高壓變頻器在石化煉油廠冷卻風機上的解決方案

摘 要：本文介紹了安邦信電子有限公司多電平高壓變頻器在蘭州石化煉油廠冷卻風機上的應用，分析了變頻系統的工作原理和生產工藝，結果表明安邦信高壓變頻器已經完全能滿夠足國內較高要求用戶的需求，完全能夠替代國外進口設備，可以達到有效節能和降低設備投資的目的。

關鍵詞：高壓變頻器 石化行業 冷卻風機 節能

1. 簡介

　　深圳安邦信電子有限公司高壓變頻器的主要特點

　　·國產高壓變頻知名品牌，可靠性極高，超過四年的安全運行經驗，適合電廠、鋼廠、水泥、石化等應用

　　·采用全數字無速度傳感器矢量控制技術，控制精度高，響應速度快，大大優于普通的V/F控制技術

　　·性能優異，輸入和輸出諧波極少(36脈沖整流、13電平逆變)

　　·內部變壓器為干式，絕緣等級為H級，高于普通的F 級，可靠性高，維護簡單

　　·適應電網波動要求，電網電壓最多可下降至65%，變頻器仍能繼續工作而不跳機

　　·電壓源型高壓變頻器、幾乎在整個速度段輸入功率因素大于0.96

　　·體積(包括變壓器在內)最小，土建成本低

　　·高-高結構，直接輸出6KV高壓，不對電機作任何改動

　　·單元故障自動旁路功能，保證用戶生產的安全和可靠

　　·中文PC操作界面，給用戶帶來方便

　　·變頻器效率高，高于98.5%

　　·防護等級高IP30，高于普通的IP20，對用戶的環境要求低

　　·環境濕度可達95%

　　·安邦信公司在全國設有10個辦事處和22個代表處，24小時響應用戶任何需要

　　·安邦信公司業績，廣泛應用于鋼鐵、火電、水泥、石化和供水行業，業績顯著，運行可靠，給用戶帶來了良好的社會效益和經濟效益。

2. 安邦信公司多單元串聯高壓變頻器原理

　　多單元串聯高壓變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。該變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，包括國產電機。
6KV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6KV輸出電壓等級為例，每相由6個額定電壓為630V的功率單元串聯而成，輸出相電壓達3780V，線電壓達6.6KV，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6KV電壓等級變頻而言，就是36脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數可達到0.96以上。下圖為該變頻器的輸入電壓、電流。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，6KV輸出相當于13電平，輸出電壓非常接近正弦波，dv/dt很小。

　　電平數的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輸出濾波器。下圖為變頻器輸出電壓電流波形。

　　與采用高壓器件直接串聯的變頻器相比，由于不是采用傳統的器件串聯的方式來實現高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，可直接使用低壓功率器件，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。

　　功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。這一系列變頻器目前正在全世界得到廣泛應用。

　　高壓變頻器主回路及系統組成

　　對于蘭州石化煉油廠冷卻風機項目，安邦信公司根據用戶實際工況要求提供我公司生產的多單元串聯矢量控制高壓變頻器。

　　該系列變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。該變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，包括國產電機。

變頻設備基本部件

　　36脈沖二極管整流，13電平IGBT/PWM逆變

　　一體式輸入干式隔離變壓器，內部含測溫元件

　　保護等級IP30，整個變頻系統采用空冷，柜外采用空調冷卻

　　高壓柜門保護連鎖

　　控制UPS

　　帶PROFIBUS-DP通訊接口

　　變頻器基本性能

　　·變頻器為高-高結構，6KV直接輸出，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯移相式PWM方式，輸出相電壓至少為13電平，線電壓至少為25電平

　　·系統一體化設計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。整套系統在出廠前進行整體測試

　　·36脈沖整流輸入符合并優于IEEE519～1992及GB/T14519～93標準對電壓失真和電流失真最嚴格的要求

　　·在20～100%的負載變化情況內達到或超過0.96的功率因數(無需功率因數補償裝置)

　　·無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊的要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用。具有軟起動功能，沒有電機啟動沖擊引起的電網電壓下跌，可確保電機安全、長期運行

　　·變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0.1%。可避免風機喘振現象。變頻器有共振點頻率跳躍功能

