高壓離心機(jī)組變頻器改造技術(shù)分析

呂強(qiáng)

（北京生物制品研究所有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引言

隨著我國社會(huì)的快速發(fā)展，高壓離心機(jī)組變頻器已經(jīng)運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。對高壓離心機(jī)組變頻器進(jìn)行相應(yīng)的改造，不僅節(jié)能減排，還要促進(jìn)能源的有效轉(zhuǎn)化，同時(shí)對改造項(xiàng)目的投資也能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。重視高壓離心機(jī)組變頻器的改造，既可以保證高壓離心機(jī)組變頻器能夠更好地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，而且還可以改善這類工程的建設(shè)效果，并在使用高壓變頻器時(shí)提高潛在價(jià)值，讓它在制造實(shí)踐中可以很好地發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，高壓離心機(jī)組變頻器復(fù)雜性造成其可維護(hù)性較差。因此，必須要對高壓離心機(jī)組變頻器進(jìn)行改造技術(shù)分析，尋找良好的改造技術(shù)和方法，讓高壓離心機(jī)組變頻器能夠更好地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)高壓離心機(jī)組變頻器的發(fā)展。

1 高壓變頻器的原理分析

在這種耐低溫高壓強(qiáng)的大功率直流晶體管不斷快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的市場背景下，許多大型企業(yè)都已經(jīng)開始考慮采用新型高壓直流變頻器，將一臺(tái)高壓變頻電動(dòng)機(jī)與高壓變頻控制器中的輸出信號(hào)進(jìn)行直接并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行速度的自動(dòng)控制。系統(tǒng)一般采用的是主流旁路工頻功率高壓直流旁路功率變頻器，該高壓變壓器包括主流高壓旁路控制柜、功率柜和高壓逆變、蒸餾機(jī)和直流變壓器等，部分以能夠滿足不同客戶實(shí)際應(yīng)用要求的單元件為主要設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)，配備配套的采用主流高壓旁路功率工頻高壓切換柜，一旦主流高壓旁路變頻器在正常工作運(yùn)行中系統(tǒng)發(fā)生故障出現(xiàn)主流旁路工頻問題，可以及時(shí)重新啟動(dòng)旁路切換柜或返回到采用主流旁路工頻高壓旁路平臺(tái)運(yùn)行。功率開關(guān)控制電路單元開關(guān)器件主要包括了IGBT三相逆向開關(guān)電變橋、濾波器和開關(guān)電容器、三相逆變橋式開關(guān)電源管和整流器等，也就是可以直接涉及由它的開關(guān)光纖通信數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理數(shù)據(jù)采集、功率控制單元以及器件的開關(guān)電源和驅(qū)動(dòng)等組成相關(guān)功率控制電路。高壓變頻器的特點(diǎn)如下：①變頻調(diào)速范圍內(nèi)啟動(dòng)時(shí)間短，啟動(dòng)電流小并且啟動(dòng)平穩(wěn)，真正實(shí)現(xiàn)零到全速的平滑無極調(diào)速，對電網(wǎng)及電機(jī)無沖擊，可減少機(jī)械磨損，延長機(jī)械使用壽命；②操作方便維護(hù)簡單，無需設(shè)置調(diào)節(jié)擋板、節(jié)流閥，避免了節(jié)流帶來的能量損耗，只要調(diào)節(jié)頻率即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；③采用變頻調(diào)速不僅降低風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備的故障率，減少維修費(fèi)用的投入，同時(shí)也提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，并且節(jié)電效果明顯。

