高壓變頻器驅(qū)動帶變轉(zhuǎn)矩負(fù)載同步電機(jī)運(yùn)行情況總結(jié)
2006年4月18日，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司制造的同步機(jī)高壓變頻器在我廠驅(qū)動CO2壓縮機(jī)同步電機(jī)開車成功并投入生產(chǎn)系統(tǒng)試運(yùn)行。我廠的CO2壓縮機(jī)為變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，高壓變頻器用于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的高壓同步電機(jī)調(diào)速填補(bǔ)了我國在高壓同步電機(jī)調(diào)速方面的空白。由于眾所周知的原因，行業(yè)中習(xí)慣的認(rèn)為變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的高壓同步電機(jī)難以進(jìn)行軟啟動和調(diào)速。但是另一方面，生產(chǎn)過程中又要求對這類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速，便于進(jìn)行生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整和節(jié)能。因此，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的高壓同步電機(jī)調(diào)速就成了行業(yè)中一直以來想要解決的問題。在此，就該現(xiàn)場試運(yùn)行的有關(guān)情況作簡要介紹：
一、基本數(shù)據(jù)
1、高壓變頻器參數(shù)
型號：HARSVERT—S06/130 1250KVA 6kV 50Hz
生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)：Q/CPBLH003-2004
2、高壓同步電動機(jī)參數(shù)
型號：TDK1000—48 1000kW/125轉(zhuǎn)/分/116.5A，COSΦ=0.9(超前)，ULC=116.5V， ILC=205A
3、CO2活塞式壓縮機(jī)參數(shù)
型號：N—50/200 二氧化碳壓縮機(jī)，排氣量：50米3/分 軸功率880kW，轉(zhuǎn)速：125轉(zhuǎn)/分
吸入絕對壓力：1Kg/cm2，排出絕對壓力：201Kg/cm2，外形：13145×4646×3750
汽缸直徑：920/720/380/210/110（mm），凈重：5000Kg，活塞行程：800mm
1964年，上海大隆機(jī)器廠制造
二、試運(yùn)行試車過程
首先，根據(jù)高壓同步電機(jī)的特點(diǎn)，確定采取帶勵零速變頻啟動的方式，啟動時勵磁電流的選取對于順利啟動非常重要。
活塞壓縮機(jī)負(fù)載在運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩脈動大，而且設(shè)計轉(zhuǎn)速較低。由于負(fù)載的設(shè)計轉(zhuǎn)速越低，電機(jī)級數(shù)就越多，同步電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的圓周幾何空間角等效的電角度越大，例如48極電機(jī)其定子與轉(zhuǎn)子的圓周一周相當(dāng)于24×360=8640º電角度。也就是圓周的1度相當(dāng)于24º電角度，因而同樣的轉(zhuǎn)矩脈動將造成同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電角度更大的擺動，從而導(dǎo)致變頻器輸出電流和輸出功率的更大的波動。
另外，由于活塞式壓縮機(jī)裝有輔助工頻啟動的平衡塊，當(dāng)平衡塊下落時，壓縮機(jī)處于能量回饋狀態(tài)，極容易造成變頻器直流母線過壓。
因此，可以說活塞式壓縮機(jī)的變頻啟動過程是一個較為復(fù)雜的動態(tài)過程，啟動時各參數(shù)的選取將直接影響到啟動的成功與否。
如果采用過大的勵磁電流，在空載輕轉(zhuǎn)矩條件下，平衡塊下落會造成電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，此瞬間同步電機(jī)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)，那么轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩變化將使同步電機(jī)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由于勵磁電流較大，電機(jī)的氣隙磁場較強(qiáng)，電機(jī)將發(fā)出較大的功率，并通過泵升效應(yīng)使高壓變頻器發(fā)生過電壓故障而跳車。在此我們通過探索和分析，找到了相應(yīng)的途徑并予以解決，使試開車得以進(jìn)一步繼續(xù)。
