分業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)， 盈德氣體集團(tuán)繼續(xù)深耕工業(yè)氣體市場(chǎng)，大力發(fā)展合成氣、特氣、液體銷售與配送等業(yè)務(wù)，均取得了不俗的成績(jī)?；浶景雽?dǎo)體是國內(nèi)第一座以虛擬IDM為營(yíng)運(yùn)策略的12英寸芯片廠， 主要服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等前沿領(lǐng)域，2018年底，盈德氣體集團(tuán)與廣州粵芯半導(dǎo)體公司達(dá)成協(xié)議，在其項(xiàng)目?jī)?nèi)投資新建、運(yùn)行并管理一個(gè)大宗氣體供應(yīng)站，滿足粵芯半導(dǎo)體的多種氣體需求。廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖 1 用戶廠區(qū)

盈德氣體現(xiàn)場(chǎng)新建大綜氣站項(xiàng)目，其中2 #進(jìn)線容量為4000kV A，配備一臺(tái)型號(hào)SC11-4000kV A 20kV±2×2.5%/10kV主變，后級(jí)所帶負(fù)荷分別有： 一臺(tái)1250kVA 的動(dòng)力變( 廠內(nèi)低壓負(fù)荷) 、一臺(tái)容量600kVar的電容柜、一臺(tái)功率1600kW的CAD空壓機(jī)。進(jìn)線容量設(shè)計(jì)太小。如果使用普通的軟起動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)沖擊電流在2-3倍電機(jī)額定電流左右，全額生產(chǎn)后設(shè)計(jì)的進(jìn)線容量無法啟動(dòng)空壓機(jī)負(fù)載，用戶設(shè)計(jì)的時(shí)候只能考慮的使用變頻器啟動(dòng)方案，且需要轉(zhuǎn)工頻的無擾切換功能。

2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況

空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。參數(shù)如表1所示。

圖 2 空壓機(jī)負(fù)載現(xiàn)場(chǎng)

經(jīng)過多方對(duì)比，客戶最終選擇了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列產(chǎn)品，軟啟動(dòng)1600kW的空壓機(jī)電機(jī)，采用“一拖一”自動(dòng)切換方案。

3風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號(hào)，新風(fēng)光公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)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(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEEE519 -1992 的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。

3.1 JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)

JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

3.2 JD-BP38-800F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

具體來說，風(fēng)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(diǎn)：

(1) 高性能矢量控制，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，提高設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性;

(2) ) 振蕩抑制技術(shù)， 采用優(yōu)越的電流算法， 有效地抑制輕載電機(jī)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(dòng)技術(shù)，特別適用于(如水泥廠高溫風(fēng)機(jī))變頻保護(hù)后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行;

(4) ) 電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(zhǎng)60s的等待時(shí)間;

(5) 線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)。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(shù)，該技術(shù)可滿足多電機(jī)綜合控制及大容量電機(jī)軟啟動(dòng)的需要;可以實(shí)現(xiàn)大容量電機(jī)雙向無擾動(dòng)投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行;

(7) ) 輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能;

(8) ) 故障單元熱復(fù)位技術(shù)， 若單元在運(yùn)行中故障， 且變頻器對(duì)其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)可在運(yùn)行中對(duì)故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī);

(9) ) 多種控制方式， 可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)控盒控制、 DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設(shè)定可以現(xiàn)場(chǎng)給定、通訊給定等，支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能;

(10)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握;

(11)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍;

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

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

(14)故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。

4 變頻改造方案

4.1 改造控制方案

圖 3 自動(dòng)旁路柜

現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)先閥門關(guān)閉，使用變頻器無負(fù)載啟動(dòng)，啟動(dòng)完畢后，使用變頻器“勿擾切換”功能，實(shí)現(xiàn)變頻轉(zhuǎn)工頻，空壓機(jī)再進(jìn)行逐步加載。空壓機(jī)空載時(shí)幾乎等同于空電機(jī)啟動(dòng)工況，根據(jù)相關(guān)設(shè)理論計(jì)要求2/3的容量既可以滿足空載啟動(dòng)要求，又根據(jù)相關(guān)應(yīng)用案例，該項(xiàng)目最終選用一個(gè)功率800kW變頻器作為CAD空壓機(jī)(1600kW) 的啟動(dòng)設(shè)備。

4.2高壓變頻器主回路控制方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，空壓機(jī)采用“一拖一”運(yùn)行方式，配置自動(dòng)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(jī)相連接，電機(jī)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(shí)現(xiàn)變頻切換工頻的無擾切換。實(shí)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(hào)及工頻接觸器KM4 的電流大小信號(hào);

(2)調(diào)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(yù)設(shè)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(shí)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(hào)通過單片機(jī)信號(hào)，分解成電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位信號(hào)，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(diào)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(hào)，經(jīng)過整流濾波成直流信號(hào)，與電路中的三角波進(jìn)行比較，生產(chǎn)PWM信號(hào)， 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(hào)的脈寬進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)， 實(shí)時(shí)發(fā)送， 以保證高壓變頻器的主控系統(tǒng)能夠及時(shí)的響應(yīng)電流變化。

高壓變頻器在接收到轉(zhuǎn)工頻信號(hào)時(shí)，高壓變頻器的主控系統(tǒng)調(diào)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(shí)判斷工頻接觸器KM4的電流;當(dāng)檢測(cè)到工頻接觸器KM4上的電流大于預(yù)設(shè)值時(shí)，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(jī);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(jī)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(shù)相比，本方案在不增加高壓變頻器輸出電抗器的條件下，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)變頻切換工頻電源不間斷的控制過程;解決了變頻轉(zhuǎn)工頻離線切換方式下對(duì)電機(jī)的沖擊電流的問題，解決了變頻轉(zhuǎn)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(tuán)1600kW空壓機(jī)采用變頻改造后，改造

達(dá)到了預(yù)期目的。高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。人機(jī)界面如圖6所示。

變頻器拖動(dòng)空壓機(jī)在空載情況下進(jìn)行軟啟，在達(dá)到50Hz后，通過“無擾切換”功能，把空壓機(jī)由變頻狀態(tài)

圖 5 高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)圖

圖 6 人機(jī)界面

圖 7 變頻轉(zhuǎn)工頻電流變化波形圖

轉(zhuǎn)為工頻狀態(tài)，電機(jī)無負(fù)載啟動(dòng)時(shí)電流21A，在切換時(shí)， 觀察開關(guān)柜在轉(zhuǎn)工頻時(shí)電流最大為23A，不解決了現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)工頻瞬間沖擊電流過大的問題。轉(zhuǎn)工頻瞬間電流變化波形如7所示。

軟起動(dòng)尤其是超大功率設(shè)備的啟動(dòng)設(shè)備，有比較大的市場(chǎng)。

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

/1kVA計(jì)算)，節(jié)省了投資成本。

相對(duì)該現(xiàn)場(chǎng)小容量變頻啟動(dòng)大容量設(shè)備也節(jié)約的設(shè)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(shí)現(xiàn)無擾切換功能，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

綜合看來，盈德氣體集團(tuán)1600kW空壓機(jī)采用新風(fēng)光公司高壓變頻器進(jìn)行改造，解決了空壓機(jī)的啟動(dòng)難題，降低了投資成本，對(duì)保證全廠生產(chǎn)的正常順利運(yùn)行起著重要的作用。在類似的場(chǎng)合應(yīng)用，具有借鑒意義。