摘要：本文詳細(xì)介紹了中石化長(zhǎng)嶺分公司聚丙烯的設(shè)備改造情況，給出了齒輪泵電機(jī)由直流調(diào)速改為交流調(diào)速的改造方案，變壓器、變頻器、電機(jī)細(xì)節(jié)上都提出了詳細(xì)的解決辦法，重點(diǎn)介紹了ACS800變頻器的使用，完美的實(shí)現(xiàn)了由直流變頻調(diào)速系統(tǒng)到交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造。

關(guān)鍵詞：齒輪泵,交流調(diào)速,變頻器

一、概況介紹

中石化股份公司長(zhǎng)嶺分公司長(zhǎng)盛公司聚丙烯生產(chǎn)設(shè)備為日本TOSHIBA公司提供，機(jī)械到電氣設(shè)備整套均為TOSHIBA公司生產(chǎn)，從投入到運(yùn)行至2011年已有10多年，每年直流電機(jī)需要更換的電刷等備件費(fèi)用就十分昂貴，并且其對(duì)惡劣環(huán)境的耐受能力較差。在日常使用中，直流電機(jī)的典型故障包括電刷打火、電樞變色、散熱不足、劇烈噪聲和振動(dòng)等，使其日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)比交流電機(jī)高；另外考慮到設(shè)備的老化及壽命，已經(jīng)到了進(jìn)行更換的時(shí)間；從生產(chǎn)考慮，如果不提前做準(zhǔn)備，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)產(chǎn)生不可估量的損失。目前國(guó)內(nèi)有多家聚丙烯生產(chǎn)廠已經(jīng)進(jìn)行此改造，現(xiàn)在交流電機(jī)的調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流電機(jī)相媲美，并且工作可靠，易于維護(hù)和保養(yǎng)，不會(huì)像直流電機(jī)一樣需要定期更換電刷及換向器，降低了成本。

因此，中石化股份公司長(zhǎng)嶺分公司長(zhǎng)盛公司將直流電機(jī)拖動(dòng)改造為交流電機(jī)拖動(dòng)，調(diào)速為交流變頻調(diào)速。

二、聚丙烯生產(chǎn)設(shè)備及流程介紹

本套聚丙烯裝置采用的是日本制鋼所的成套擠壓造粒設(shè)備。其工藝流程簡(jiǎn)要如下：

圖1工藝流程圖

直流電機(jī)帶動(dòng)的齒輪泵其作用是對(duì)混煉機(jī)末端的混合熔融料加壓，保證足夠的壓力將聚丙烯熔融物料從多孔模頭按設(shè)定的速度均勻擠出。其入口壓力會(huì)隨著工藝條件的改變而變化，齒輪泵要隨之調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持壓力的穩(wěn)定。因此，齒輪泵驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)選用調(diào)速性能好，轉(zhuǎn)矩特性硬的直流調(diào)速系統(tǒng)。聚丙烯造粒機(jī)組齒輪泵的直流調(diào)速系統(tǒng)由日本東芝公司的可控硅萊昂那德控制設(shè)備和東芝直流電動(dòng)機(jī)組成。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、直流電機(jī)改造方案

電機(jī)的改造主要涉及以下幾個(gè)方面：改造前的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、軸徑、軸伸長(zhǎng)度、固定尺寸、軸高、接線方式、冷卻方式、重量、以及應(yīng)用場(chǎng)合、所帶配件等。

直流調(diào)速器通過(guò)調(diào)整直流電機(jī)的電樞電壓來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)，實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求是：負(fù)載形式恒轉(zhuǎn)矩，過(guò)載倍數(shù)2倍左右，電流基本穩(wěn)定，速度基本恒定。所選交流電機(jī)相關(guān)參數(shù)應(yīng)按照現(xiàn)在使用直流電機(jī)及負(fù)載狀況確定。

更換為交流電機(jī)后，性能指標(biāo)必須滿足以下條件：

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：包含85~1150rpm

交流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：≥TN=3654N·m

交流電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：≥Ts=2923N·m

交流電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：≥Tmax=6212N·m

電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算分析如下：

（1）、交流電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：

現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，轉(zhuǎn)速最高達(dá)1150轉(zhuǎn)/分，故，在采用6極電機(jī)的情況下，變頻輸出頻率為60赫茲左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1180rpm，即達(dá)到轉(zhuǎn)速要求?；l為50HZ時(shí)，電機(jī)調(diào)速范圍D=1150/85=13.5即可滿足轉(zhuǎn)速范圍要求。

Nmax=1180rpm，滿足Ne≥Nmax=1150rpm的條件。

（2）、交流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：

TN1=9550×（485/980）=4726(N·m)，滿足TN1≥TN=3654N·m的條件。

（3）、交流電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（變頻電機(jī)：為額定轉(zhuǎn)矩1.8~2.0倍，本方案取1.8）：

