呂文久

(山東齊魯石化工程有限公司，山東淄博 255400)

1 膨脹干燥機(jī)負(fù)載特性及變頻調(diào)速的選擇

新疆藍(lán)德精細(xì)化工股份有限公司順丁橡膠裝置后處理工段膨脹干燥機(jī)額定功率為500 kW，負(fù)載屬于恒轉(zhuǎn)矩性負(fù)載，并且在開、停車和非正常運(yùn)行時(shí)，處理膠量大小以及膠團(tuán)硬度、黏度的變化都將引起負(fù)載的大幅波動(dòng)，這就要求膨脹干燥機(jī)要有非常快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，才能使得擠壓出來的膠粒質(zhì)量均勻，達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)發(fā)生事故停車時(shí)，由于膨脹干燥機(jī)內(nèi)膠團(tuán)溫度的下降，膠團(tuán)硬度增大，使膠團(tuán)凝固在膨脹干燥機(jī)的螺槽內(nèi)，再次啟動(dòng)時(shí)，需要很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，才能帶動(dòng)螺桿重新轉(zhuǎn)動(dòng)。

在通過膨脹干燥機(jī)處理高容量高分子膠粉時(shí)，為了提供速度調(diào)節(jié)和溫度控制過程，并且在改進(jìn)“重啟”轉(zhuǎn)矩能力時(shí)，應(yīng)警示操作員在停止膨脹干燥機(jī)時(shí)必須完全清除膨脹干燥機(jī)內(nèi)的橡膠，在停止喂料后，膨脹干燥機(jī)應(yīng)減速運(yùn)行至少45 s。并且要求啟動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，使擠出的膠粒質(zhì)量均勻，生產(chǎn)過程安全，避免重大停車事故發(fā)生，因此，膨脹干燥機(jī)采用交流變頻調(diào)速。

根據(jù)膨脹干燥機(jī)運(yùn)行的工況條件及變頻器的特點(diǎn)，部分6 kV等級(jí)變頻器容量不能滿足設(shè)備安全運(yùn)行條件，因此，本工程最終采用高—中變頻調(diào)速控制，即ABB ACS1000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)，膨脹干燥機(jī)電機(jī)的額定電壓等級(jí)由6 kV改為3.3 kV。

交流變頻調(diào)速的特點(diǎn)是效率高，沒有調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速的范圍大、精度高、無級(jí)調(diào)速，并可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，減小啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。可使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用、維護(hù)方便的鼠籠式電動(dòng)機(jī)，能達(dá)到節(jié)電的顯著效果。

2 膨脹干燥機(jī)的電機(jī)參數(shù)

電機(jī)型號(hào)，YPKK-450-4;電機(jī)功率，500 kW;額定電流，108.2 A;額定電壓，3.3 kV;效率，94%;功率因數(shù)，0.86;防護(hù)等級(jí)，IP55;頻率，5 ～50 Hz。

3 對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求

①變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小、功率因數(shù)高。②共模電壓小，降低電機(jī)上的應(yīng)力。③快速控制、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。④輸出電壓變化率小，減少對(duì)電機(jī)絕緣的影響。⑤可靠性高、壽命高、維護(hù)簡(jiǎn)單。

4 ABB ACS1000系列變頻器性能參數(shù)

變頻器持續(xù)輸出功率，1 100 kVA;變頻器持續(xù)輸出電流，192 A;輸出電壓范圍，0～3.3 kV;輸出頻率范圍，0～±66 Hz;轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，＜2%;轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間，＜10 ms;最小弱磁點(diǎn)，45 Hz;最大弱磁范圍，1∶1.5;額定負(fù)載下的總體效率，＞97.7%(含輔助電源);輸出電壓和電流諧波畸變，＜2%;控制精度，額定轉(zhuǎn)速的0.1%;冷卻方式，空冷型;短時(shí)過載能力，在滿足選型150%過載能力的基礎(chǔ)上，允許短時(shí)再過載110%。

5 ABB ACS1000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)概述

變頻調(diào)速系統(tǒng)由主回路斷路器、隔離變壓器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等組成。

