中壓變頻器在新疆順丁橡膠裝置后處理中的應(yīng)用

呂文久

(山東齊魯石化工程有限公司，山東淄博 255400)

1 膨脹干燥機負(fù)載特性及變頻調(diào)速的選擇

新疆藍德精細(xì)化工股份有限公司順丁橡膠裝置后處理工段膨脹干燥機額定功率為500 kW，負(fù)載屬于恒轉(zhuǎn)矩性負(fù)載，并且在開、停車和非正常運行時，處理膠量大小以及膠團硬度、黏度的變化都將引起負(fù)載的大幅波動，這就要求膨脹干燥機要有非常快的動態(tài)響應(yīng)，才能使得擠壓出來的膠粒質(zhì)量均勻，達到工藝標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)發(fā)生事故停車時，由于膨脹干燥機內(nèi)膠團溫度的下降，膠團硬度增大，使膠團凝固在膨脹干燥機的螺槽內(nèi)，再次啟動時，需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩，才能帶動螺桿重新轉(zhuǎn)動。

在通過膨脹干燥機處理高容量高分子膠粉時，為了提供速度調(diào)節(jié)和溫度控制過程，并且在改進“重啟”轉(zhuǎn)矩能力時，應(yīng)警示操作員在停止膨脹干燥機時必須完全清除膨脹干燥機內(nèi)的橡膠，在停止喂料后，膨脹干燥機應(yīng)減速運行至少45 s。并且要求啟動、運行平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)速度快，使擠出的膠粒質(zhì)量均勻，生產(chǎn)過程安全，避免重大停車事故發(fā)生，因此，膨脹干燥機采用交流變頻調(diào)速。

根據(jù)膨脹干燥機運行的工況條件及變頻器的特點，部分6 kV等級變頻器容量不能滿足設(shè)備安全運行條件，因此，本工程最終采用高—中變頻調(diào)速控制，即ABB ACS1000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)，膨脹干燥機電機的額定電壓等級由6 kV改為3.3 kV。

交流變頻調(diào)速的特點是效率高，沒有調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速的范圍大、精度高、無級調(diào)速，并可實現(xiàn)電機軟啟動，延長電機使用壽命，減小啟動電流對電網(wǎng)的沖擊?？墒褂媒Y(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、維護方便的鼠籠式電動機，能達到節(jié)電的顯著效果。

2 膨脹干燥機的電機參數(shù)

電機型號，YPKK-450-4;電機功率，500 kW;額定電流，108.2 A;額定電壓，3.3 kV;效率，94%;功率因數(shù)，0.86;防護等級，IP55;頻率，5 ～50 Hz。

3 對變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求

①變頻調(diào)速系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染小、功率因數(shù)高。②共模電壓小，降低電機上的應(yīng)力。③快速控制、轉(zhuǎn)矩波動小。④輸出電壓變化率小，減少對電機絕緣的影響。⑤可靠性高、壽命高、維護簡單。

4 ABB ACS1000系列變頻器性能參數(shù)

變頻器持續(xù)輸出功率，1 100 kVA;變頻器持續(xù)輸出電流，192 A;輸出電壓范圍，0～3.3 kV;輸出頻率范圍，0～±66 Hz;轉(zhuǎn)矩脈動，＜2%;轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間，＜10 ms;最小弱磁點，45 Hz;最大弱磁范圍，1∶1.5;額定負(fù)載下的總體效率，＞97.7%(含輔助電源);輸出電壓和電流諧波畸變，＜2%;控制精度，額定轉(zhuǎn)速的0.1%;冷卻方式，空冷型;短時過載能力，在滿足選型150%過載能力的基礎(chǔ)上，允許短時再過載110%。

