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同步電機及變頻器運行現場
四川隆昌隆橋化工有限公司是以天然氣為主要原料的化工企業，其前身是四川省隆昌縣氮肥廠，始建于1970年，占地面積達76600平方米，至今有30多年的化工生產經營歷史。目前公司系列化工產品生產能力達到：合成氨6萬噸，農用碳酸氫氨10萬噸，工業用特種氨水3萬噸，高純度食品添加劑二氧化碳2萬噸，塑料制品1000噸，合資生產復混肥料5萬噸。
目前大型空氣壓縮機是該公司化工生產線中的關鍵設備，其單機耗電量占到企業總電能消耗的1/3以上。因此，為降低單位產能的耗電量，提高生產效率，響應國家政府節能降耗的產業政策,必須采用新技術來改善生產工藝，對傳統型的生產機組進行節能改造。其關鍵技術就在于，對帶動大型空壓機的高壓同步電機進行變頻調速技術改造，通過改變壓縮機的轉速來調節工藝空氣的流量，達到供需平衡，從而節省單位生產的耗電量，而且操作方便有效。
隆橋化工公司于2007年6月，投入了北京合康億盛HIVERT-T06/077（800kVA/6kV）的高壓變頻器一臺,專用于高壓同步電動機調速，電機參數見下表。該同步電動機投入高壓變頻器后，無大電流沖擊,負載運行平穩,運行頻率連續可調。高壓變頻器投入后節能效果明顯,在滿負荷運行下節能效果可達到15%以上。
表1：設備參數表
二、活塞式空氣壓縮機的工作原理
當曲軸旋轉時，通過連桿的傳動，活塞做往復運動，由氣缸內壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積則會發生周期性變化。活塞從氣缸蓋處開始運動時，氣缸內的工作容積逐漸增大，這時，氣體即沿著進氣管，推開進氣閥而進入氣缸，直到工作容積變到最大時為止，進氣閥關閉；活塞反向運動時，氣缸內工作容積縮小，氣體壓力升高，當氣缸內壓力達到并略高于排氣壓力時，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運動到極限位置為止，排氣閥關閉。當活塞再次反向運動時，上述過程重復出現。總之，曲軸旋轉一周，活塞往復一次，氣缸內相繼實現進氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環。如下圖所示。
活塞式壓縮機工作原理
隆橋化工廠的工藝空氣由兩臺活塞式空壓機并網供給，空氣壓縮機采用四氣缸三段式運行，壓力在1.2MPa左右。生產的工藝空氣分別供給四個負載使用，全負荷的工藝空氣流量為6800Nm3／h，根據生產需要,平均工藝空氣的需求量在6000-6500Nm3／h之間。變頻器改造前工頻運行時，通過調節放空閥門開度來改變主管網所需工藝空氣流量,正常運行時的放氣閥開度為10-35%。工頻運行時，壓縮機始終工作在滿轉速狀態下，多余的工藝空氣將通過放空閥排空，從而造成大量能源的浪費，并且也縮短了設備的使用壽命。
四、空壓機變頻調速運行的節能原理
活塞式空壓機具有恒轉矩特性，其軸功率P和流量Q與轉速n成正比；當利用變頻器來改變電機的運行頻率，即調節壓縮機轉速n，從而調節工藝空氣流量Q，達到需求與供給的平衡。其節電率P％正比于△n％即轉速下降的百分數，節能效果明顯。
調試過程中，壓縮機運行在25Hz以下時，變頻器輸出電流波動較大。仔細分析波形，其電流值出現周期性的波動，這是由于空氣壓縮機的周期性負載所決定的，當轉速下降過多時，要造成出氣的脈動，在40Hz以上時，由于轉動的速度高，則這種周期性的波動不太明顯；且活塞式空壓機具有恒轉矩特性，在變頻器輸出整個頻率內電流變化不大，因負載損耗也變化不大，所以低頻效率變低；且電機使用的自冷式風冷，在低頻時由于轉速的下降，冷卻的效果降低；在因此考慮在低轉速時經濟運行，并保證設備的安全，故運行的頻率應不低于20Hz。