2 離心機(jī)組變頻器配套設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀況

離心機(jī)組變頻器的夏季運(yùn)行總負(fù)荷量的配置綜合設(shè)計(jì)，一般來說都是按照夏季每條生產(chǎn)線最大運(yùn)行程度負(fù)荷變化運(yùn)行時(shí)的工況，并且還需要同時(shí)預(yù)留一定最大程度的能裕量的總負(fù)荷情況作為設(shè)計(jì)依據(jù)來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)者同時(shí)來說還要根據(jù)夏季每條生產(chǎn)線每個(gè)夏季運(yùn)行工況周期程度負(fù)荷運(yùn)行工況程度變化時(shí)的負(fù)荷情況及每個(gè)夏季運(yùn)行程度周期負(fù)荷工況程度負(fù)荷變化等級評定中的負(fù)荷特殊要求等因素來綜合考慮夏季負(fù)荷量的配置。在實(shí)際的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)應(yīng)用過程管理操作過程中，冷水機(jī)組的內(nèi)部整體工作運(yùn)行和熱處理負(fù)荷長期處于較大動(dòng)態(tài)變化。如每天早晚，每季每月季節(jié)交替，每年每月每季輪回，環(huán)境以及室內(nèi)氣溫都有季節(jié)性的變化等各種因素對變頻機(jī)組的動(dòng)力設(shè)備正常運(yùn)行量和設(shè)備負(fù)荷量的變化速度影響很大。因此，離心機(jī)組變頻器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，能夠決定該設(shè)備是否能夠抵御各種因素的干擾，從而能夠更好地保證電力的正常供給。離心機(jī)組變頻器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀況十分重要，關(guān)乎著離心機(jī)組變頻器的安全運(yùn)行。必須要加強(qiáng)對離心機(jī)組變頻器技術(shù)的研究，提高離心機(jī)組變頻器抗干擾能力，保證離心機(jī)組變頻器能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。電機(jī)都長期固定在高速進(jìn)行工頻冷水運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)下全速定向旋轉(zhuǎn)自動(dòng)運(yùn)行，盡管兩種控制傳動(dòng)系統(tǒng)主要分別采用了自動(dòng)切換扇門和高速換檔電路板自動(dòng)節(jié)流運(yùn)行控制兩種方式，但這種自動(dòng)扇門式可調(diào)節(jié)自動(dòng)節(jié)流控制方式僅僅只是為了有效改變工頻冷水設(shè)備流通的一定流動(dòng)性和阻力，其大部分設(shè)備工作負(fù)載時(shí)間段的正常運(yùn)行效率和管理效率相對較低，造成大量的人力資源、能量消耗或者浪費(fèi)，如果一些新能源機(jī)釆廠沒能及時(shí)采取有效節(jié)流控制措施，提高工頻冷水控制設(shè)備的正常工作運(yùn)行效率和管理效率，減少這部分的用電能源的損耗，則一定會(huì)使其收到很大的經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保效果[1]。

3 離心式冷水機(jī)組變頻器節(jié)能原理分析

變頻器調(diào)速是一種高效而又節(jié)能的可調(diào)速變頻裝置，應(yīng)用廣泛，在不同的變頻應(yīng)用和場合中它可以同時(shí)體現(xiàn)不同的調(diào)速功能，以便于達(dá)到不同的使用目的，同時(shí)還可以有效提高變頻設(shè)備的精確度和控制能力并有效節(jié)約剩余電能，延長變頻設(shè)備產(chǎn)品使用壽命，降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。變頻器除了在環(huán)保節(jié)能上的巨大優(yōu)勢外，它的高速啟動(dòng)控制性能也十分優(yōu)異。在起動(dòng)電機(jī)的軟啟動(dòng)工作過程中，用高壓變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，可以有效克服新型工頻機(jī)車起動(dòng)時(shí)電機(jī)引起的大電流功率過大振動(dòng)造成的內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)沖擊，并大大減少了對進(jìn)入電網(wǎng)及起動(dòng)電機(jī)本身的機(jī)械沖擊，對供電設(shè)備的安全保護(hù)及保證電網(wǎng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行都可以起到很大的促進(jìn)作用。離心式高壓冷水機(jī)組可以采用離式變頻器快速拖動(dòng)，主要從2個(gè)功能方面可以實(shí)現(xiàn)快速節(jié)能：一則是部分較大負(fù)荷冷水運(yùn)行正常狀態(tài)下的快速節(jié)能；二則是低溫度冷卻水一定溫度下的快速節(jié)能。

3.1 部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的節(jié)能

離心式高壓冷水機(jī)組幾乎已經(jīng)有九成的設(shè)備運(yùn)行是長時(shí)間在部分額定負(fù)荷正常工況下的狀態(tài)下運(yùn)行的。一般而言，在部分較大負(fù)荷工作狀態(tài)下，離心式高壓冷水機(jī)組就是可以直接用來調(diào)節(jié)風(fēng)扇導(dǎo)流量和葉片風(fēng)扇開度的一種方式，調(diào)節(jié)整個(gè)離心式冷水機(jī)組的實(shí)際制冷量。在70-90%部分時(shí)間負(fù)荷的溫度時(shí)，其能耗可以直接達(dá)到最高的時(shí)間制冷散熱效率，當(dāng)部分負(fù)荷溫度降低，則每個(gè)單位時(shí)間制冷量的實(shí)際能耗將小幅度地上升。通過配合使用高壓變頻器的調(diào)速控制裝置，能有效優(yōu)化導(dǎo)流電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速和降低導(dǎo)流電機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)開度，讓一臺(tái)離心式高壓冷水機(jī)組的正常運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速盡可能地降低，而使它的節(jié)能環(huán)保效率同時(shí)達(dá)到最高，減小電源能耗[2]。

3.2 離心機(jī)組變頻器節(jié)能改造分析

許多大中型發(fā)電廠已經(jīng)使用頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)來創(chuàng)建節(jié)能技術(shù)的變體。不僅實(shí)際節(jié)能效果明顯，而且系統(tǒng)安全性得到改善，沒有操作風(fēng)險(xiǎn)。本文研究了由節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)換器原理、先進(jìn)技術(shù)、移相變壓器、控制器等國家能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LOVOL系列智能高壓節(jié)能裝置（逆變器）的成熟穩(wěn)定性。高壓驅(qū)動(dòng)器提供模塊化設(shè)計(jì)，出色的兼容性、可維護(hù)性，低噪音，并且不會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對電動(dòng)機(jī)沒有特殊要求。

