合成驰放气改造中变频器的选用

中海石油化学股份有限公司  王培磊

0 引言

近年来, 在大型工厂中通用变频器以其智能化、数字化、网络化、节能等优点被广泛应用。随厂型规模的日趋大型化,变频设备的功率随之增大。某厂在一期合成驰放气系统改造中选用变频器控制电机运转, 驱动压缩机为驰放气增压, 达到了较好的效果。

1 改造目的

改造的工艺流程中由于从氢回收系统回收的驰放气压力降低, 设计要求新增压缩机将驰放气提压后进入回收单元。根据工艺的要求, 驰放气要增压0.8MPa, 排气量为30984km3 /h,故选用机组是2D20- 6 /102- 110- BX 往复式驰放气压缩机, 曲轴转速368r /min, 机组传动电机选用YAPT450L- 16WTH 型增安型三相异步电动机, 电机技术参数为: 额定电压380VAC、额定功率200kW、额定转速375r /min; 考虑到节能和调速的特点, 选用变频器控制电机转速, 实际选用ATV 68 C33N4型大容量三相异步电动机用高性能磁通矢量变频器。

2 变频器原理

( 1) 交流电动机的同步转速表达式为:

n=60f( 1- s) /p ( 1)

式中f———电源频率; p———电机极对数;s———电机转差率; n———电机转速。

由式( 1) 可知, 转速n 与频率f 成正比, 当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时, 电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的, 是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

( 2) 根据电机理论有:

E1=4.44f1N1Фm ( 2)

式中E1———定子每相电势有效值(V) ;f1———定子供电电源频率(Hz) ;

N1———定子绕组有效匝数;Фm———定子磁通(Wb) 。

由式( 2) 可分为2 种情况分析:

① 在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速。由式( 2) 可知, 要保证电机输出转矩不变, 必须保证Фm 不变,即E1 /f1=常数, 如忽略定子绕组的漏磁阻抗压降, 可认为定子相电压U1≈E1, 即U1 /f1=常数。

② 在频率高于定子供电的额定电源频率时属恒功率调速。变频器输出频率f1 提高, 但是输出电压由电网决定, 不能继续提高。根据式( 2) , E1 不能变, f1 提高必然使Фm 下降, 造成电机输出转矩下降, 但转速升高, 且转矩与转速的乘积没变,而转矩与转速的乘积表征着功率, 从而实现恒功率调速。

但在实际应用过程中, 考虑到Y 型电动机的过载系数为2.2, 当电机要超额定转速驱动负载, 如果能容许因弱磁过载系数下降, 恒功率的转矩线可以保持到a 点( 转速高一些) , 再提高转速, 转矩线则要下降, 如图1 中的曲线5。如果保持过载系数为2.2, 则从超额转速开始, 实际的转矩曲线应该低于恒功率曲线, 如图1 中曲线6, 如果电压有波动( 允许±7%) , 转矩线还要下降, 按下降电压的平方下降。

由以上分析得知变频器对异步电动机调速时, 输出频率和电压是按一定规律改变的, 在额定频率以下, 变频器输出电压随输出频率升高而升高, 即变压变频调速(VVVF) 。而在额定功率以上, 电压不变, 只改变频率。

在实际应用过程中, 多数变频调速都是用于额定频率以下, 低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降。采用矢量控制技术、直接转矩控制技术等方式, 来动态的改变变频器输出电压、输出相位或输出频率。上述分析中的异步电机变频调速控制特性、恒压频比控制见图1、图2。

( 3) 变频器的基本电路如图3 所示, 它由4 部分组成, 分别是整流部分、滤波部分、逆变部分和控制电路。

3 设计选型原则

3.1 基本参数选择

( 1) 额定电压: 变频器额定工作电压应不小于电源额定电压, 即U≥400V。ATV 68 工作电压的范围是三相380～500VAC。

( 2) 额定电流: 其额定输出电流应大于负载电机的额定电流, 这点尤为重要, 不能简单地依照变频器容量选择。电机的额定电流为484A, ATV 68 额定电流为617A。