其次，一旦將高壓變頻器帶電機(jī)啟動到35Hz以上時，壓縮機(jī)將加負(fù)荷，此時隨著電機(jī)定子電流的加大，顯然相應(yīng)的必須調(diào)大轉(zhuǎn)子勵磁電流，這里存在一個勵磁電流過大會造成過電壓，而太小不能及時跟上必須的過轉(zhuǎn)矩又有可能導(dǎo)致同步電機(jī)失步，引起持續(xù)振蕩而過電流跳車。通過摸索我們找到了解決的辦法。根據(jù)以上的分析和前幾次試驗(yàn)的教訓(xùn)制定下面的步驟進(jìn)行開車取得成功。
1.化肥車間#1CO2高壓同步電機(jī)變頻帶工藝負(fù)荷運(yùn)行步驟
1.1根據(jù)從4月12日至17日的包括空載、模擬帶載試驗(yàn)，現(xiàn)化肥車間工藝上同意將#1CO2高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速裝置帶工藝負(fù)荷運(yùn)行。并已落實(shí)到位萬一故障跳車的處理措施預(yù)案，確認(rèn)不會引起生產(chǎn)及設(shè)備的事故。
1.2動力車間已具備好操作票，并將變頻器室安裝好通風(fēng)機(jī)已可以運(yùn)行。高壓同步電機(jī)變頻器生產(chǎn)廠已將變頻器調(diào)試至遠(yuǎn)控遠(yuǎn)調(diào)狀態(tài)。
1.3對超速運(yùn)行時，電機(jī)和壓縮機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和工藝的安全性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，確定在頻率60Hz時電機(jī)和壓縮機(jī)可以穩(wěn)定安全運(yùn)行。根據(jù)工藝需要，調(diào)速范圍基本定在40Hz—60Hz，但允許在需要的情況下降至35Hz，因此，變頻器的輸出頻率最低設(shè)在35Hz。
1.4開停車的主要步驟如下（未提及部分按原操作程序進(jìn)行）：
第一步：加勵磁電流，啟動變頻器，頻率調(diào)至50Hz。
第二步：邊加負(fù)荷邊升勵磁電流（一旦變頻器輸出電流超過130A時，適當(dāng)升10—20A）， 直至加到100%左右的工藝負(fù)荷。（由生產(chǎn)負(fù)荷決定），勵磁電流一般控制在120A。
第三步：按需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)速，勵磁電流按下表給出：
注：輸出電流與勵磁電流應(yīng)配合調(diào)節(jié)，上表為參考，以不大幅度超過為準(zhǔn)。
第四步：關(guān)回流閥，由調(diào)變頻器的頻率來滿足生產(chǎn)負(fù)荷的變化。
第五步：萬一在運(yùn)行過程中發(fā)生跳車，按原操作方法處理。
第六步：正常停車時，將變頻器輸出頻率調(diào)至50Hz，打開5回1閥，待負(fù)荷降至50%，勵磁電流調(diào)到適當(dāng)值，停變頻器。接下去按原步驟停車，最后斷開主開關(guān)。
1.5在試開車時先用#2 CO2機(jī)正常帶負(fù)荷運(yùn)行，啟動#1 CO2高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速機(jī)組開到50Hz并穩(wěn)定運(yùn)行，然后將負(fù)荷慢慢倒到#1 CO2壓縮機(jī)。這之前，#1 CO2壓縮機(jī)的負(fù)荷是一假負(fù)荷，既通過打開1段回1段入口，2段回1段入口，5段回1段入口的方法，相當(dāng)于加滿負(fù)荷運(yùn)行。最后，將1段回1段、2段回1段、5段回1段全關(guān)死。
1.6 正常時工藝參數(shù)如下：
一段入口壓：4KPa，一段出口壓：0.22MPa，、二段出口壓：0.84MPa；
三段出口壓：2.8MPa，四段出口壓：6.6MPa，五段出口壓：20MPa。
2.電氣主回路圖
3.存在問題及分析
3.1開車時要靠人工控制勵磁電流調(diào)節(jié),同時配合負(fù)荷的增加，不當(dāng)時易造成過電壓跳車使開車失敗。
3.2負(fù)荷較輕時，如不及時調(diào)節(jié)勵磁電流，輸入功率擺動太大也會導(dǎo)致過電壓跳車。對此采取了將頻率電壓曲線拉平的辦法盡量予以彌補(bǔ)。
三、運(yùn)行記錄
1、半年以來，我廠根據(jù)生產(chǎn)需要,同時本著盡量多開該套高壓變頻機(jī)組的思路，總計開車時間近三個月，連續(xù)開車最長達(dá)20天。所有記錄均可從高壓變頻器的電腦中調(diào)出。
2、數(shù)據(jù)分析
