摘要:本文介紹了ABB 公司的ACS1000高壓變頻器在石化廠富氣壓縮機上的應用，并簡要介紹了變頻器的結構、特點、系統實現方案、調試。 關鍵字：高壓變頻（中壓變頻）、直接轉矩控制（DTC）、IGCT、石化、壓縮機 一、 前言 隨著電力電子技術與變流技術的發展，高壓大容量變頻調速技術在國內外得到了長足的發展和廣泛的應用，特別是高壓變頻用于拖動大功率風機、泵等設備時節能效果顯著，經濟效益可觀。石化廠焦化車間催化裂化裝置富氣壓縮機是該裝置的關鍵設備，因工藝要求需要調速，傳統的調速方式采用透平機，占地面積大，效率低，隨著高壓大容量變頻調速技術的發展，高壓變頻器已得到了廣泛的應用。焦化富氣在壓縮機運行過程中，分子量變化大，壓縮機轉速高，最高轉速達12000轉/分鐘以上，對變頻器動態性能要求高，針對武漢石化焦化車間催化裂化裝置富氣壓縮機，我們經綜合考查，考慮到當前最先進高壓變頻器的已投運使用情況、性價比、電機適應能力、動態響應速度、體積、冷卻方式、輸入輸出波形情況、噪音指標等因素，最終在此項目中選擇了ABB 公司的ACS1000系列12脈沖水冷型直接轉矩控制高壓變頻器。 二、 ACS1000的主要特點 　世界電氣巨子ABB公司生產的ACS1000系列高壓變頻器屬直接高－高型高壓變頻器，功率范圍315KW——5000KW，輸出電壓等級有2.3，3.3，4.16KV，當接6KV電壓等級電機時，需將電機改成三角形接法。3.3KV電壓等級的變頻器，容量在2150KVA及以下的變頻器采用風冷，容量在2150KVA及以上的變頻器采用水冷。 [align=center] 圖一[/align] 　 ACS1000高壓變頻器對電機和電機電纜無特殊要求，也無需電機降容使用，完全適用國產電機；ACS1000高壓變頻器元件少，結構緊湊，體積小，系統集成簡單；ACS1000采用了功率器件IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor 集成門換流晶閘管），IGCT快速、均衡換流，內在低損耗， ACS1000是電壓源型變頻器，直接采用IGCT高壓功率器件，與其它拓補結構的變頻器相比，大大減少了功率器件數量，主回路原理圖如圖一所示，結構更簡單，效率更高，可靠性也高了許多。 ACS1000的直流回路采用IGCT代替熔斷器作為變頻器主回路的保護，IGCT分斷時間是25μs，比傳統的熔斷器快1000倍，大大提高了關斷速度，從而提高保護的可靠性。IGCT 還具有以下優點： ① 續流二極管集成在同一芯片上 ② 不需緩沖電路 ③控制門電路與功率元件集成于一體 ④可靠性極高（元件總數少） ⑤ 功率密度高（元件總數少而且損耗低） ACS1000采用直接轉矩控制（DTC）技術, 不需要在電機軸上安裝脈沖編碼器而具有精確的速度和轉矩控制，DTC能在零轉速時輸出滿轉矩。在DTC中，定子磁通和轉矩作為主要控制變量，通過高速的數字信號處理器，將電機運行實際值與參考值不斷的進行比較，實現對逆變器中的每個開關狀態進行分別確定，這樣傳動裝置始終處于最佳開關組合，從而對負載突變或電源干擾所引起的動態變化作出快速的響應。 三、 系統的構成及特點 如圖二所示，變頻調速系統由工/變頻高壓進線柜、12脈沖隔離變壓器、ACS1013-W1-T0高壓變頻器、高壓切換柜、PLC控制箱和國產2200KW電機構成。 1、工頻進線高壓柜作為變頻回路故障狀態下保證電機和壓縮機運行的后備保證，正常情況下由變頻進線柜向變頻器供電，變頻器進線高壓柜必須由變頻器控制其分合閘。 2、12脈沖隔離變壓器由國內生產，變壓器有2個次級繞組，一個為Y接法，一個為Δ接法，兩繞組同相間有30。相位差。采用了12脈沖隔離變壓器的ACS1000變頻器已滿足了IEEE519－1992和UK G.5/3中對電壓和電流諧波的要求。 3、高壓切換柜是配合電機工/變頻切換之用，當高壓真空接觸器KM2、 KM3閉合時，電機為Δ接法,此時電機額定電壓3.465KV，當要求電機工頻運行時，高壓真空接觸器KM1、KM4閉合，電機連接到電網，直接通過工頻進線柜由工頻直接啟動。 4、PLC控制箱主要負責各邏輯連鎖以及與壓縮機DCS系統進行通訊。當變頻器就緒和工頻進線合閘后，若DCS系統發出機組啟動信號，則高壓切換柜KM2、KM3合閘，切換柜自動投入變頻運行方式，機組自動優先啟動變頻器運行。變頻調速系統采用閉環控制，由壓縮機DCS控制系統輸出速度給定值（4～20mA）給變頻器，由變頻器驅動電動機平滑啟動，同時變頻器輸出電機的運行/停止、故障、運行、電機電流、功率、水溫等信號給DCS系統。 當變頻進線高壓柜處于分閘位置或變頻器故障時，若DCS系統發出機組啟動信號，則高壓柜KM1、KM4合閘，切換柜自動投入工頻運行方式，機組進入工頻運行狀態。PLC輸出機組工頻運行等信號給DCS系統。 