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(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，分析了變頻系統(tǒng)的工作原理和生產(chǎn)工藝，結(jié)果表明安邦信高壓變頻器已經(jīng)完全能滿(mǎn)夠足國(guó)內(nèi)較高要求用戶(hù)的需求，完全能夠替代國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，可以達(dá)到有效節(jié)能和降低設(shè)備投資的目的。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器 石化行業(yè) 冷卻風(fēng)機(jī) 節(jié)能

1. 簡(jiǎn)介

　　深圳安邦信電子有限公司高壓變頻器的主要特點(diǎn)

　　·國(guó)產(chǎn)高壓變頻知名品牌，可靠性極高，超過(guò)四年的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，適合電廠、鋼廠、水泥、石化等應(yīng)用

　　·采用全數(shù)字無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)，控制精度高，響應(yīng)速度快，大大優(yōu)于普通的V/F控制技術(shù)

　　·性能優(yōu)異，輸入和輸出諧波極少(36脈沖整流、13電平逆變)

　　·內(nèi)部變壓器為干式，絕緣等級(jí)為H級(jí)，高于普通的F 級(jí)，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單

　　·適應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)要求，電網(wǎng)電壓最多可下降至65%，變頻器仍能繼續(xù)工作而不跳機(jī)

　　·電壓源型高壓變頻器、幾乎在整個(gè)速度段輸入功率因素大于0.96

　　·體積(包括變壓器在內(nèi))最小，土建成本低

　　·高-高結(jié)構(gòu)，直接輸出6KV高壓，不對(duì)電機(jī)作任何改動(dòng)

　　·單元故障自動(dòng)旁路功能，保證用戶(hù)生產(chǎn)的安全和可靠

　　·中文PC操作界面，給用戶(hù)帶來(lái)方便

　　·變頻器效率高，高于98.5%

　　·防護(hù)等級(jí)高IP30，高于普通的IP20，對(duì)用戶(hù)的環(huán)境要求低

　　·環(huán)境濕度可達(dá)95%

　　·安邦信公司在全國(guó)設(shè)有10個(gè)辦事處和22個(gè)代表處，24小時(shí)響應(yīng)用戶(hù)任何需要

　　·安邦信公司業(yè)績(jī)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、火電、水泥、石化和供水行業(yè)，業(yè)績(jī)顯著，運(yùn)行可靠，給用戶(hù)帶來(lái)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2. 安邦信公司多單元串聯(lián)高壓變頻器原理

　　多單元串聯(lián)高壓變頻采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，包括國(guó)產(chǎn)電機(jī)。

　　高壓變頻器的系統(tǒng)圖如下：

圖1 安邦信高壓變頻器系統(tǒng)示意圖

　　功率單元結(jié)構(gòu)：

圖2 功率單元結(jié)構(gòu)示意圖

　　6KV電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6KV輸出電壓等級(jí)為例，每相由6個(gè)額定電壓為630V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達(dá)3780V，線電壓達(dá)6.6KV，每個(gè)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(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)于6KV電壓等級(jí)變頻而言，就是36脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，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(shù)可達(dá)到0.96以上。下圖為該變頻器的輸入電壓、電流。

圖3 變頻器輸入電壓及電流

　　逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，6KV輸出相當(dāng)于13電平，輸出電壓非常接近正弦波，dv/dt很小。

　　電平數(shù)的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)，不需要輸出濾波器。下圖為變頻器輸出電壓電流波形。

圖4 電機(jī)輸入線電壓及電流

　　與采用高壓器件直接串聯(lián)的變頻器相比，由于不是采用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個(gè)功率單元串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，可直接使用低壓功率器件，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠。

　　功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)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(yīng)用。

　　高壓變頻器主回路及系統(tǒng)組成

　　對(duì)于蘭州石化煉油廠冷卻風(fēng)機(jī)項(xiàng)目，安邦信公司根據(jù)用戶(hù)實(shí)際工況要求提供我公司生產(chǎn)的多單元串聯(lián)矢量控制高壓變頻器。

　　該系列變頻采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，包括國(guó)產(chǎn)電機(jī)。

冷卻風(fēng)機(jī)變頻器一次圖

　　變頻設(shè)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(nèi)部含測(cè)溫元件

　　保護(hù)等級(jí)IP30，整個(gè)變頻系統(tǒng)采用空冷，柜外采用空調(diào)冷卻

　　高壓柜門(mén)保護(hù)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(jié)構(gòu)，6KV直接輸出，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)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(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶(hù)只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號(hào)線即可。整套系統(tǒng)在出廠前進(jìn)行整體測(cè)試

　　·36脈沖整流輸入符合并優(yōu)于IEEE519～1992及GB/T14519～93標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓失真和電流失真最嚴(yán)格的要求

　　·在20～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過(guò)0.96的功率因數(shù)(無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置)

　　·無(wú)需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用。具有軟起動(dòng)功能，沒(méi)有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行

　　·變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%?？杀苊怙L(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能

　　·變頻裝置對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度無(wú)任何要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響

　　·變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒(méi)有6KV高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試

　　·控制采用無(wú)速度傳感器矢量控制，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%

　　·變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，電壓低于35%仍可降額運(yùn)行

　　·變頻器效率為98.5%

　　·控制系統(tǒng)采用全數(shù)字微機(jī)控制，有自診斷功能

　　·電機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化

　　·變頻器功率單元和主控系統(tǒng)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(dòng)旁路功能，當(dāng)單元出現(xiàn)故障時(shí)，仍能保證系統(tǒng)運(yùn)行

　　·控制系統(tǒng)具有在線檢測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速等

　　·頻率精度：±0.5%(所有因素下)

　　·過(guò)載能力為120%，1min，滿(mǎn)足泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)荷要求

