一、前言
    四川隆昌隆橋化工有限公司是以天然氣為主要原料的化工企業(yè)，其前身是四川省隆昌縣氮肥廠，始建于1970年，占地面積達76600平方米，至今有30多年的化工生產(chǎn)經(jīng)營歷史。目前公司系列化工產(chǎn)品生產(chǎn)能力達到：合成氨6萬噸，農(nóng)用碳酸氫氨10萬噸，工業(yè)用特種氨水3萬噸，高純度食品添加劑二氧化碳2萬噸，塑料制品1000噸，合資生產(chǎn)復混肥料5萬噸。
    目前大型空氣壓縮機是該公司化工生產(chǎn)線中的關鍵設備，其單機耗電量占到企業(yè)總電能消耗的1/3以上。因此，為降低單位產(chǎn)能的耗電量，提高生產(chǎn)效率，響應國家政府節(jié)能降耗的產(chǎn)業(yè)政策,必須采用新技術來改善生產(chǎn)工藝，對傳統(tǒng)型的生產(chǎn)機組進行節(jié)能改造。其關鍵技術就在于，對帶動大型空壓機的高壓同步電機進行變頻調(diào)速技術改造，通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)工藝空氣的流量，達到供需平衡，從而節(jié)省單位生產(chǎn)的耗電量，而且操作方便有效。
    隆橋化工公司于2007年6月，投入了北京合康億盛HIVERT-T06/077（800kVA/6kV）的高壓變頻器一臺,于高壓同步電動機調(diào)速，電機參數(shù)見下表。該同步電動機投入高壓變頻器后，無大電流沖擊,負載運行平穩(wěn),運行頻率連續(xù)可調(diào)。高壓變頻器投入后節(jié)能效果明顯,在滿負荷運行下節(jié)能效果可達到15%以上。
 
表1：設備參數(shù)表  
  
二、活塞式空氣壓縮機的工作原理
    當曲軸旋轉(zhuǎn)時，通過連桿的傳動，活塞做往復運動，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積則會發(fā)生周期性變化?；钊麖?a title="氣缸" target="_blank" >氣缸蓋處開始運動時，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時，氣體即沿著進氣管，推開進氣閥而進入氣缸，直到工作容積變到zui大時為止，進氣閥關閉；活塞反向運動時，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當氣缸內(nèi)壓力達到并略高于排氣壓力時，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運動到極限位置為止，排氣閥關閉。當活塞再次反向運動時，上述過程重復出現(xiàn)?？傊S旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復一次，氣缸內(nèi)相繼實現(xiàn)進氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環(huán)。如下圖所示。


活塞式壓縮機工作原理

三、空壓機工頻定速運行工況介紹
    隆橋化工廠的工藝空氣由兩臺活塞式空壓機并網(wǎng)供給，空氣壓縮機采用四氣缸三段式運行，壓力在1.2MPa左右。生產(chǎn)的工藝空氣分別供給四個負載使用，全負荷的工藝空氣流量為6800Nm3／h，根據(jù)生產(chǎn)需要,平均工藝空氣的需求量在6000-6500Nm3／h之間。變頻器改造前工頻運行時，通過調(diào)節(jié)放空閥門開度來改變主管網(wǎng)所需工藝空氣流量,正常運行時的放氣閥開度為10-35%。工頻運行時，壓縮機始終工作在滿轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，多余的工藝空氣將通過放空閥排空，從而造成大量能源的浪費，并且也縮短了設備的使用壽命。
 

四、空壓機變頻調(diào)速運行的節(jié)能原理
    活塞式空壓機具有恒轉(zhuǎn)矩特性，其軸功率P和流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；當利用變頻器來改變電機的運行頻率，即調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速n，從而調(diào)節(jié)工藝空氣流量Q，達到需求與供給的平衡。其節(jié)電率P％正比于△n％即轉(zhuǎn)速下降的百分數(shù)，節(jié)能效果明顯。 
    調(diào)試過程中，壓縮機運行在25Hz以下時，變頻器輸出電流波動較大。仔細分析波形，其電流值出現(xiàn)周期性的波動，這是由于空氣壓縮機的周期性負載所決定的，當轉(zhuǎn)速下降過多時，要造成出氣的脈動，在40Hz以上時，由于轉(zhuǎn)動的速度高，則這種周期性的波動不太明顯；且活塞式空壓機具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在變頻器輸出整個頻率內(nèi)電流變化不大，因負載損耗也變化不大，所以低頻效率變低；且電機使用的自冷式風冷，在低頻時由于轉(zhuǎn)速的下降，冷卻的效果降低；在因此考慮在低轉(zhuǎn)速時經(jīng)濟運行，并保證設備的安全，故運行的頻率應不低于20Hz。

五、同步電機用高壓變頻器基本原理
    HIVERT—T06/077型同步電機用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路見下圖，由隔離變壓器和功率單元二大部分組成。6kV高壓電經(jīng)過變壓器降壓、移相、隔離后分配給各個功率單元。功率單元為三相輸入全橋整流，通過IGBT逆變后單相輸出，每相相鄰功率單元輸出端串接起來，三相接成星接，實現(xiàn)變頻后的高壓正弦波輸出，直接驅(qū)動高壓同步電機。 


HIVERT-T06 同步機用高壓變頻器主電路圖

電壓疊加圖

    由電氣原理圖可見6KV輸入側(cè)為二極管全波整流36脈沖構成多極移相疊加的整流方式極大地改善網(wǎng)側(cè)的電流波型，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1.0。輸出側(cè)由每個功率單元的L1、L2輸出端子相互串聯(lián)而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波型進行重組，得到階梯的PWM波型，該波型正弦度好，dv/dt小，可以降低輸出諧波及由此引起的電機振動、電機發(fā)熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機的絕緣損壞，無須濾波器。

六、同步電機變頻調(diào)速現(xiàn)場應用情況及調(diào)試情況
    變頻器選用合康HIVERT-T06/077同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，旁路柜XGNPG-7.2方案選用一拖一手動旁路柜，勵磁柜使用原有的勵磁電流柜。


    1. 變頻運行啟動過程：刀閘QS1、QS 2閉合，QS3斷開，變頻器設為遠程控制（變頻器的系統(tǒng)待機輸出接到啟動輸入），勵磁柜處于滅磁狀態(tài)。斷路器QF0合閘，變頻器高壓就緒后，系統(tǒng)待機信號閉合直接啟動電機，經(jīng)過約30秒延時后，勵磁柜自動投勵，將電機牽入同步運行。
    2.變頻運行停機過程：變頻器驅(qū)動同步電機減速至zui低頻率，分斷斷路器QF0，變頻器停止運行，并啟動勵磁柜滅磁。
    3.變頻運行故障處理：變頻器在運行過程中出現(xiàn)重故障時，將立即封鎖輸出，輸出保護信號分斷電源 target=_blank>高壓電源，并啟動勵磁柜滅磁。
    4. 工頻運行：QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機的起動、運行、停車過程按照原來的操作步驟進行。
 
七、變頻改造注意事項  
    1．同步電機由于采用自冷，不允許長時間在低頻下運行，工作下限應不低于20Hz。 
    2．功率選用比空壓機功率大一個等級的變頻器，以免空壓機啟動出現(xiàn)過電流跳閘的情況。