從該套高壓變頻機(jī)組運(yùn)行記錄并綜合生產(chǎn)工藝的實(shí)際報表看：
（1）采用變頻方式調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷在頻率為47Hz以下時是可以產(chǎn)生節(jié)能效果的，且節(jié)能的數(shù)值與頻率的降低成正比關(guān)系。
（2）受到前級造氣車間的產(chǎn)能限制，CO2最大供氣量大于1臺壓縮機(jī)組的滿載出氣量，小于2臺壓縮機(jī)的滿載出氣量。因此在變頻改造前，當(dāng)尿素產(chǎn)量較大時，一般采用同時開2臺壓縮機(jī)組的運(yùn)行方式，能源消耗較大。變頻改造后，由于可以運(yùn)行至60Hz，使用1臺電機(jī)在不需其它投入的情況時，完全滿足生產(chǎn)，不需再開1臺機(jī)組。盡管高壓變頻器本身有3%左右的損耗，但與增加開1臺機(jī)組比，仍有較好的節(jié)能效果。而且相比于2臺機(jī)組運(yùn)行時需要調(diào)節(jié)2臺機(jī)組的旁路閥門的開度，只需調(diào)節(jié)1臺電機(jī)的運(yùn)行頻率更加方便。
（3）由于可以進(jìn)行用小小的電位器調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷，而不再需要開關(guān)旁路閥，對生產(chǎn)操作人員來講，調(diào)節(jié)更加精確又方便輕松。
四、結(jié)論
1、北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的同步機(jī)高壓變頻器帶高壓同步電機(jī)在我廠驅(qū)動變轉(zhuǎn)矩負(fù)載CO2壓縮機(jī)，經(jīng)我廠有關(guān)技術(shù)人員及生產(chǎn)一線員工的大力配合與努力，開車成功并順利投入生產(chǎn)系統(tǒng)試運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
2、高壓同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速在工藝變動的情況下是可以節(jié)能的，其幅度取決于負(fù)荷，負(fù)荷比較低時更為顯著；負(fù)載較重時，與原先的2臺機(jī)組同時運(yùn)行的方式相比，也有較好的節(jié)能效果。
3、高壓同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和軟啟動有助于避免啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，因而在某些電網(wǎng)限制其啟動電流的工廠，大電機(jī)定子就可以不串液體變阻器直接進(jìn)行啟動，而直接防止串液體變阻器造成啟動轉(zhuǎn)矩小而不能啟動的事件。
4、建議北京利德華福電氣技術(shù)有限公司在同步機(jī)高壓變頻器上作進(jìn)一步的改進(jìn)，一是從根本上解決啟動時過電壓跳車問題，二是設(shè)法對波動的功率角或功率因數(shù)及電機(jī)定子電流進(jìn)行反饋取樣來控制勵磁電流跟隨變化，確保開車成功，而在正常運(yùn)行時生產(chǎn)操作人員只需調(diào)一個參量即可。
一、基本數(shù)據(jù)
1、高壓變頻器參數(shù)
型號：HARSVERT—S06/130 1250KVA 6kV 50Hz
生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)：Q/CPBLH003-2004
2、高壓同步電動機(jī)參數(shù)
型號：TDK1000—48 1000kW/125轉(zhuǎn)/分/116.5A，COSΦ=0.9(超前)，ULC=116.5V， ILC=205A
3、CO2活塞式壓縮機(jī)參數(shù)
型號：N—50/200 二氧化碳壓縮機(jī)，排氣量：50米3/分 軸功率880kW，轉(zhuǎn)速：125轉(zhuǎn)/分
吸入絕對壓力：1Kg/cm2，排出絕對壓力：201Kg/cm2，外形：13145×4646×3750
汽缸直徑：920/720/380/210/110（mm），凈重：5000Kg，活塞行程：800mm
1964年，上海大隆機(jī)器廠制造
二、試運(yùn)行試車過程
首先，根據(jù)高壓同步電機(jī)的特點(diǎn)，確定采取帶勵零速變頻啟動的方式，啟動時勵磁電流的選取對于順利啟動非常重要。