　　·調(diào)速范圍：0-100%連續(xù)可調(diào)

　　·加/減速時(shí)間0.1-3600 秒 (根據(jù)負(fù)載情況可設(shè)定)

　　·輸出頻率0-120HZ(根據(jù)電機(jī)情況可設(shè)定)

　　·環(huán)境溫度為-15～+40°C，95%相對(duì)濕度，海拔1000米以下

　　·變頻器抗地震能力為7級(jí)，振動(dòng)0.5G

　　·臨界速度可跳過(guò)(共3組，可任意設(shè)定)

　　·用戶(hù)可調(diào)的數(shù)字表，可顯示速度，電流，電壓，功率，用電度數(shù)等

　　變頻器控制接口(可按用戶(hù)要求擴(kuò)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(jī)電壓和頻率等指示信號(hào)(可擴(kuò)展)

　　·10點(diǎn)開(kāi)關(guān)量無(wú)源輸入：自動(dòng)起動(dòng)/停止，手動(dòng)起動(dòng)/停止，緊停，復(fù)位等

　　·10點(diǎn)開(kāi)關(guān)量無(wú)源輸出：變頻器就緒，運(yùn)行，故障等 (容量220VAC/5A)

　　·4點(diǎn)開(kāi)關(guān)量無(wú)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(shù)通過(guò)通訊接口傳送至PLC或DCS

　　結(jié)構(gòu)

　　·變頻器的功率單元為模塊化設(shè)計(jì)，可以從機(jī)架上抽出，移動(dòng)和更換，所有單元可以互換，更換單元不須專(zhuān)用工具，更換一個(gè)單元的時(shí)間一般小于10分鐘

　　·逆變器側(cè)采用高開(kāi)關(guān)頻率的IGBT器件，保證良好的輸出波形

　　·輸入側(cè)的隔離變壓器能保護(hù)電機(jī)不受共模電壓的影響

　　·整個(gè)變頻系統(tǒng)內(nèi)部采用空冷，外部采用空調(diào)冷卻

　　保護(hù)

　　·變頻裝置有過(guò)電壓，過(guò)電流，欠電壓，缺相，變頻器過(guò)載，變頻器過(guò)熱，電機(jī)過(guò)載，輸出接地，輸出短路等保護(hù)功能

　　·變頻裝置有隔離變壓器的各種保護(hù)

　　·變頻器帶轉(zhuǎn)速跟蹤再起動(dòng)功能

　　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

　　設(shè)備安裝完成后，安邦信公司負(fù)責(zé)檢查設(shè)備內(nèi)部接線及與外部接線、確保調(diào)試成功。變頻裝置能在標(biāo)書(shū)規(guī)定條件下經(jīng)受長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)。

　　測(cè)量變頻器輸入、輸出電壓和電流波形以及諧波含量(電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)、頻率在25Hz時(shí)、頻率在38Hz時(shí)、頻率在50Hz時(shí))

　　電機(jī)啟動(dòng)性能試驗(yàn)，啟動(dòng)電機(jī)，觀察變頻器輸出線電流波形和幅值，檢查電機(jī)的啟動(dòng)性能要求起動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)距大，保證電機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)

　　頻率(或轉(zhuǎn)速)調(diào)節(jié)范圍測(cè)試：測(cè)試最高頻率(或轉(zhuǎn)速)和最低頻率(或轉(zhuǎn)速)

　　電機(jī)振動(dòng)測(cè)試分別測(cè)試電機(jī)兩端軸向、垂直徑向和水平徑向共6點(diǎn)的振動(dòng)幅值

　　節(jié)電效果測(cè)試：在調(diào)速狀態(tài)和異步運(yùn)行工況下，測(cè)試節(jié)電效果

　　功率因數(shù)測(cè)試：在調(diào)速狀態(tài)測(cè)試變頻器輸入功率因數(shù)

　　靜態(tài)精度測(cè)試(閉環(huán)控制的速度偏差)：在冷態(tài)情況下測(cè)試電動(dòng)機(jī)頻率變化，每點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為5min

　　輸出電壓不對(duì)稱(chēng)度測(cè)試：測(cè)試三相線電壓

　　效率試驗(yàn)：變頻器效率為輸出和輸入有功功率之比

　　諧波測(cè)試：按GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》及IEEE519-1992國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定測(cè)試

3. 變頻方案

　　蘭州石化煉油廠冷卻風(fēng)機(jī)安裝于其重要的循環(huán)冷卻系統(tǒng)上，電機(jī)型號(hào)為：355KW/6KV，4極電機(jī)，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(shè)備配備了檢修和維護(hù)用的手動(dòng)旁路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。整個(gè)系統(tǒng)由1臺(tái)高壓變頻柜、1臺(tái)控制柜、1臺(tái)變壓器柜、一臺(tái)旁路柜、一臺(tái)電機(jī)及一臺(tái)風(fēng)機(jī)組成，下圖為冷卻風(fēng)機(jī)變頻方案一次圖。

圖5 冷卻風(fēng)機(jī)變頻方案一次圖

　　圖5中共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機(jī)械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當(dāng)QS1、QS2閉合，QS3斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài);當(dāng)QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)高壓變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

　　安裝變頻器后，由DCS系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)節(jié)計(jì)算，輸出4~20mA模擬電流信號(hào)發(fā)給變頻器，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)送風(fēng)量的目的，滿(mǎn)足運(yùn)行工況的要求。

　　采用變頻調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒(méi)有任何沖擊，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

4. 結(jié)論

　　蘭州石化煉油廠循環(huán)冷卻風(fēng)機(jī)采用安邦信高壓變頻調(diào)速后，調(diào)速準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠，節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，得到用戶(hù)的好評(píng)。