5.1 隔離變壓器

ACS 1000變頻器必須通過隔離變壓器供電，變壓器二次側(cè)繞阻必須根據(jù)變頻器輸入整流橋脈沖數(shù)的不同提供相位移。對(duì)于12脈沖變頻器，變壓器二次側(cè)兩個(gè)繞阻之間的相位移位30°。隔離變壓器另一個(gè)作用是提供足夠的感抗將電網(wǎng)側(cè)諧波限制在IEEE 519和GB/T 14549標(biāo)準(zhǔn)所要求限值范圍內(nèi)。

圖1 ABB ACS1000系列變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

5.2 ACS 1000變頻器

ACS 1000的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為電壓型三電平IGCT逆變器，適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。ACS 1000采用集成門極換流型晶閘管(IGCT)，其轉(zhuǎn)矩特性和速度特性源自于ABB直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)。ACS 1000變頻器具備完善的接口，可集成到大型過程控制系統(tǒng)中。

5.3 電動(dòng)機(jī)

ACS 1000變頻器在輸出側(cè)配置了正弦波濾波器，無需考慮諧波造成的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱降容、電壓反射、共模電壓和容性耦合產(chǎn)生高頻軸承電流問題，不必采用變頻電機(jī)，但建議電動(dòng)機(jī)必須根據(jù)負(fù)載的要求選型。

6 系統(tǒng)的特性及對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)的影響

6.1 IGCT大功率半導(dǎo)體器件

采用IGCT大功率半導(dǎo)體器件，整個(gè)系統(tǒng)使用器件數(shù)量低，可靠性高，停機(jī)時(shí)間最短。

6.2 采用DTC控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是交流傳動(dòng)的一種獨(dú)特的電機(jī)控制方式，逆變器的開關(guān)狀態(tài)由電機(jī)的核心變量磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，測(cè)量的電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入，該模型每25 μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實(shí)際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較。依靠來自這兩個(gè)比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)狀態(tài)。其構(gòu)成及特性如下:模塊由轉(zhuǎn)矩控制器和調(diào)制器構(gòu)成。

圖2 DTC控制技術(shù)示意圖

矩控制周期為25 μs，其響應(yīng)速度是交流傳動(dòng)的10倍，直流傳動(dòng)的100倍;高動(dòng)態(tài)和靜態(tài)精度;快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng);零速滿轉(zhuǎn)矩的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，適用于傳送帶設(shè)備和擠壓機(jī)應(yīng)用;高過載能力，適用于干燥機(jī)應(yīng)用。

通過DTC控制技術(shù)，使整個(gè)后處理系統(tǒng)能夠跨越短暫的電網(wǎng)掉電能力，通過快速準(zhǔn)確的過程控制，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，原材料浪費(fèi)小，機(jī)械磨損少。

6.3 LC低通正弦波濾波器

標(biāo)準(zhǔn)的ACS 1 000輸出側(cè)配置有一個(gè)低通LC正弦波濾波器，采用電流反饋來控制濾波器的運(yùn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)允許通過的低頻頻率恰好低于逆變器輸出側(cè)所采用最低的開關(guān)頻率，提高了輸送給電機(jī)的電壓和電流的純度。

低通正弦波濾波器的主要作用:消除了諧波造成的發(fā)熱。消除了高頻分量，使發(fā)生在電機(jī)輸入端子的電壓反射和相關(guān)聯(lián)的電壓加倍現(xiàn)象不再出現(xiàn)，因此ACS 1000可適用于所有標(biāo)準(zhǔn)高壓繞阻絕緣系統(tǒng)。使高頻共模電壓得到了充分抑制，消除了造成電機(jī)軸承損壞的容性耦合高頻電流，不需對(duì)電機(jī)的絕緣加以特別的考慮。

6.4 無熔斷器設(shè)計(jì)

采用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件IGCT作為主電路保護(hù)，保護(hù)IGCT位于整流器和直流回路之間，并直接將逆變器和主電源隔離，其分?jǐn)鄷r(shí)間為25 μs，較傳統(tǒng)的快速熔斷器快100倍，因此，ACS 1000為無需熔斷器保護(hù)的高壓變頻器，節(jié)約了投資。

6.5 其他功能

ACS 1000提供完善的繼電保護(hù)功能，使整個(gè)系統(tǒng)能安全、可靠的運(yùn)行。

7 實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)注意的問題

7.1 加減速時(shí)間的控制

按照膨脹干燥機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須從小量開始穩(wěn)步加量，才能有效控制較穩(wěn)定的壓力和溫度。因此，開車時(shí)，逐步增加進(jìn)入膨脹干燥機(jī)入口膠團(tuán)數(shù)量，要先選擇多組加減速時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，配合其他參數(shù)選擇合適的加速及減速時(shí)間，使之能夠非常穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)正常開停車。

