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利德华福高压变频器驱动带变转矩负载同步电机运行情况总结
 
浙江巨化股份有限公司合成氨厂机动科主任工程师 方蔚

  2006年4月18日,北京利德华福电气技术有限公司制造的同步机高压变频器在我厂驱动CO2压缩机同步电机开车成功并投入生产系统试运行。我厂的CO2压缩机为变转矩负载,高压变频器用于变转矩负载的高压同步电机调速填补了我国在高压同步电机调速方面的空白。由于众所周知的原因,行业中习惯的认为变转矩负载的高压同步电机难以进行软启动和调速。但是另一方面,生产过程中又要求对这类负载进行调速,便于进行生产负荷的调整和节能。因此,变转矩负载的高压同步电机调速就成了行业中一直以来想要解决的问题。在此,就该现场试运行的有关情况作简要介绍:
一、基本数据
1、高压变频器参数
  型号:HARSVERT—S06/130 1250KVA 6kV 50Hz
  生产标准:Q/CPBLH003-2004
2、高压同步电动机参数
  型号:TDK1000—48 1000kW/125转/分/116.5A,COSΦ=0.9(超前),ULC=116.5V, ILC=205A
3、CO2活塞式压缩机参数
  型号:N—50/200 二氧化碳压缩机,排气量:50米3/分 轴功率880kW,转速:125转/分
  吸入绝对压力:1Kg/cm2,排出绝对压力:201Kg/cm2,外形:13145×4646×3750
  汽缸直径:920/720/380/210/110(mm),净重:5000Kg,活塞行程:800mm
  1964年,上海大隆机器厂制造

二、试运行试车过程
  首先,根据高压同步电机的特点,确定采取带励零速变频启动的方式,启动时励磁电流的选取对于顺利启动非常重要。
  活塞压缩机负载在运行时转矩脉动大,而且设计转速较低。由于负载的设计转速越低,电机级数就越多,同步电机定子与转子的圆周几何空间角等效的电角度越大,例如48极电机其定子与转子的圆周一周相当于24×360=8640o电角度。也就是圆周的1度相当于24o电角度,因而同样的转矩脉动将造成同步电机的转子电角度更大的摆动,从而导致变频器输出电流和输出功率的更大的波动。
  另外,由于活塞式压缩机装有辅助工频启动的平衡块,当平衡块下落时,压缩机处于能量回馈状态,极容易造成变频器直流母线过压。
  因此,可以说活塞式压缩机的变频启动过程是一个较为复杂的动态过程,启动时各参数的选取将直接影响到启动的成功与否。
  如果采用过大的励磁电流,在空载轻转矩条件下,平衡块下落会造成电机转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线,此瞬间同步电机相当于同步发电机,那么转子的转矩变化将使同步电机相当于同步发电机运行,由于励磁电流较大,电机的气隙磁场较强,电机将发出较大的功率,并通过泵升效应使高压变频器发生过电压故障而跳车。在此我们通过探索和分析,找到了相应的途径并予以解决,使试开车得以进一步继续。
  其次,一旦将高压变频器带电机启动到35Hz以上时,压缩机将加负荷,此时随着电机定子电流的加大,显然相应的必须调大转子励磁电流,这里存在一个励磁电流过大会造成过电压,而太小不能及时跟上必须的过转矩又有可能导致同步电机失步,引起持续振荡而过电流跳车。通过摸索我们找到了解决的办法。根据以上的分析和前几次试验的教训制定下面的步骤进行开车取得成功。
1.化肥车间#1CO2高压同步电机变频带工艺负荷运行步骤
  1.1根据从4月12日至17日的包括空载、模拟带载试验,现化肥车间工艺上同意将#1CO2高压同步电机变频调速装置带工艺负荷运行。并已落实到位万一故障跳车的处理措施预案,确认不会引起生产及设备的事故。
  1.2动力车间已具备好操作票,并将变频器室安装好通风机已可以运行。高压同步电机变频器生产厂已将变频器调试至远控远调状态。
  1.3对超速运行时,电机和压缩机的机械强度和工艺的安全性进行了详细的研究,确定在频率60Hz时电机和压缩机可以稳定安全运行。根据工艺需要,调速范围基本定在40Hz—60Hz,但允许在需要的情况下降至35Hz,因此,变频器的输出频率最低设在35Hz。
  1.4开停车的主要步骤如下(未提及部分按原操作程序进行):
  第一步:加励磁电流,启动变频器,频率调至50Hz。
  第二步:边加负荷边升励磁电流(一旦变频器输出电流超过130A时,适当升10—20A), 直至
加到100%左右的工艺负荷。(由生产负荷决定),励磁电流一般控制在120A。
  第三步:按需要进行适当调速,励磁电流按下表给出:

给定频率(Hz) 60 55 50 45 40 35
励磁电流(A) 120 115 110 105 100 95
输出电流(A) 105 100 90 80 70 30
注:输出电流与励磁电流应配合调节,上表为参考,以不大幅度超过为准。
  第四步:关回流阀,由调变频器的频率来满足生产负荷的变化。
  第五步:万一在运行过程中发生跳车,按原操作方法处理。
  第六步:正常停车时,将变频器输出频率调至50Hz,打开5回1阀,待负荷降至50%,励磁电流调到适当值,停变频器。接下去按原步骤停车,最后断开主开关。
  1.5在试开车时先用#2 CO2机正常带负荷运行,启动#1 CO2高压同步电机变频调速机组开到50Hz并稳定运行,然后将负荷慢慢倒到#1 CO2压缩机。这之前,#1 CO2压缩机的负荷是一假负荷,既通过打开1段回1段入口,2段回1段入口,5段回1段入口的方法,相当于加满负荷运行。最后,将1段回1段、2段回1段、5段回1段全关死。
  1.6 正常时工艺参数如下:
    一段入口压:4KPa,一段出口压:0.22MPa,、二段出口压:0.84MPa;
    三段出口压:2.8MPa,四段出口压:6.6MPa,五段出口压:20MPa。
2.电气主回路图
3.存在问题及分析
  3.1开车时要靠人工控制励磁电流调节,同时配合负荷的增加,不当时易造成过电压跳车使开车失败。
  3.2负荷较轻时,如不及时调节励磁电流,输入功率摆动太大也会导致过电压跳车。对此采取了将频率电压曲线拉平的办法尽量予以弥补。

三、运行记录
1、半年以来,我厂根据生产需要,同时本着尽量多开该套高压变频机组的思路,总计开车时间近三个月,连续开车最长达20天。所有记录均可从高压变频器的电脑中调出。
2、数据分析
从该套高压变频机组运行记录并综合生产工艺的实际报表看:
  (1)采用变频方式调节生产负荷在频率为47Hz以下时是可以产生节能效果的,且节能的数值与频率的降低成正比关系。
  (2)受到前级造气车间的产能限制,CO2最大供气量大于1台压缩机组的满载出气量,小于2台压缩机的满载出气量。因此在变频改造前,当尿素产量较大时,一般采用同时开2台压缩机组的运行方式,能源消耗较大。变频改造后,由于可以运行至60Hz,使用1台电机在不需其它投入的情况时,完全满足生产,不需再开1台机组。尽管高压变频器本身有3%左右的损耗,但与增加开1台机组比,仍有较好的节能效果。而且相比于2台机组运行时需要调节2台机组的旁路阀门的开度,只需调节1台电机的运行频率更加方便。
  (3)由于可以进行用小小的电位器调节生产负荷,而不再需要开关旁路阀,对生产操作人员来讲,调节更加精确又方便轻松。

四、结论
  1、北京利德华福电气技术有限公司的同步机高压变频器带高压同步电机在我厂驱动变转矩负载CO2压缩机,经我厂有关技术人员及生产一线员工的大力配合与努力,开车成功并顺利投入生产系统试运行,运行稳定、可靠。
  2、高压同步电机进行变频调速在工艺变动的情况下是可以节能的,其幅度取决于负荷,负荷比较低时更为显著;负载较重时,与原先的2台机组同时运行的方式相比,也有较好的节能效果。
  3、高压同步电机进行变频调速和软启动有助于避免启动电流对电网的冲击,因而在某些电网限制其启动电流的工厂,大电机定子就可以不串液体变阻器直接进行启动,而直接防止串液体变阻器造成启动转矩小而不能启动的事件。
  4、建议北京利德华福电气技术有限公司在同步机高压变频器上作进一步的改进,一是从根本上解决启动时过电压跳车问题,二是设法对波动的功率角或功率因数及电机定子电流进行反馈取样来控制励磁电流跟随变化,确保开车成功,而在正常运行时生产操作人员只需调一个参量即可。
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