( 3) 变频器容量: 其额定功率应大于负载电机, 还要根据电机的负荷类型分轻过载应用和重过载应用。变频器容量宜比电机容量大一级, 即250kW。

( 4) 负载匹配: 负载转矩特性大体分3 种恒转矩负载、风机泵类负载和恒功率负载, 压缩机选择通用风机泵类负载变频器, 即ATV68 能满足工艺要求。

( 5) 通讯要求: 变频器如果是采用现场总线控制方式, 还要根据控制主机的要求选用不同的总线接口。变频器支持多种通讯方案Fipio, Profibus, Modbus 等, 目前应用的变频器暂时没有采用现场总线控制, 但考虑以后可能改造, 所以要求变频器预留通讯方式。

3.2 附件选型

( 1) 滤波器对于小功率( 110kW及以下) 变频器, 其谐波干扰较轻, 各变频器厂家一般在其变频模块内已做处理, 不需另配滤波器; 对大功率的变频模块, 滤波器为必配附件, 一般选用同品牌专用滤波器, 包括进线滤波器和出线滤波器; 输入滤波器仅在TN 和TT 供电系统才能使用。

( 2) 电抗器选配变频器配套的线路电抗器和电机电抗器。

( 3) 对于制动电阻等附件, 应根据工艺要求选配。

4 Altivar68 33N4 变频器的特点

目前, 市场上的变频器品牌较多, 其中Altivar68 33N4 变频器具有如下特点:

( 1) 降低电机启动电流和配电容量, 避免增容投资。在电网上直接启动电动机, 其容量不得大于电网容量的15～20%( 变频器电源取自AM- SBL- 02A, 进线变压器容量为1250kVA) , 另外选用Altivar68 33N4 变频器后可把变压器的容量下降至传统驱动方式时的40～50%。

( 2) 降低启动机械应力, 减小直接起动带来的机械冲力和因冲力而引起传动机械的磨损, 延长电机及相关设备的寿命。

( 3) 全数字开放式操作显示键盘和屏幕, 操作简便灵活,便于故障诊断, 启动参数可视负载调整, 以达到{zj0}启动效果。备有外控端子, 可方便实现异地控制或自动控制。

( 4) 软起动、软停车, 能根据需要对电机调速, 集各种保护( 如过热保护、欠压保护等) 、自诊断功能, 易于改善工艺、保护设备。

( 5) 高度集成的微处理器控制系统, 集成式PID 控制器,采用磁通矢量控制方式, 内建xx电机模型, 能为电机提供高精度的速度控制和转矩, 支持多种通讯方案, 性能可靠。

( 6) 支持多种通讯方案, 包括Fipio、Profibus、Modbus 等, 可与各种PLC 通讯, 方便组成自动化控制网络。

( 7) 根据生产需要, 在Altivar68 33N4 变频器里设定了欠压、过载、过热、缺相等保护停机; 并且在变频器前安装了线路电抗器, 减少了谐波电流的影响, 增强了系统的抗干扰能力。

5 变频器的应用

5.1 变频器投用效果

( 1) 变频器投入运行后, 相对于不使用变频器节能效果达20%左右, 电机的功率因数为0.97, 减少了无功补偿的需求。

( 2) 驰放气输出压力有效的控制在11MPa 以下, 有效避免突然启动对管网和阀门及其它设备的冲击。

( 3) 由于能根据负载调节机组的转速, 更好地降低能耗,相应的延长了管网、气泵零部件, 特别是密封件的寿命。

5.2 变频器投用注意事项

ATV 68 变频器是电子装置, 内含电子元件机电解电容等, 温度对其寿命影响较大, 所以应定期清洗或替换安装于机罩内的过滤网和清扫柜体内外的灰尘, 保证空气畅顺; 定期检查端子、模块的连接, 确保接触良好。

5.3 故障分析

该厂采用的ATV 68 投入使用2 年多来, 运行基本稳定,但仍出现过1 次故障跳车: 在电机正常运行过程中突然跳车,但变频器显示正常, 未发出报警信息, 系统电压正常, 未出现

晃电。停电后发现主控制回路熔断器烧坏, 检查控制回路绝缘为零, {zh1}确定是散热风扇烧坏短路导致主控制回路熔断器断开, 最终造成主回路接触器失电跳开。经过工作人员的努

力, 从主控制回路熔断器上端增加1 个熔断器专为散热风扇供电, 从而解决了变频器稳定运行的一个安全隐患。

6 结束语

ATV 68 变频器投入使用以来, 达到了预想的节能和调速的效果, 在散热风扇跳开关的问题解决之后, 再未出现因设备故障而造成的跳车事故, 得到了工艺操作人员的好评, 也为驰放气改造的成功提供了保障。

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