4 變頻器應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)能原理及效率

機(jī)械設(shè)備在對其本體進(jìn)行部件加工或在設(shè)計(jì)配套專用驅(qū)動(dòng)器的部件及其專用驅(qū)動(dòng)器的特殊工作專用電機(jī)及其動(dòng)力時(shí)，都首先應(yīng)該充分考慮到它是按照其實(shí)際要求進(jìn)行最大化的額定特殊工作專用電機(jī)在其動(dòng)力負(fù)荷承載下的負(fù)荷、在最復(fù)雜的特殊額定操作電機(jī)工況下的額定工作電機(jī)動(dòng)力承載條件下，再適當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要事先為其預(yù)留一定的特殊工作電機(jī)動(dòng)力承載負(fù)荷及其余量后再配套為其專用驅(qū)動(dòng)器的部件加工設(shè)計(jì)[3]。在這種沒有家用電機(jī)頻繁快速直接頻繁啟動(dòng)的正常實(shí)際使用條件情況下，若家用能源電機(jī)系統(tǒng)設(shè)備沒有采用大型直流電源工頻器或高壓起動(dòng)交流電源直接使用起動(dòng)電機(jī)進(jìn)行頻繁快速起動(dòng)時(shí)，因頻繁啟動(dòng)時(shí)的電機(jī)額定電流一般大約為普通家用電機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)時(shí)額定電流的6～7倍，導(dǎo)致額定電流一方面嚴(yán)重的損失會(huì)直接浪費(fèi)電源系統(tǒng)設(shè)備整機(jī)起動(dòng)額定設(shè)備電力，增加系統(tǒng)整機(jī)家用電源系統(tǒng)設(shè)備電能損耗，另一方面也對整個(gè)家用配電站的系統(tǒng)電源設(shè)備和其他大型家用配電站的專用無線網(wǎng)絡(luò)連接造成較大的磁動(dòng)和沖擊，影響整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行使用壽命。而且在實(shí)際當(dāng)中運(yùn)用一臺(tái)自動(dòng)調(diào)速變頻器時(shí)就同樣也可以隨著作為一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)快速電機(jī)的額定電流啟動(dòng)工作頻率不斷加速而隨時(shí)都可以有這種相應(yīng)性直接的自動(dòng)，同時(shí)提高額定電流啟動(dòng)快速電機(jī)工作頻率和額定停機(jī)工作電壓，啟動(dòng)快速電機(jī)上的額定電流被直接地應(yīng)用于容量限制在150%左右的一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)快速啟動(dòng)系統(tǒng)額定電流下，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)平滑快速啟動(dòng)電機(jī)額定啟動(dòng)，啟動(dòng)快速電機(jī)上的額定電流大約可以限制在作為一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)快速啟動(dòng)系統(tǒng)額定電流的1.2～1.5倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩。對于那些需要具有完全采用帶轉(zhuǎn)矩自動(dòng)高速高頻差流穩(wěn)壓電容增加電流變頻器的負(fù)載和帶啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩功能的高速差流電壓增加變頻器，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般可以控制范圍為100%以上，還同樣由于可以輕松實(shí)現(xiàn)具有帶全轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)增加負(fù)載高速變頻啟動(dòng)[4]。

5 結(jié)語

離心式高壓冷水機(jī)組系統(tǒng)采用高速變頻自動(dòng)調(diào)速機(jī)電控制驅(qū)動(dòng)方式并經(jīng)改造后，通過對不同的高溫季節(jié)冷水氣溫及不同的設(shè)備生產(chǎn)負(fù)荷效率需求而及時(shí)自動(dòng)作出相應(yīng)自適應(yīng)的變速調(diào)節(jié)，節(jié)能運(yùn)行效果顯著，同時(shí)也間接性地提高了冷水設(shè)備節(jié)能運(yùn)行管理性能，主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：①在生產(chǎn)負(fù)荷效率低于70%時(shí)的工況節(jié)能運(yùn)行，設(shè)備節(jié)能運(yùn)行管理效率及資源節(jié)能利用效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯；②不斷提高電網(wǎng)設(shè)備的電流啟動(dòng)維護(hù)性能及最大功率驅(qū)動(dòng)因數(shù)，避免大量的電流設(shè)備啟動(dòng)對整個(gè)配電站及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成巨大沖擊，減少對各配電網(wǎng)設(shè)備容量的維護(hù)投入[5]；③為了提高冷水設(shè)備正常運(yùn)行的噪聲機(jī)械振動(dòng)性能，消除傳統(tǒng)離心式高壓冷水機(jī)組設(shè)備運(yùn)行在低溫度負(fù)荷區(qū)域所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲及機(jī)械喘振，延長冷水設(shè)備的連續(xù)使用壽命，間接減少了冷水設(shè)備檢修維護(hù)費(fèi)用，充分滿足了設(shè)備生產(chǎn)工藝中的要求。