5 ABB ACS1000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)概述

變頻調(diào)速系統(tǒng)由主回路斷路器、隔離變壓器、變頻器和電動機等組成。

5.1 隔離變壓器

ACS 1000變頻器必須通過隔離變壓器供電，變壓器二次側(cè)繞阻必須根據(jù)變頻器輸入整流橋脈沖數(shù)的不同提供相位移。對于12脈沖變頻器，變壓器二次側(cè)兩個繞阻之間的相位移位30°。隔離變壓器另一個作用是提供足夠的感抗將電網(wǎng)側(cè)諧波限制在IEEE 519和GB/T 14549標(biāo)準(zhǔn)所要求限值范圍內(nèi)。

圖1 ABB ACS1000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

5.2 ACS 1000變頻器

ACS 1000的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為電壓型三電平IGCT逆變器，適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。ACS 1000采用集成門極換流型晶閘管(IGCT)，其轉(zhuǎn)矩特性和速度特性源自于ABB直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)。ACS 1000變頻器具備完善的接口，可集成到大型過程控制系統(tǒng)中。

5.3 電動機

ACS 1000變頻器在輸出側(cè)配置了正弦波濾波器，無需考慮諧波造成的電動機發(fā)熱降容、電壓反射、共模電壓和容性耦合產(chǎn)生高頻軸承電流問題，不必采用變頻電機，但建議電動機必須根據(jù)負(fù)載的要求選型。

6 系統(tǒng)的特性及對電網(wǎng)、電機的影響

6.1 IGCT大功率半導(dǎo)體器件

采用IGCT大功率半導(dǎo)體器件，整個系統(tǒng)使用器件數(shù)量低，可靠性高，停機時間最短。

6.2 采用DTC控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是交流傳動的一種獨特的電機控制方式，逆變器的開關(guān)狀態(tài)由電機的核心變量磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，測量的電機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入，該模型每25 μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值，電機轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較。依靠來自這兩個比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)。其構(gòu)成及特性如下:模塊由轉(zhuǎn)矩控制器和調(diào)制器構(gòu)成。

圖2 DTC控制技術(shù)示意圖

矩控制周期為25 μs，其響應(yīng)速度是交流傳動的10倍，直流傳動的100倍;高動態(tài)和靜態(tài)精度;快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng);零速滿轉(zhuǎn)矩的高啟動轉(zhuǎn)矩特性，適用于傳送帶設(shè)備和擠壓機應(yīng)用;高過載能力，適用于干燥機應(yīng)用。

通過DTC控制技術(shù)，使整個后處理系統(tǒng)能夠跨越短暫的電網(wǎng)掉電能力，通過快速準(zhǔn)確的過程控制，可實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，原材料浪費小，機械磨損少。

6.3 LC低通正弦波濾波器

標(biāo)準(zhǔn)的ACS 1 000輸出側(cè)配置有一個低通LC正弦波濾波器，采用電流反饋來控制濾波器的運行，根據(jù)設(shè)計允許通過的低頻頻率恰好低于逆變器輸出側(cè)所采用最低的開關(guān)頻率，提高了輸送給電機的電壓和電流的純度。

低通正弦波濾波器的主要作用:消除了諧波造成的發(fā)熱。消除了高頻分量，使發(fā)生在電機輸入端子的電壓反射和相關(guān)聯(lián)的電壓加倍現(xiàn)象不再出現(xiàn)，因此ACS 1000可適用于所有標(biāo)準(zhǔn)高壓繞阻絕緣系統(tǒng)。使高頻共模電壓得到了充分抑制，消除了造成電機軸承損壞的容性耦合高頻電流，不需對電機的絕緣加以特別的考慮。

6.4 無熔斷器設(shè)計

采用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件IGCT作為主電路保護，保護IGCT位于整流器和直流回路之間，并直接將逆變器和主電源隔離，其分?jǐn)鄷r間為25 μs，較傳統(tǒng)的快速熔斷器快100倍，因此，ACS 1000為無需熔斷器保護的高壓變頻器，節(jié)約了投資。