活塞壓縮機(jī)負(fù)載在運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩脈動大，而且設(shè)計轉(zhuǎn)速較低。由于負(fù)載的設(shè)計轉(zhuǎn)速越低，電機(jī)級數(shù)就越多，同步電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的圓周幾何空間角等效的電角度越大，例如48極電機(jī)其定子與轉(zhuǎn)子的圓周一周相當(dāng)于24×360=8640º電角度。也就是圓周的1度相當(dāng)于24º電角度，因而同樣的轉(zhuǎn)矩脈動將造成同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電角度更大的擺動，從而導(dǎo)致變頻器輸出電流和輸出功率的更大的波動。
另外，由于活塞式壓縮機(jī)裝有輔助工頻啟動的平衡塊，當(dāng)平衡塊下落時，壓縮機(jī)處于能量回饋狀態(tài)，極容易造成變頻器直流母線過壓。
因此，可以說活塞式壓縮機(jī)的變頻啟動過程是一個較為復(fù)雜的動態(tài)過程，啟動時各參數(shù)的選取將直接影響到啟動的成功與否。
如果采用過大的勵磁電流，在空載輕轉(zhuǎn)矩條件下，平衡塊下落會造成電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，此瞬間同步電機(jī)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)，那么轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩變化將使同步電機(jī)相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由于勵磁電流較大，電機(jī)的氣隙磁場較強(qiáng)，電機(jī)將發(fā)出較大的功率，并通過泵升效應(yīng)使高壓變頻器發(fā)生過電壓故障而跳車。在此我們通過探索和分析，找到了相應(yīng)的途徑并予以解決，使試開車得以進(jìn)一步繼續(xù)。
其次，一旦將高壓變頻器帶電機(jī)啟動到35Hz以上時，壓縮機(jī)將加負(fù)荷，此時隨著電機(jī)定子電流的加大，顯然相應(yīng)的必須調(diào)大轉(zhuǎn)子勵磁電流，這里存在一個勵磁電流過大會造成過電壓，而太小不能及時跟上必須的過轉(zhuǎn)矩又有可能導(dǎo)致同步電機(jī)失步，引起持續(xù)振蕩而過電流跳車。通過摸索我們找到了解決的辦法。根據(jù)以上的分析和前幾次試驗(yàn)的教訓(xùn)制定下面的步驟進(jìn)行開車取得成功。
1.化肥車間#1CO2高壓同步電機(jī)變頻帶工藝負(fù)荷運(yùn)行步驟
1.1根據(jù)從4月12日至17日的包括空載、模擬帶載試驗(yàn)，現(xiàn)化肥車間工藝上同意將#1CO2高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速裝置帶工藝負(fù)荷運(yùn)行。并已落實(shí)到位萬一故障跳車的處理措施預(yù)案，確認(rèn)不會引起生產(chǎn)及設(shè)備的事故。
1.2動力車間已具備好操作票，并將變頻器室安裝好通風(fēng)機(jī)已可以運(yùn)行。高壓同步電機(jī)變頻器生產(chǎn)廠已將變頻器調(diào)試至遠(yuǎn)控遠(yuǎn)調(diào)狀態(tài)。
1.3對超速運(yùn)行時，電機(jī)和壓縮機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和工藝的安全性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，確定在頻率60Hz時電機(jī)和壓縮機(jī)可以穩(wěn)定安全運(yùn)行。根據(jù)工藝需要，調(diào)速范圍基本定在40Hz—60Hz，但允許在需要的情況下降至35Hz，因此，變頻器的輸出頻率最低設(shè)在35Hz。
1.4開停車的主要步驟如下（未提及部分按原操作程序進(jìn)行）：
第一步：加勵磁電流，啟動變頻器，頻率調(diào)至50Hz。
第二步：邊加負(fù)荷邊升勵磁電流（一旦變頻器輸出電流超過130A時，適當(dāng)升10—20A）， 直至加到100%左右的工藝負(fù)荷。（由生產(chǎn)負(fù)荷決定），勵磁電流一般控制在120A。
第三步：按需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)速，勵磁電流按下表給出：
注：輸出電流與勵磁電流應(yīng)配合調(diào)節(jié)，上表為參考，以不大幅度超過為準(zhǔn)。
第四步：關(guān)回流閥，由調(diào)變頻器的頻率來滿足生產(chǎn)負(fù)荷的變化。
第五步：萬一在運(yùn)行過程中發(fā)生跳車，按原操作方法處理。
第六步：正常停車時，將變頻器輸出頻率調(diào)至50Hz，打開5回1閥，待負(fù)荷降至50%，勵磁電流調(diào)到適當(dāng)值，停變頻器。接下去按原步驟停車，最后斷開主開關(guān)。
