摘要:本文介紹了ABB 公司的ACS1000高壓變頻器在石化廠富氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用，并簡要介紹了變頻器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案、調(diào)試。 關(guān)鍵字：高壓變頻（中壓變頻）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）、IGCT、石化、壓縮機(jī) 一、 前言 隨著電力電子技術(shù)與變流技術(shù)的發(fā)展，高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，特別是高壓變頻用于拖動(dòng)大功率風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備時(shí)節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀。石化廠焦化車間催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因工藝要求需要調(diào)速，傳統(tǒng)的調(diào)速方式采用透平機(jī)，占地面積大，效率低，隨著高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻器已得到了廣泛的應(yīng)用。焦化富氣在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，分子量變化大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高，最高轉(zhuǎn)速達(dá)12000轉(zhuǎn)/分鐘以上，對(duì)變頻器動(dòng)態(tài)性能要求高，針對(duì)武漢石化焦化車間催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)，我們經(jīng)綜合考查，考慮到當(dāng)前最先進(jìn)高壓變頻器的已投運(yùn)使用情況、性價(jià)比、電機(jī)適應(yīng)能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、體積、冷卻方式、輸入輸出波形情況、噪音指標(biāo)等因素，最終在此項(xiàng)目中選擇了ABB 公司的ACS1000系列12脈沖水冷型直接轉(zhuǎn)矩控制高壓變頻器。 二、 ACS1000的主要特點(diǎn) 　世界電氣巨子ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列高壓變頻器屬直接高－高型高壓變頻器，功率范圍315KW——5000KW，輸出電壓等級(jí)有2.3，3.3，4.16KV，當(dāng)接6KV電壓等級(jí)電機(jī)時(shí)，需將電機(jī)改成三角形接法。3.3KV電壓等級(jí)的變頻器，容量在2150KVA及以下的變頻器采用風(fēng)冷，容量在2150KVA及以上的變頻器采用水冷。 [align=center] 圖一[/align] 　 ACS1000高壓變頻器對(duì)電機(jī)和電機(jī)電纜無特殊要求，也無需電機(jī)降容使用，完全適用國產(chǎn)電機(jī)；ACS1000高壓變頻器元件少，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，系統(tǒng)集成簡單；ACS1000采用了功率器件IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor 集成門換流晶閘管），IGCT快速、均衡換流，內(nèi)在低損耗， ACS1000是電壓源型變頻器，直接采用IGCT高壓功率器件，與其它拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的變頻器相比，大大減少了功率器件數(shù)量，主回路原理圖如圖一所示，結(jié)構(gòu)更簡單，效率更高，可靠性也高了許多。 ACS1000的直流回路采用IGCT代替熔斷器作為變頻器主回路的保護(hù)，IGCT分?jǐn)鄷r(shí)間是25μs，比傳統(tǒng)的熔斷器快1000倍，大大提高了關(guān)斷速度，從而提高保護(hù)的可靠性。IGCT 還具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 續(xù)流二極管集成在同一芯片上 ② 不需緩沖電路 ③控制門電路與功率元件集成于一體 ④可靠性極高（元件總數(shù)少） ⑤ 功率密度高（元件總數(shù)少而且損耗低） ACS1000采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù), 不需要在電機(jī)軸上安裝脈沖編碼器而具有精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，DTC能在零轉(zhuǎn)速時(shí)輸出滿轉(zhuǎn)矩。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量，通過高速的數(shù)字信號(hào)處理器，將電機(jī)運(yùn)行實(shí)際值與參考值不斷的進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中的每個(gè)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分別確定，這樣傳動(dòng)裝置始終處于最佳開關(guān)組合，從而對(duì)負(fù)載突變或電源干擾所引起的動(dòng)態(tài)變化作出快速的響應(yīng)。 三、 系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn) 如圖二所示，變頻調(diào)速系統(tǒng)由工/變頻高壓進(jìn)線柜、12脈沖隔離變壓器、ACS1013-W1-T0高壓變頻器、高壓切換柜、PLC控制箱和國產(chǎn)2200KW電機(jī)構(gòu)成。 