同步變頻調速系統的現場應用

一、前言

    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15percent以上。

    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****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。

    三、空壓機工頻定速運行工況介紹

    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10-35percent。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。

    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