Ts1=1.8×TN1=8506.8N·m，滿足Ts1≥Ts=2923N·m的條件。

（4）、交流電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(變頻電機(jī)：為額定轉(zhuǎn)矩的2.3到2.5倍，本方案取2.3)：

Tmax1=2.3×TN1=10869N·m，滿足Tmax1≥Tmax=6212N·m的條件。

基于以上計(jì)算數(shù)據(jù)，我們選擇SIEMENS1PQ8系列低壓變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。

2、變頻控制器改造

基于原控制系統(tǒng)與上位機(jī)的控制及數(shù)據(jù)采集關(guān)系，在改造后的系統(tǒng)中，把與上位機(jī)的接口預(yù)留，且原端子號(hào)予以保留，使兩套系統(tǒng)完美對(duì)接，不會(huì)產(chǎn)生控制及顯示無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

控制方案如下：

（1）變頻器的運(yùn)行信號(hào)采取就地和面板給定實(shí)現(xiàn)的方式：

在原來(lái)的系統(tǒng)中，只將運(yùn)行信號(hào)發(fā)回給PLC，并未從PLC發(fā)出運(yùn)行信號(hào)，這種情況運(yùn)行信號(hào)就可以從變頻器的控制面板給出，或者就地按鈕實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)行信號(hào)通過(guò)變頻器的DO點(diǎn)（常開(kāi)，運(yùn)行后閉合）送給主控室儀表柜PLC，再由PLC送至電機(jī)運(yùn)行指示燈，同時(shí)經(jīng)PLC送至變頻器柜的運(yùn)行指示燈，進(jìn)行顯示。

（2）速度信號(hào)的給定

利用原來(lái)系統(tǒng)的速度給定點(diǎn)PLC輸出的電流給定信號(hào)，進(jìn)入到變頻柜的端子，然后送至變頻器的AI2端口（4－20mA），進(jìn)行調(diào)速。

（3）電流信號(hào)及速度信號(hào)的采集

電機(jī)電流信號(hào)（4－20mA）由變頻器AO1點(diǎn)輸出經(jīng)端子送至主控室儀表柜送至顯示儀表；同時(shí)送至PLC后經(jīng)PLC送出，到超電流指示燈進(jìn)行指示；

電機(jī)速度信號(hào)（4－20mA）由變頻器AO2點(diǎn)輸出經(jīng)端子送至主控室儀表柜指示，同時(shí)送至現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速表；

（4）溫度監(jiān)控信號(hào)

系統(tǒng)中，有兩處存在溫度傳感器，一是測(cè)量電機(jī)線圈溫度探頭，二是電機(jī)后軸溫度探頭。測(cè)量電機(jī)線圈的溫度傳感器信號(hào)送入變頻柜經(jīng)處理后，輸出一個(gè)溫度過(guò)低的信號(hào)，經(jīng)端子送至PLC，然后由PLC送往MCC配電間加熱器的啟動(dòng)信號(hào)；測(cè)量電機(jī)后軸的溫度傳感器信號(hào)送入變頻柜經(jīng)處理后，輸出一個(gè)溫度過(guò)高的信號(hào)，經(jīng)端子送至PLC＃18.5，然后由PLC#36.5送往軸承溫度過(guò)高指示燈。

3、變頻器選擇

本系統(tǒng)負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性,重載啟動(dòng)，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來(lái)選擇。即

IN>IMmax

式中,IN為變頻器的額定電流，IMmax電機(jī)的最大運(yùn)行電流。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)運(yùn)行電流比較穩(wěn)定，原來(lái)變頻控制的方案及可靠性的考慮，我們選用ABB公司的ACS800-07系列變頻器。

ACS800-07變頻器主要由輔助控制單元、DSU整流單元及逆變單元組成。

(1)熔斷器主要包括進(jìn)線交流熔斷器，其作用主要是防止電源有大的波動(dòng)引起電流的高次諧波對(duì)模塊造成損壞，保護(hù)模塊的作用；

(2)輔助控制單元包括控制回路的控制元件及控制板RDCU-12C，急?？刂?，變頻的起動(dòng)、停止、復(fù)位，與外部的電路接口等部分；

(3)DSU整流單元是由一個(gè)半控橋式二極管整流供電單元1×D4模塊組成，整流橋由兩組整流橋并聯(lián)組成，以降低每組整流橋的電流，模塊是一種尺寸，裝有插接式連接器，為落地式單元，內(nèi)置交流電抗器，主開(kāi)關(guān)和可選的接觸器，具有冷卻風(fēng)機(jī)控制及電源控制，易于服務(wù)和維護(hù)；

(4)逆變單元INU采用2×R8i的兩個(gè)模塊并聯(lián)的方式，兩個(gè)模塊置于同一個(gè)柜體內(nèi)，共用一塊主控板，通過(guò)光纖分配單元APBU-44C把控制信號(hào)同時(shí)送至模塊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變頻控制的各種功能。逆變的直流母線側(cè)安裝共模濾波器，出線配備du/dt濾波器，抑制了輸出電壓尖峰和快速電壓改變，減小了對(duì)電機(jī)的絕緣性能的影響，同時(shí)降低了電機(jī)電纜的容性漏電流，高頻輻射、高頻損耗和軸承電流。