7.2 合理設(shè)置低頻補(bǔ)償點(diǎn)

低頻補(bǔ)償點(diǎn)的設(shè)置主要考慮負(fù)載的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)膨脹干燥機(jī)的負(fù)載特性，當(dāng)發(fā)生事故停車時(shí)，由于膨脹干燥機(jī)內(nèi)膠團(tuán)溫度的下降，膠團(tuán)硬度增大，使膠團(tuán)凝固在膨脹干燥機(jī)的螺槽內(nèi)，需要很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，才能使電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)。低頻下轉(zhuǎn)矩提升的原則是在負(fù)載能平穩(wěn)啟動(dòng)下，應(yīng)盡量調(diào)低些，否則會(huì)引起勵(lì)磁電流增加太多，引起電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱。所以，合理選擇低頻補(bǔ)償點(diǎn)可減少電機(jī)發(fā)熱、降低噪聲。

7.3 多元化控制方式

正常運(yùn)行操作，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有開、?？刂葡?，控制室設(shè)有自動(dòng)聯(lián)鎖開、停，變頻器可以不帶負(fù)荷獨(dú)立進(jìn)行開、停試驗(yàn)。當(dāng)發(fā)生電氣和生產(chǎn)故障時(shí)要求變頻器迅速可靠地制動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以保證工藝和電氣設(shè)備安全。為此，本項(xiàng)目在控制室(DCS)及現(xiàn)場(chǎng)均設(shè)有緊急停車按鈕，并且合理的配合脈動(dòng)頻率及制動(dòng)功率，使之能迅速可靠地制動(dòng)停車。

7.4 節(jié)能方式的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)節(jié)能方式最小磁通是為了保證在滿足電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行所需磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，使電動(dòng)機(jī)定子勵(lì)磁電流所建立的磁通最小，以減少不必要的能量損失，達(dá)到最大的節(jié)能效果。

7.5 繼電保護(hù)整定

①過載電流以電動(dòng)機(jī)額定電流的110%進(jìn)行整定，過載時(shí)間應(yīng)選擇避開短時(shí)沖擊負(fù)載。②欠載電流按電動(dòng)機(jī)額定電流的10%整定，以用于報(bào)警信號(hào)。高壓變頻器和高壓電動(dòng)機(jī)在欠載時(shí)，電動(dòng)機(jī)和變頻器的效率很低，無功損耗加大，功率因數(shù)降低，應(yīng)避免或縮短欠載運(yùn)行的時(shí)間。③相不平衡限值和接地故障限值分別按電動(dòng)機(jī)額定電流的30%整定。④在初始運(yùn)行當(dāng)中，中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試，使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。

8 結(jié)束語

在順丁橡膠裝置順利開車并安全運(yùn)行一年多時(shí)間里，介于順丁橡膠物料黏稠特性，對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的膨脹干燥機(jī)磨損較大，與國(guó)內(nèi)其他采用液力偶合器的同等規(guī)模裝置相比，采用變頻調(diào)速后，減少了動(dòng)力損失，電機(jī)啟動(dòng)電流下降明顯;正常運(yùn)行時(shí)也不需要高壓蒸汽輔助加熱來保證工藝操作參數(shù)，節(jié)能效果顯著。通過對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)整，操作簡(jiǎn)單靈活，反應(yīng)時(shí)間快，易與DCS系統(tǒng)構(gòu)成自動(dòng)控制回路，提高了自動(dòng)化控制水平。另外采用ACS 1000型無諧波中壓變頻器為核心構(gòu)成的螺桿調(diào)速系統(tǒng)在諧波污染、共模電壓、噪聲等各項(xiàng)電氣技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由于變頻調(diào)速精確，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，確保了新疆順丁項(xiàng)目一次開車成功，并迅速達(dá)到設(shè)計(jì)能力。與同規(guī)模新建順丁裝置相比，其他裝置由于液力偶合器調(diào)速性能不足等原因，造成裝置開車延遲3天，由此一項(xiàng)即可節(jié)省約1 170萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。