1、工頻進(jìn)線高壓柜作為變頻回路故障狀態(tài)下保證電機(jī)和壓縮機(jī)運(yùn)行的后備保證，正常情況下由變頻進(jìn)線柜向變頻器供電，變頻器進(jìn)線高壓柜必須由變頻器控制其分合閘。 2、12脈沖隔離變壓器由國內(nèi)生產(chǎn)，變壓器有2個(gè)次級(jí)繞組，一個(gè)為Y接法，一個(gè)為Δ接法，兩繞組同相間有30。相位差。采用了12脈沖隔離變壓器的ACS1000變頻器已滿足了IEEE519－1992和UK G.5/3中對(duì)電壓和電流諧波的要求。 3、高壓切換柜是配合電機(jī)工/變頻切換之用，當(dāng)高壓真空接觸器KM2、 KM3閉合時(shí)，電機(jī)為Δ接法,此時(shí)電機(jī)額定電壓3.465KV，當(dāng)要求電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，高壓真空接觸器KM1、KM4閉合，電機(jī)連接到電網(wǎng)，直接通過工頻進(jìn)線柜由工頻直接啟動(dòng)。 4、PLC控制箱主要負(fù)責(zé)各邏輯連鎖以及與壓縮機(jī)DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊。當(dāng)變頻器就緒和工頻進(jìn)線合閘后，若DCS系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)，則高壓切換柜KM2、KM3合閘，切換柜自動(dòng)投入變頻運(yùn)行方式，機(jī)組自動(dòng)優(yōu)先啟動(dòng)變頻器運(yùn)行。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，由壓縮機(jī)DCS控制系統(tǒng)輸出速度給定值（4～20mA）給變頻器，由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)平滑啟動(dòng)，同時(shí)變頻器輸出電機(jī)的運(yùn)行/停止、故障、運(yùn)行、電機(jī)電流、功率、水溫等信號(hào)給DCS系統(tǒng)。 當(dāng)變頻進(jìn)線高壓柜處于分閘位置或變頻器故障時(shí)，若DCS系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)，則高壓柜KM1、KM4合閘，切換柜自動(dòng)投入工頻運(yùn)行方式，機(jī)組進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。PLC輸出機(jī)組工頻運(yùn)行等信號(hào)給DCS系統(tǒng)。 5、水冷系統(tǒng)：變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置采用水冷方式，比較風(fēng)冷方式的變頻器而言，水冷型變頻器具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①水冷系統(tǒng)可保證整個(gè)系統(tǒng)工作在最佳溫度點(diǎn)，而風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境波動(dòng)敏感，不易保持在最佳工作點(diǎn)。對(duì)于電子控制系統(tǒng)，工作在最佳溫度點(diǎn)意味著高可靠性和最長的使用壽命。 ②水冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求低，而空冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求高，變頻系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)在0～40℃，2200KW變頻器的效率為98%也即意味著有44KW的熱量需要散發(fā)，風(fēng)冷系統(tǒng)將此44KW的熱量排走需用一大容量的空調(diào)設(shè)備，投資大，長期運(yùn)行費(fèi)用高。 ③風(fēng)冷系統(tǒng)靠外風(fēng)循環(huán)，對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求嚴(yán)格，灰塵很容易在高壓變頻器內(nèi)元器件和過濾網(wǎng)上集結(jié)，容易造成故障， 也勢必增加設(shè)備維護(hù)量。 ④水冷系統(tǒng)不需要大功率的冷卻風(fēng)機(jī)，因此噪音小，而空冷系統(tǒng)噪音大。 ⑤由于ACS1000對(duì)外循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)要求不高，可充分利用石化廠生產(chǎn)裝置循環(huán)冷卻水，無需額外投資。 ACS1000水冷系統(tǒng)分冷卻水和循環(huán)水，冷卻水和循環(huán)水是分離的兩回路，冷卻水將變頻器功率器件產(chǎn)生的熱量與外部循環(huán)水通過熱交換器的熱交換將變頻器產(chǎn)生的熱量帶走，變頻器在輔助電源上電后自動(dòng)檢測冷卻水電導(dǎo)率，當(dāng)電導(dǎo)率超過變頻器設(shè)定的電導(dǎo)率指標(biāo)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)水冷系統(tǒng)除離子設(shè)備工作。 6、變頻節(jié)能與防喘振協(xié)調(diào)控制：具有駝峰型特性的大容量壓縮機(jī)的喘震問題是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要問題，變頻器正常工作時(shí)，系統(tǒng)通過變頻調(diào)速與防喘振的協(xié)調(diào)控制，盡可能減少氣體回流量，同時(shí)確保流量大于安全操作線流量（如圖三所示），使系統(tǒng)不發(fā)生喘震現(xiàn)象，做到良好的節(jié)能與防喘振協(xié)調(diào)控制效果。 圖中P2/P1為壓縮機(jī)出口絕壓與入口絕壓之比，Q為壓縮機(jī)流量。 