圖2變頻器一次原理圖

4、整流變壓器的選擇

系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓為：6KVAC

輸出側(cè)電壓為：690VAC

由于該變壓器用于變頻器供電，故采用特種變壓器中的整流變壓器。

變壓器的容量計(jì)算方法有很多種，我們采用了常見(jiàn)的一種計(jì)算：

S=〔P/n*K1/cos￠＋P2〕×K2

P:電機(jī)額定功率

n：電機(jī)的效率

K1：電動(dòng)機(jī)負(fù)荷系數(shù)

cos￠：電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)

P2：其它用電

K2：變壓器裕量

當(dāng)負(fù)載為500KW時(shí)，S=[500/0.7*1/0.9+0]*1.1=873KVA

因?yàn)殡姍C(jī)負(fù)載一般工作在60％負(fù)荷左右，由此選擇變壓器參數(shù)為：

Uin＝6KV，Uout＝690V，容量＝750KVA

四、變頻設(shè)定

ACS800變頻器的調(diào)試，使用其專用調(diào)試公具Driverwindow2.3。ABBACS800變頻在電機(jī)進(jìn)行調(diào)試前，要進(jìn)行電機(jī)模型的建立，以便能夠?qū)﹄姍C(jī)精確的控制，電機(jī)辨識(shí)的步驟如下：

1、在進(jìn)行電機(jī)辨識(shí)前，要確保電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有任何危險(xiǎn)；并確保已經(jīng)和被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的連接已脫離；

2、通過(guò)Driverwindow2.2（或者控制盤亦可）連接變頻器，設(shè)置9902宏程序?yàn)镕actory（大多數(shù)場(chǎng)合適應(yīng)），然后設(shè)置9904為DTC控制，電機(jī)銘牌對(duì)應(yīng)設(shè)好；

3、參數(shù)9910選擇辨識(shí)模式為STANDARD，標(biāo)準(zhǔn)辨識(shí)模式，此時(shí)變頻器會(huì)報(bào)出報(bào)警信號(hào)：WARNING：IDMAGNREQ，此時(shí)使能運(yùn)行信號(hào)，則進(jìn)行電機(jī)辨識(shí)程序

電機(jī)辨識(shí)程序是變頻內(nèi)部?jī)?nèi)置好的，其辨識(shí)曲線如下：

縱軸：

[1]速度speed

[2]電流current

[3]力矩torqe

[4]功率power

橫軸：

時(shí)間time（s）

圖3電機(jī)辨識(shí)曲線

此曲線是ABBACS800典型辨識(shí)的曲線，速度、電流、力矩等，分別按照預(yù)置好的程序執(zhí)行，識(shí)別電機(jī)建立電機(jī)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。

電機(jī)辨識(shí)完成后，針對(duì)工藝功能設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，主要參數(shù)如下：

表1主要功能參數(shù)表

五．小結(jié)

聚丙烯機(jī)組設(shè)備在煉油廠里是很重要的一個(gè)裝置，其設(shè)備的安全性運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)廠的經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，而對(duì)于日本進(jìn)口的設(shè)備來(lái)說(shuō)，一旦過(guò)了聲明的產(chǎn)品品質(zhì)期限，就會(huì)頻繁出現(xiàn)各種問(wèn)題，所以對(duì)聚丙烯齒輪泵的直流改交流調(diào)速系統(tǒng)改造是十分有必要的。

從2011年我們實(shí)施改造以后，該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)故障出現(xiàn)，降低了生產(chǎn)工人的維護(hù)工作量，原來(lái)更換直流碳刷的工作及費(fèi)用完全避免，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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《電力電子技術(shù)》，王兆安，黃俊主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，04；

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4、ACS800固件手冊(cè)，北京ABB電氣傳動(dòng)有限公司，2009，3；

5、ACS800硬件手冊(cè)，北京ABB電氣傳動(dòng)有限公司，2009，3；

作者簡(jiǎn)介:

劉以成：（1980--）,男，廣東省深圳市人。2003年6月畢業(yè)于湖南南華大學(xué)電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系。畢業(yè)后至2006年初，在山東省淄博礦業(yè)集團(tuán)下屬先河機(jī)電有限責(zé)任公司自動(dòng)化研究所工作，在此期間，參與薄煤層采煤機(jī)變頻電牽引項(xiàng)目的試驗(yàn)生產(chǎn)。2006年3月至今，就職于深圳市康必達(dá)智能科技有限責(zé)任公司；先后參與福建三鋼中板輔傳動(dòng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)試、煉鐵1-5高爐卷?yè)P(yáng)項(xiàng)目變頻傳動(dòng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、煉鋼1-3轉(zhuǎn)爐變頻傾動(dòng)及氧槍自動(dòng)化設(shè)計(jì)與調(diào)試等。