1、550kW/10kV同步電機(jī)變頻節(jié)能改造The Energy-saving transform of the inverter in synchronism motor 550KW/10kV 吳加強(qiáng) 成都 佳靈電氣制造有 限公司 四川 成都610041 Wu jiaqiang (Chengdu Jialing Electric manufacture corporation Chengdu city Sichuan 610041) 摘要：現(xiàn)階段采用 IGBT 電壓型高 壓變頻器實(shí)現(xiàn)高壓同步電機(jī)的速度及位置開(kāi)環(huán)控制是很困難的。本文根據(jù)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)工況，提 出了采用專(zhuān)用的JCS型IGBT高壓變頻器，實(shí)

2、現(xiàn)高壓同步電機(jī)拖動(dòng)活塞式空壓機(jī)的變頻調(diào)速 改造，取得了良好的運(yùn)行效果和節(jié)能效果。關(guān)鍵詞：高壓同步電機(jī)；高壓變頻器；速度和 位置開(kāi)環(huán)控制；勵(lì)磁；恒壓力；節(jié)能 Abstract: It difficult of Adopt HV inverter realize HV synchronous speed and position of synchronism motor open-loop controls at the present. Customers on-the-spot operating mode of the foundation of this paper, has propos

3、ed adopting the special Model JCS IGBT HV inverter, realize HV synchronous motor pull piston type frequency conversion of air compressor adjust and transform rapidly, have made the good operation result and energy-saving result. Keyword: HV Synchronous motor; HV inverter; speed and position open-loo

4、p control; Excitation; constant pressure; Energy-saving1、前言現(xiàn)階段采用IGBT電壓型高壓變頻器實(shí)現(xiàn)高壓同步電機(jī)的速度、位置開(kāi) 環(huán)控制是很困難的；目前在國(guó)內(nèi)基本應(yīng)用無(wú)相關(guān)案例。我們根據(jù)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)工況， 提出了采用專(zhuān)用的JCS型IGBT高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了高壓同步電機(jī)拖動(dòng)活塞式空 壓機(jī)的變頻調(diào)速改造，取得了良好的運(yùn)行效果和節(jié)能效果。包頭鋁廠電解四公 司空壓車(chē)間現(xiàn)有五臺(tái)活塞式空壓機(jī)，主要用于為后級(jí)生產(chǎn)設(shè)備提供高壓氣源，其 適配電機(jī)為T(mén)K550-12/1430(10kV/550kW)同步電機(jī)。正常生產(chǎn)時(shí)，五臺(tái)空壓機(jī)三 用兩備。工藝要求設(shè)備恒壓力運(yùn)行

5、，風(fēng)壓在0.5-0.6Mpa之間。實(shí)際上，在工頻 條件下，設(shè)備往往運(yùn)行在低于0.45Mpa，高于0.8Mpa的風(fēng)壓范圍，不能滿(mǎn)足正 常的生產(chǎn)工藝要求，生產(chǎn)用風(fēng)量極不穩(wěn)定。風(fēng)壓調(diào)節(jié)采用風(fēng)門(mén)手動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣的 運(yùn)行操作方式，既耗能又操作慢而復(fù)雜。風(fēng)壓高時(shí)將風(fēng)門(mén)開(kāi)度增大，并及時(shí)排空 降壓，反之減小；當(dāng)后級(jí)設(shè)備用風(fēng)量需求大時(shí)，開(kāi)三臺(tái)空壓機(jī)且要求風(fēng)門(mén)開(kāi)度很 小才能滿(mǎn)足要求，而用風(fēng)量小時(shí)則開(kāi)兩臺(tái)空壓機(jī)就能滿(mǎn)足要求。由于該系統(tǒng)負(fù)荷 變化范圍較大，采用變頻調(diào)速具有很大的改造節(jié)能空間。2、節(jié)能分析空壓機(jī) 是耗電量大的機(jī)械流體性質(zhì)設(shè)備。采用不同的流量調(diào)節(jié)方式，所耗的電能不同； 風(fēng)機(jī)為典型的平方減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，下面以風(fēng)機(jī)

6、的工作特性來(lái)分析節(jié)能原理。風(fēng)機(jī) 的電動(dòng)機(jī)軸功率P與其流量Q，風(fēng)壓H之間的關(guān)系式如下：PQXH當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1、n2時(shí)，流量Q1變化到Q2，此時(shí)Q、H、P相對(duì)于轉(zhuǎn)速的關(guān)系：Q2 = Q1X(n2/n1)(1) H2 =H1X(n2/n1)2(2) P2=P1 X(n2 / n1) 3(3) 由式(1) (2) (3)式可以看出，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)流量，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的2次 方成正比，風(fēng)機(jī)軸功率(功率輸出)與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，從理論上講，速度 降低10%時(shí)會(huì)帶來(lái)30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可獲得顯著 的節(jié)能效果顯著。下表為調(diào)速后與調(diào)速前功率理論比值表：n2/n1 100% 90

7、% 85% 80% 70% 60% 50% P2 / P1 100% 73% 61.4% 51% 34% 21.6% 13.0% 節(jié) 電 率 027%38.6%49%66%78.4%87%(a)(b)壓力轉(zhuǎn)速N2時(shí)轉(zhuǎn)速N1時(shí) 阻力曲線0 Q1 H1 H2功率P轉(zhuǎn)矩T功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比 轉(zhuǎn) 矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比0 Q2轉(zhuǎn)速100% 圖1(a)風(fēng)機(jī)的壓力與流量的關(guān)系曲 線 圖1(b)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線 根據(jù)上述的節(jié)能分析表明，采用變頻 調(diào)速方式，是空壓機(jī)節(jié)能最為理想的方式。3、技術(shù)方案選型經(jīng)過(guò)與包鋁廠的 相關(guān)專(zhuān)家反復(fù)論證，決定對(duì)該同步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，以達(dá)到節(jié)能和風(fēng)量自 動(dòng)調(diào)節(jié)的目的