　　·變頻裝置對輸出電纜長度無任何要求，電機不會受到共模電壓和dv/dt的影響

　　·變頻器可在輸出不帶電機的情況下進行空載調試，也可在沒有6KV高壓情況下用低壓電進行空載調試

　　·控制采用無速度傳感器矢量控制，起動轉矩可達200%

　　·變頻器對電網電壓波動有極強的適應能力，電壓低于35%仍可降額運行

　　·變頻器效率為98.5%

　　·控制系統采用全數字微機控制，有自診斷功能

　　·電機參數自動檢測、控制系統參數自動優化

　　·變頻器功率單元和主控系統通訊采用光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好

　　·單元故障自動旁路功能，當單元出現故障時，仍能保證系統運行

　　·控制系統具有在線檢測變頻器輸入電壓、電流、輸入功率因素、輸出電壓、電流、功率、頻率、電機轉速等

　　·頻率精度：±0.5%(所有因素下)

　　·過載能力為120%，1min，滿足泵類和風機類負荷要求

　　·調速范圍：0-100%連續可調

　　·加/減速時間0.1-3600 秒 (根據負載情況可設定)

　　·輸出頻率0-120HZ(根據電機情況可設定)

　　·環境溫度為-15～+40°C，95%相對濕度，海拔1000米以下

　　·變頻器抗地震能力為7級，振動0.5G

　　·臨界速度可跳過(共3組，可任意設定)

　　·用戶可調的數字表，可顯示速度，電流，電壓，功率，用電度數等

　　變頻器控制接口(可按用戶要求擴展)

　　·2路4～20mA或0～10V模擬量輸入

　　·4路4～20mA模擬量輸出或0～10V用以輸出電機電壓和頻率等指示信號(可擴展)

　　·10點開關量無源輸入：自動起動/停止，手動起動/停止，緊停，復位等

　　·10點開關量無源輸出：變頻器就緒，運行，故障等 (容量220VAC/5A)

　　·4點開關量無源輸出：容量220VDC/5A

　　·變頻器帶有PROFIBUS-DP通訊接口，可以將輸出頻率、輸出電壓等參數通過通訊接口傳送至PLC或DCS

結構

　　·變頻器的功率單元為模塊化設計，可以從機架上抽出，移動和更換，所有單元可以互換，更換單元不須專用工具，更換一個單元的時間一般小于10分鐘

　　·逆變器側采用高開關頻率的IGBT器件，保證良好的輸出波形

　　·輸入側的隔離變壓器能保護電機不受共模電壓的影響

　　·整個變頻系統內部采用空冷，外部采用空調冷卻

　　保護

　　·變頻裝置有過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器過載，變頻器過熱，電機過載，輸出接地，輸出短路等保護功能

　　·變頻裝置有隔離變壓器的各種保護

　　·變頻器帶轉速跟蹤再起動功能

　　現場試驗

　　設備安裝完成后，安邦信公司負責檢查設備內部接線及與外部接線、確保調試成功。變頻裝置能在標書規定條件下經受長期運行考驗。

　　測量變頻器輸入、輸出電壓和電流波形以及諧波含量(電動機啟動時、頻率在25Hz時、頻率在38Hz時、頻率在50Hz時)

　　電機啟動性能試驗，啟動電機，觀察變頻器輸出線電流波形和幅值，檢查電機的啟動性能要求起動電流小，啟動轉距大，保證電機穩定起動

　　頻率(或轉速)調節范圍測試：測試最高頻率(或轉速)和最低頻率(或轉速)

　　電機振動測試分別測試電機兩端軸向、垂直徑向和水平徑向共6點的振動幅值

　　節電效果測試：在調速狀態和異步運行工況下，測試節電效果

　　功率因數測試：在調速狀態測試變頻器輸入功率因數

　　靜態精度測試(閉環控制的速度偏差)：在冷態情況下測試電動機頻率變化，每點測試時間為5min

　　輸出電壓不對稱度測試：測試三相線電壓

　　效率試驗：變頻器效率為輸出和輸入有功功率之比

　　諧波測試：按GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》及IEEE519-1992國際標準的規定測試

3. 變頻方案

　　蘭州石化煉油廠冷卻風機安裝于其重要的循環冷卻系統上，電機型號為：355KW/6KV，4極電機，額定電流為40A。

由于安邦信高壓變頻器具有極高的可靠性，因此我們只為該設備配備了檢修和維護用的手動旁路系統，結構簡單，性能可靠。整個系統由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺風機組成，

　　圖5中共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統實現電氣連鎖，避免系統誤操作。當QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機運行在變頻狀態;當QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

　　安裝變頻器后，由DCS系統通過PID調節計算，輸出4~20mA模擬電流信號發給變頻器，通過調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節送風量的目的，滿足運行工況的要求。

　　采用變頻調速，電機轉速平穩變化，電流沒有任何沖擊，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。

4. 結論

　　蘭州石化煉油廠循環冷卻風機采用安邦信高壓變頻調速后，調速準確，運行可靠，節能效果明顯，產生了良好的社會效益和經濟效益，得到用戶的好評。