6.5 其他功能

ACS 1000提供完善的繼電保護功能，使整個系統(tǒng)能安全、可靠的運行。

7 實際運行中應(yīng)注意的問題

7.1 加減速時間的控制

按照膨脹干燥機的設(shè)計要求，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須從小量開始穩(wěn)步加量，才能有效控制較穩(wěn)定的壓力和溫度。因此，開車時，逐步增加進入膨脹干燥機入口膠團數(shù)量，要先選擇多組加減速時間，經(jīng)過反復(fù)實驗確認(rèn)，配合其他參數(shù)選擇合適的加速及減速時間，使之能夠非常穩(wěn)定的實現(xiàn)正常開停車。

7.2 合理設(shè)置低頻補償點

低頻補償點的設(shè)置主要考慮負(fù)載的啟動轉(zhuǎn)矩，根據(jù)膨脹干燥機的負(fù)載特性，當(dāng)發(fā)生事故停車時，由于膨脹干燥機內(nèi)膠團溫度的下降，膠團硬度增大，使膠團凝固在膨脹干燥機的螺槽內(nèi)，需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩，才能使電動機再啟動。低頻下轉(zhuǎn)矩提升的原則是在負(fù)載能平穩(wěn)啟動下，應(yīng)盡量調(diào)低些，否則會引起勵磁電流增加太多，引起電動機嚴(yán)重發(fā)熱。所以，合理選擇低頻補償點可減少電機發(fā)熱、降低噪聲。

7.3 多元化控制方式

正常運行操作，現(xiàn)場設(shè)有開、停控制箱，控制室設(shè)有自動聯(lián)鎖開、停，變頻器可以不帶負(fù)荷獨立進行開、停試驗。當(dāng)發(fā)生電氣和生產(chǎn)故障時要求變頻器迅速可靠地制動電動機，以保證工藝和電氣設(shè)備安全。為此，本項目在控制室(DCS)及現(xiàn)場均設(shè)有緊急停車按鈕，并且合理的配合脈動頻率及制動功率，使之能迅速可靠地制動停車。

7.4 節(jié)能方式的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)節(jié)能方式最小磁通是為了保證在滿足電動機正常運行所需磁場強度的情況下，使電動機定子勵磁電流所建立的磁通最小，以減少不必要的能量損失，達到最大的節(jié)能效果。

7.5 繼電保護整定

①過載電流以電動機額定電流的110%進行整定，過載時間應(yīng)選擇避開短時沖擊負(fù)載。②欠載電流按電動機額定電流的10%整定，以用于報警信號。高壓變頻器和高壓電動機在欠載時，電動機和變頻器的效率很低，無功損耗加大，功率因數(shù)降低，應(yīng)避免或縮短欠載運行的時間。③相不平衡限值和接地故障限值分別按電動機額定電流的30%整定。④在初始運行當(dāng)中，中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)進行聯(lián)動調(diào)試，使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。

8 結(jié)束語

在順丁橡膠裝置順利開車并安全運行一年多時間里，介于順丁橡膠物料黏稠特性，對高速轉(zhuǎn)動中的膨脹干燥機磨損較大，與國內(nèi)其他采用液力偶合器的同等規(guī)模裝置相比，采用變頻調(diào)速后，減少了動力損失，電機啟動電流下降明顯;正常運行時也不需要高壓蒸汽輔助加熱來保證工藝操作參數(shù)，節(jié)能效果顯著。通過對轉(zhuǎn)速調(diào)整，操作簡單靈活，反應(yīng)時間快，易與DCS系統(tǒng)構(gòu)成自動控制回路，提高了自動化控制水平。另外采用ACS 1000型無諧波中壓變頻器為核心構(gòu)成的螺桿調(diào)速系統(tǒng)在諧波污染、共模電壓、噪聲等各項電氣技術(shù)指標(biāo)均達到國家標(biāo)準(zhǔn)。由于變頻調(diào)速精確，動態(tài)響應(yīng)快，確保了新疆順丁項目一次開車成功，并迅速達到設(shè)計能力。與同規(guī)模新建順丁裝置相比，其他裝置由于液力偶合器調(diào)速性能不足等原因，造成裝置開車延遲3天，由此一項即可節(jié)省約1 170萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。