1.5在試開車時先用#2 CO2機(jī)正常帶負(fù)荷運(yùn)行，啟動#1 CO2高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速機(jī)組開到50Hz并穩(wěn)定運(yùn)行，然后將負(fù)荷慢慢倒到#1 CO2壓縮機(jī)。這之前，#1 CO2壓縮機(jī)的負(fù)荷是一假負(fù)荷，既通過打開1段回1段入口，2段回1段入口，5段回1段入口的方法，相當(dāng)于加滿負(fù)荷運(yùn)行。最后，將1段回1段、2段回1段、5段回1段全關(guān)死。
1.6 正常時工藝參數(shù)如下：
一段入口壓：4KPa，一段出口壓：0.22MPa，、二段出口壓：0.84MPa；
三段出口壓：2.8MPa，四段出口壓：6.6MPa，五段出口壓：20MPa。
2.電氣主回路圖
3.存在問題及分析
3.1開車時要靠人工控制勵磁電流調(diào)節(jié),同時配合負(fù)荷的增加，不當(dāng)時易造成過電壓跳車使開車失敗。
3.2負(fù)荷較輕時，如不及時調(diào)節(jié)勵磁電流，輸入功率擺動太大也會導(dǎo)致過電壓跳車。對此采取了將頻率電壓曲線拉平的辦法盡量予以彌補(bǔ)。
三、運(yùn)行記錄
1、半年以來，我廠根據(jù)生產(chǎn)需要,同時本著盡量多開該套高壓變頻機(jī)組的思路，總計開車時間近三個月，連續(xù)開車最長達(dá)20天。所有記錄均可從高壓變頻器的電腦中調(diào)出。
2、數(shù)據(jù)分析
從該套高壓變頻機(jī)組運(yùn)行記錄并綜合生產(chǎn)工藝的實(shí)際報表看：
（1）采用變頻方式調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷在頻率為47Hz以下時是可以產(chǎn)生節(jié)能效果的，且節(jié)能的數(shù)值與頻率的降低成正比關(guān)系。
（2）受到前級造氣車間的產(chǎn)能限制，CO2最大供氣量大于1臺壓縮機(jī)組的滿載出氣量，小于2臺壓縮機(jī)的滿載出氣量。因此在變頻改造前，當(dāng)尿素產(chǎn)量較大時，一般采用同時開2臺壓縮機(jī)組的運(yùn)行方式，能源消耗較大。變頻改造后，由于可以運(yùn)行至60Hz，使用1臺電機(jī)在不需其它投入的情況時，完全滿足生產(chǎn)，不需再開1臺機(jī)組。盡管高壓變頻器本身有3%左右的損耗，但與增加開1臺機(jī)組比，仍有較好的節(jié)能效果。而且相比于2臺機(jī)組運(yùn)行時需要調(diào)節(jié)2臺機(jī)組的旁路閥門的開度，只需調(diào)節(jié)1臺電機(jī)的運(yùn)行頻率更加方便。
（3）由于可以進(jìn)行用小小的電位器調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷，而不再需要開關(guān)旁路閥，對生產(chǎn)操作人員來講，調(diào)節(jié)更加精確又方便輕松。
四、結(jié)論
1、北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的同步機(jī)高壓變頻器帶高壓同步電機(jī)在我廠驅(qū)動變轉(zhuǎn)矩負(fù)載CO2壓縮機(jī)，經(jīng)我廠有關(guān)技術(shù)人員及生產(chǎn)一線員工的大力配合與努力，開車成功并順利投入生產(chǎn)系統(tǒng)試運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
2、高壓同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速在工藝變動的情況下是可以節(jié)能的，其幅度取決于負(fù)荷，負(fù)荷比較低時更為顯著；負(fù)載較重時，與原先的2臺機(jī)組同時運(yùn)行的方式相比，也有較好的節(jié)能效果。
3、高壓同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和軟啟動有助于避免啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，因而在某些電網(wǎng)限制其啟動電流的工廠，大電機(jī)定子就可以不串液體變阻器直接進(jìn)行啟動，而直接防止串液體變阻器造成啟動轉(zhuǎn)矩小而不能啟動的事件。
4、建議北京利德華福電氣技術(shù)有限公司在同步機(jī)高壓變頻器上作進(jìn)一步的改進(jìn)，一是從根本上解決啟動時過電壓跳車問題，二是設(shè)法對波動的功率角或功率因數(shù)及電機(jī)定子電流進(jìn)行反饋取樣來控制勵磁電流跟隨變化，確保開車成功，而在正常運(yùn)行時生產(chǎn)操作人員只需調(diào)一個參量即可。
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