五、同步電機用高壓變頻器基本原理
HIVERT—T06/077型同步電機用高壓變頻調速系統主電路見下圖，由隔離變壓器和功率單元二大部分組成。6kV高壓電經過變壓器降壓、移相、隔離后分配給各個功率單元。功率單元為三相輸入全橋整流，通過IGBT逆變后單相輸出，每相相鄰功率單元輸出端串接起來，三相接成星接，實現變頻后的高壓正弦波輸出，直接驅動高壓同步電機。
HIVERT-T06 同步機用高壓變頻器主電路圖
電壓疊加圖
由電氣原理圖可見6KV輸入側為二極管全波整流36脈沖構成多極移相疊加的整流方式極大地改善網側的電流波型，使其負載下的網側功率因數接近1.0。輸出側由每個功率單元的L1、L2輸出端子相互串聯而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波型進行重組，得到階梯的PWM波型，該波型正弦度好，dv/dt小，可以降低輸出諧波及由此引起的電機振動、電機發熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機的絕緣損壞，無須濾波器。
六、同步電機變頻調速現場應用情況及調試情況
變頻器選用合康HIVERT-T06/077同步電機變頻調速系統，旁路柜XGNPG-7.2方案選用一拖一手動旁路柜，勵磁柜使用原有的勵磁電流柜。
1. 變頻運行啟動過程：刀閘QS1、QS 2閉合，QS3斷開，變頻器設為遠程控制（變頻器的系統待機輸出接到啟動輸入），勵磁柜處于滅磁狀態。斷路器QF0合閘，變頻器高壓就緒后，系統待機信號閉合直接啟動電機，經過約30秒延時后，勵磁柜自動投勵，將電機牽入同步運行。
2.變頻運行停機過程：變頻器驅動同步電機減速至最低頻率，分斷斷路器QF0，變頻器停止運行，并啟動勵磁柜滅磁。
3.變頻運行故障處理：變頻器在運行過程中出現重故障時，將立即封鎖輸出，輸出保護信號分斷高壓電源，并啟動勵磁柜滅磁。
4. 工頻運行：QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機的起動、運行、停車過程按照原來的操作步驟進行。
七、變頻改造注意事項
1．同步電機由于采用自冷，不允許長時間在低頻下運行，工作下限應不低于20Hz。
2．功率選用比空壓機功率大一個等級的變頻器，以免空壓機啟動出現過電流跳閘的情況。
八、結束語
合康億盛同步電動機高壓變頻調速系統采用先進的無速度傳感器矢量控制技術，通過在四川隆昌隆橋化工有限公司的成功應用，擴展了高壓變頻器產業的應用領域，為國內同步電機進行變頻調速翻開了新的篇章，為我國建設節約型社會提供了更多的技術保障。
2.變頻運行停機過程：變頻器驅動同步電機減速至最低頻率，分斷斷路器QF0，變頻器停止運行，并啟動勵磁柜滅磁。
3.變頻運行故障處理：變頻器在運行過程中出現重故障時，將立即封鎖輸出，輸出保護信號分斷高壓電源，并啟動勵磁柜滅磁。
4. 工頻運行：QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機的起動、運行、停車過程按照原來的操作步驟進行。
七、變頻改造注意事項
1．同步電機由于采用自冷，不允許長時間在低頻下運行，工作下限應不低于20Hz。
2．功率選用比空壓機功率大一個等級的變頻器，以免空壓機啟動出現過電流跳閘的情況。
八、結束語
合康億盛同步電動機高壓變頻調速系統采用先進的無速度傳感器矢量控制技術，通過在四川隆昌隆橋化工有限公司的成功應用，擴展了高壓變頻器產業的應用領域，為國內同步電機進行變頻調速翻開了新的篇章，為我國建設節約型社會提供了更多的技術保障。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號