四、 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)的聯(lián)調(diào) 1、 系統(tǒng)常規(guī)檢查：ACS1000高壓變頻器因在出廠前做了嚴(yán)格的空載和帶載測試，使得在現(xiàn)場調(diào)試上電前的檢查工作非常簡單，通常的檢查工作有外觀和外部線路連接檢查、邏輯檢查、IGCT檢查、變頻器整體對(duì)地直流耐壓試驗(yàn)等。 2、 變頻器上電：上電后變頻器自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和內(nèi)部循環(huán)水除離子回路工作，內(nèi)循環(huán)水的電導(dǎo)率是變頻器允許MCB合閘的條件之一， 3、 作為常規(guī)調(diào)試的一部分，電動(dòng)機(jī)要進(jìn)行ID辨識(shí)運(yùn)行。將電動(dòng)機(jī)銘牌上的電動(dòng)機(jī)基本數(shù)據(jù)輸入到變頻器之后，以手動(dòng)方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)ID辨識(shí)運(yùn)行。ID運(yùn)行一旦開始，整個(gè)識(shí)別運(yùn)行將全自動(dòng)進(jìn)行。在ID辨識(shí)運(yùn)行期間，變頻器通過監(jiān)測電動(dòng)機(jī)對(duì)所施加的電源的響應(yīng)建立精確的電動(dòng)機(jī)模型，DTC控制器就是利用在個(gè)模型精確地?cái)U(kuò)展變頻器和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。 整個(gè)ID辨識(shí)識(shí)別運(yùn)行大約需要2分鐘。 電動(dòng)機(jī)可以在帶負(fù)載的情況下作ID辨識(shí)識(shí)別運(yùn)行；但為了取得最佳的效果，須將負(fù)載脫離。 4、 空載和帶載運(yùn)行：由于該變頻器是電壓型變頻器，與電流型變頻器相比，無需對(duì)不同負(fù)載條件下的變頻器參數(shù)反復(fù)調(diào)整，調(diào)試也顯簡單,在實(shí)際帶電運(yùn)行調(diào)試時(shí),先空負(fù)荷運(yùn)行,然后帶負(fù)荷運(yùn)行并調(diào)整相關(guān)參數(shù)至最佳值即可. 在調(diào)試過程中,我們用裝有DRIVE WINDOW軟件的筆記本電腦記錄了變頻器啟動(dòng)和運(yùn)行過程的有關(guān)參數(shù)曲線,如圖四。 [align=center] 圖四 1為直流側(cè)電壓，2為電機(jī)磁通，3為電機(jī)速度，4為電機(jī)電流，5為電機(jī)力矩[/align] 五、 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及處理 在實(shí)際調(diào)試過程中，調(diào)試工作基本很順利,但由于對(duì)石化廠已有冷卻水系統(tǒng)了解不夠,也曾出現(xiàn)變頻器因水溫過高而跳閘，后經(jīng)現(xiàn)場觀察分析，發(fā)現(xiàn)因循環(huán)水采用裝置冷卻水（圖五），雖然,外循環(huán)冷卻水入口壓力達(dá)到0.45 Mpa,但出水口采用背壓回流,表面上看似壓力很高,但實(shí)際裝置冷卻水出入口壓差不足0.1Mpa，外循環(huán)冷卻水的流量不足以帶走變頻器的實(shí)際發(fā)熱量,后對(duì)外循環(huán)冷卻水入口壓力進(jìn)行倍壓,方解決了問題。在選擇水冷型變頻器時(shí)，應(yīng)事前對(duì)變頻器的發(fā)熱量，尤其是原有工廠冷卻水系統(tǒng)做細(xì)致的水質(zhì)分析、管路走向和距離摸底。 六、 結(jié)論 已經(jīng)投運(yùn)的富氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠完全滿足富氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的嚴(yán)格調(diào)速要求。在實(shí)際正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中，變頻器輸出功率僅為電機(jī)額定功率的60％左右，節(jié)電效果非常顯著，在同類應(yīng)用情況下，有著很好的示范、推廣應(yīng)用價(jià)值。 [參考資料] 1、《ACS1000 技術(shù)樣本》 北京ABB傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司 2、《ACS1000 User Manual》 ABB Industrie AG 3、《ACS1000 Water Cooling Unit》 ABB Industrie AG 4、《高壓大容量風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備的變頻節(jié)能與防喘振控制》 羅自永 李瑞常等《電氣傳動(dòng)》2000年增刊 [作者簡介] 李瑞常 （1965——）男 1990年東北大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，主要方向?yàn)榻涣髯冾l調(diào)速技術(shù)，現(xiàn)任中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電控系統(tǒng)與裝置委員會(huì)委員、中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)電氣自動(dòng)化專委會(huì)委員、深圳市節(jié)能專家小組專家委員、深圳市庫馬克新技術(shù)有限公司總經(jīng)理。 張 超 （1976——） 男 1997年華中理工大學(xué)電氣技術(shù)專業(yè)畢業(yè)，主要從事工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作