5、水冷系統：變頻器標準配置采用水冷方式，比較風冷方式的變頻器而言，水冷型變頻器具有以下優點： ①水冷系統可保證整個系統工作在最佳溫度點，而風冷系統對外界環境波動敏感，不易保持在最佳工作點。對于電子控制系統，工作在最佳溫度點意味著高可靠性和最長的使用壽命。 ②水冷系統對環境要求低，而空冷系統對環境要求高，變頻系統最佳工作點在0～40℃，2200KW變頻器的效率為98%也即意味著有44KW的熱量需要散發，風冷系統將此44KW的熱量排走需用一大容量的空調設備，投資大，長期運行費用高。 ③風冷系統靠外風循環，對室內環境要求嚴格，灰塵很容易在高壓變頻器內元器件和過濾網上集結，容易造成故障， 也勢必增加設備維護量。 ④水冷系統不需要大功率的冷卻風機，因此噪音小，而空冷系統噪音大。 ⑤由于ACS1000對外循環水系統的水質要求不高，可充分利用石化廠生產裝置循環冷卻水，無需額外投資。 ACS1000水冷系統分冷卻水和循環水，冷卻水和循環水是分離的兩回路，冷卻水將變頻器功率器件產生的熱量與外部循環水通過熱交換器的熱交換將變頻器產生的熱量帶走，變頻器在輔助電源上電后自動檢測冷卻水電導率，當電導率超過變頻器設定的電導率指標時，自動啟動水冷系統除離子設備工作。 6、變頻節能與防喘振協調控制：具有駝峰型特性的大容量壓縮機的喘震問題是系統設計必須考慮的重要問題，變頻器正常工作時，系統通過變頻調速與防喘振的協調控制，盡可能減少氣體回流量，同時確保流量大于安全操作線流量（如圖三所示），使系統不發生喘震現象，做到良好的節能與防喘振協調控制效果。 圖中P2/P1為壓縮機出口絕壓與入口絕壓之比，Q為壓縮機流量。 四、 系統調試 系統的聯調 1、 系統常規檢查：ACS1000高壓變頻器因在出廠前做了嚴格的空載和帶載測試，使得在現場調試上電前的檢查工作非常簡單，通常的檢查工作有外觀和外部線路連接檢查、邏輯檢查、IGCT檢查、變頻器整體對地直流耐壓試驗等。 2、 變頻器上電：上電后變頻器自動啟動風機和內部循環水除離子回路工作，內循環水的電導率是變頻器允許MCB合閘的條件之一， 3、 作為常規調試的一部分，電動機要進行ID辨識運行。將電動機銘牌上的電動機基本數據輸入到變頻器之后，以手動方式啟動電動機ID辨識運行。ID運行一旦開始，整個識別運行將全自動進行。在ID辨識運行期間，變頻器通過監測電動機對所施加的電源的響應建立精確的電動機模型，DTC控制器就是利用在個模型精確地擴展變頻器和電動機的運行。 整個ID辨識識別運行大約需要2分鐘。 電動機可以在帶負載的情況下作ID辨識識別運行；但為了取得最佳的效果，須將負載脫離。 4、 空載和帶載運行：由于該變頻器是電壓型變頻器，與電流型變頻器相比，無需對不同負載條件下的變頻器參數反復調整，調試也顯簡單,在實際帶電運行調試時,先空負荷運行,然后帶負荷運行并調整相關參數至最佳值即可. 在調試過程中,我們用裝有DRIVE WINDOW軟件的筆記本電腦記錄了變頻器啟動和運行過程的有關參數曲線,如圖四。 [align=center] 圖四 1為直流側電壓，2為電機磁通，3為電機速度，4為電機電流，5為電機力矩[/align] 五、 調試中出現的問題及處理 在實際調試過程中，調試工作基本很順利,但由于對石化廠已有冷卻水系統了解不夠,也曾出現變頻器因水溫過高而跳閘，后經現場觀察分析，發現因循環水采用裝置冷卻水（圖五），雖然,外循環冷卻水入口壓力達到0.45 Mpa,但出水口采用背壓回流,表面上看似壓力很高,但實際裝置冷卻水出入口壓差不足0.1Mpa，外循環冷卻水的流量不足以帶走變頻器的實際發熱量,后對外循環冷卻水入口壓力進行倍壓,方解決了問題。在選擇水冷型變頻器時，應事前對變頻器的發熱量，尤其是原有工廠冷卻水系統做細致的水質分析、管路走向和距離摸底。 六、 結論 已經投運的富氣壓縮機變頻調速系統，動態響應快，運行穩定，能夠完全滿足富氣壓縮機系統的嚴格調速要求。在實際正常生產運行過程中，變頻器輸出功率僅為電機額定功率的60％左右，節電效果非常顯著，在同類應用情況下，有著很好的示范、推廣應用價值。 [參考資料] 1、《ACS1000 技術樣本》 北京ABB傳動系統有限公司 2、《ACS1000 User Manual》 ABB Industrie AG 3、《ACS1000 Water Cooling Unit》 ABB Industrie AG 4、《高壓大容量風機和泵類設備的變頻節能與防喘振控制》 羅自永 李瑞常等《電氣傳動》2000年增刊 [作者簡介] 李瑞常 （1965——）男 1990年東北大學碩士研究生畢業，主要方向為交流變頻調速技術，現任中國電工技術學會電控系統與裝置委員會委員、中國自動化學會電氣自動化專委會委員、深圳市節能專家小組專家委員、深圳市庫馬克新技術有限公司總經理。 張 超 （1976——） 男 1997年華中理工大學電氣技術專業畢業，主要從事工業自動化設計工作