8、。選用成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的JCS-10kV/630kWIGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器。 JCS-IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器，是采用成熟的低壓 變頻器技術(shù)拓?fù)浞桨福⒘藢?zhuān)有的和最新的控制技術(shù)理論綜合控制模型，是世 界上IGBT高壓變頻器中，唯一無(wú)輸入、輸出主變壓器的高效產(chǎn)品，其全系統(tǒng)效 率N98%。JCS-IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器，其優(yōu)點(diǎn)在于：1.對(duì)同步電機(jī)，采 用了先進(jìn)的無(wú)速度傳感器和位置傳感器的開(kāi)環(huán)調(diào)速控制方式。2.具有轉(zhuǎn)速給 定和預(yù)設(shè)定方式的同步化F/U與勵(lì)磁電流A比例下的加速、運(yùn)行、減速的同步 電機(jī)的運(yùn)行特性。可避免采用其它方式的高壓變頻器，因電機(jī)失步產(chǎn)生的能量， 而造成變頻

9、器故障保護(hù)、跳閘、甚至模塊爆炸的嚴(yán)重后果。3.由于高壓變頻 器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)輸入、輸出變壓器;所以故障點(diǎn)也大大減少，整個(gè)系統(tǒng)效率N98%。采用正弦濾波技術(shù)和抗共模技術(shù)。使輸出電壓、電流為正弦濾波，大大提高 了輸出波形質(zhì)量，輸出電壓諧波小于3%；特有的抗共模技術(shù)使整個(gè)系統(tǒng)的共模 電壓及輸出dv/dt值完全符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)。獲得普通的高壓電機(jī)在實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào) 速的功能時(shí)，并能保持了原電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能和絕緣性能、溫升范圍。 對(duì)于同步電機(jī)系統(tǒng)，這一條件更為重要，它可有效地避免諧波造成的脈動(dòng)失步。系統(tǒng)自帶專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高壓開(kāi)關(guān)柜，可實(shí)現(xiàn)工頻旁路，檢修方便，一旦出現(xiàn)故 障，可讓電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)切換到工頻運(yùn)行。

10、6.具有全中文操作界面，彩色觸摸 屏操作、設(shè)定、監(jiān)察。具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能、啟停電機(jī)和全面的 故障監(jiān)控、具有可靠的故障報(bào)警和完善的保護(hù)功能。7.變頻器具有過(guò)電壓、 過(guò)電流、欠電壓、短路、接地、過(guò)載、過(guò)熱、電機(jī)過(guò)熱、IGBT橋臂等保護(hù)功能； 一旦出現(xiàn)故障，變頻器將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，所有故障情況，均在中文界面上顯 示出來(lái)，便于用戶(hù)根據(jù)故障情況采取相應(yīng)的排除措施。8.高壓主電路與低壓 控制電路之采用光纖傳輸，安全隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定。9. JCS高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。10.整個(gè)系 統(tǒng)體積小，重量輕，減小了基建的投資。4、運(yùn)行節(jié)能效果550kW/

11、10kV同步 電機(jī)的IGBT高壓變頻器節(jié)能改造系統(tǒng)己投入生產(chǎn)運(yùn)行。變頻器可作軟啟動(dòng)裝置， 其性能是非常理想的，并可實(shí)現(xiàn)軟起、軟停；JCS型IGBT高壓變頻器系統(tǒng)具有 自動(dòng)位置檢測(cè)，電壓、頻率、勵(lì)磁協(xié)調(diào)模式起動(dòng)，保持了電機(jī)的同步性。實(shí)際運(yùn) 行中無(wú)過(guò)流現(xiàn)象，啟動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，無(wú)大的電氣和機(jī)械沖擊；降低了電機(jī) 溫度和機(jī)械磨損，延長(zhǎng)了空壓機(jī)使用壽命，減少了活塞式空壓機(jī)系統(tǒng)的維修率。 同步電機(jī)運(yùn)行頻率在3540Hz，使用調(diào)速范圍寬。從活塞式空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行情 況來(lái)看，使用變頻器控制的空壓機(jī)在40Hz運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)電流顯示為21A左右； 用工頻50Hz運(yùn)行的空壓機(jī)電流為30A左右;兩者風(fēng)壓都能滿(mǎn)足后級(jí)設(shè)備的用風(fēng)。 通過(guò)在兩臺(tái)空壓機(jī)都裝上電度表進(jìn)行節(jié)電率的實(shí)際檢測(cè)。運(yùn)行7天后，工頻運(yùn)行 的空壓機(jī)電度表顯示為17.4，變頻運(yùn)行電度表顯示為12.1，電度表的倍率為 5000/100，經(jīng)過(guò)對(duì)比檢測(cè)： 節(jié)電率：n%=(14.7 X 5000-10.0 X 5000)/(14.7 X 5000)=32%。年節(jié)電度數(shù)：550kWX24X365X32%=1540449kWh 年節(jié)電費(fèi)用： 0.283元kWhX 1540449kWh=435947元 5、結(jié)論 通過(guò)對(duì)包鋁四公