黃林，王鵬

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川 成都 610100）

近年來(lái)，技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)了很多領(lǐng)域的發(fā)展，在石油化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用，該種調(diào)速方式具有較好的節(jié)能效益，在一定程度上突破了傳統(tǒng)調(diào)速方式的局限性，因此，變頻器調(diào)速已成為當(dāng)前電動(dòng)機(jī)調(diào)速的重要趨勢(shì)。調(diào)速方式的轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ǔ潭壬蠝p少了調(diào)速的能源消耗，變頻器的變頻調(diào)速控制具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有利于促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于石油化工企業(yè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案

在當(dāng)前變頻器使用范圍越發(fā)普遍的今天，同時(shí)，石油化工企業(yè)中各種設(shè)施的發(fā)展對(duì)功率的要求也在逐漸地提升。這樣一來(lái)，就給相應(yīng)的電氣設(shè)計(jì)人員以及使用人員帶去了一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題：一些功率較大的設(shè)備基本上在整體的電氣系統(tǒng)運(yùn)行中占據(jù)著十分重要的地位，因?yàn)槠渥陨淼闹匾潭纫簿蛯?dǎo)致對(duì)其可靠性的要求相當(dāng)之高，變頻器的使用可以很輕松的達(dá)成無(wú)級(jí)調(diào)速的目標(biāo)，但變頻器自身就是一個(gè)包含著數(shù)量眾多的電子元件的獨(dú)立電氣系統(tǒng)，變頻器的安全性對(duì)于整體的電氣系統(tǒng)安全性能有著最為直接的影響。會(huì)發(fā)生二者之間的沖突。當(dāng)前對(duì)于這種問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)了一些相應(yīng)的解決方案。接下來(lái)就是將某電廠的循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)作為例子進(jìn)行相應(yīng)的分析，該電廠因?yàn)楣に囆枰獙?duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)速，這個(gè)循環(huán)水泵的額定電壓為6kV，功率大小是5600kW。該電廠在對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的變頻器的安全性能進(jìn)行全面調(diào)研以及自身實(shí)際調(diào)速需求的前提下，最終采用的變頻器與旁路相結(jié)合的方式來(lái)達(dá)到水泵的調(diào)速目標(biāo)。在整體的設(shè)計(jì)方案中，旁路方案主要是在主要的變頻調(diào)速工作的基礎(chǔ)上加上一回路工頻旁路，主要是為了保障在變頻器發(fā)生故障后可以做到變頻器的切換，并且在這里的系統(tǒng)中需要保障變頻與工頻之間保持一種互鎖狀態(tài)。只有當(dāng)變頻器整體產(chǎn)生故障后才可以使用工頻繼續(xù)相應(yīng)的供電工作。在變頻器完全故障致使無(wú)法正常工作的情況下，水泵系統(tǒng)進(jìn)行工頻切換時(shí)，工頻上的主要運(yùn)行方式可以分為自動(dòng)以及手動(dòng)形式，實(shí)際運(yùn)行中方式的選擇需要立足于使用的實(shí)際需求以及工況上進(jìn)行選擇。在實(shí)際切換到工頻的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的附近的磁場(chǎng)能量在到達(dá)分閘的時(shí)候已經(jīng)出現(xiàn)了部分的釋放情況，但實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)中的磁場(chǎng)因?yàn)槠渥陨淼囊恍┰蚴棺约盒纬梢粋€(gè)的磁場(chǎng)回路，并且消耗所需的時(shí)間長(zhǎng)短是與電動(dòng)機(jī)自身容量有一定關(guān)系的。這時(shí)候的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)帶有的磁場(chǎng)就會(huì)在異步的電動(dòng)機(jī)定子側(cè)感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，只有當(dāng)同步的檢測(cè)單元對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓衰減值進(jìn)行檢測(cè)，在達(dá)到一定范圍后，就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的切換信號(hào)或者是命令，這時(shí)候就可以通過(guò)使用早已設(shè)定完成的自動(dòng)操作設(shè)備或者使人員通過(guò)手動(dòng)操作進(jìn)行工頻運(yùn)行的切換。但發(fā)展到現(xiàn)代社會(huì)，又出現(xiàn)了一種新型的切換方式，就是通過(guò)使用同步的檢測(cè)單元以及一種名為ATS的雙電源來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的切換，主要的可使用因素就在于ATS自身帶有的機(jī)械連鎖對(duì)于實(shí)現(xiàn)的電路的切換來(lái)說(shuō)，更為安全以及可靠。

2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于石油化工企業(yè)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)

2.1 變頻器實(shí)際選用的應(yīng)遵循的原則

在進(jìn)行變頻器的實(shí)際選擇時(shí)，要遵循的一個(gè)總體原則就是先滿足工藝要求，經(jīng)濟(jì)效益考慮在后。并且在選擇變頻器的時(shí)候，主要還是在選擇變頻器的形式以及容量這兩個(gè)主要方面。變頻器從自身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方面進(jìn)行分辨主要可以分為電壓以及電流源型兩種變頻器。這兩種變頻器在正常情況下都可以對(duì)當(dāng)前的變頻需求予以滿足，具體的選擇以及使用需要根據(jù)實(shí)際使用需求來(lái)確定。

2.2 變頻器容量選擇時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)

在將需要使用的變頻器類型予以選擇后，就需要對(duì)其容量進(jìn)行相應(yīng)的選擇，在進(jìn)行這方面的實(shí)際選擇時(shí)，需要注意如下的注意事項(xiàng)：第一就是需要根據(jù)機(jī)械自身對(duì)于兩個(gè)極值轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以及過(guò)載情況下的實(shí)際要求，將機(jī)械自身要求的輸入功率所能達(dá)到的最大值予以計(jì)算。第二就是將電動(dòng)機(jī)的極數(shù)以及額定功率進(jìn)行選擇。電動(dòng)機(jī)自身的極數(shù)就直接決定了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這從本質(zhì)上也就是要求轉(zhuǎn)速需要最大可能的覆蓋整體的調(diào)速范圍，這樣就能夠使得連續(xù)的負(fù)載容量得到一定程度的提升。為了可以充分將設(shè)備的潛能得以挖掘和應(yīng)用，可以在短時(shí)間內(nèi)允許電動(dòng)機(jī)超過(guò)轉(zhuǎn)速，但必須在電動(dòng)機(jī)自身的極致速度之下。第三就是需要對(duì)變頻器整體的工藝水平以及電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)參數(shù)做到細(xì)致深入的了解，可以對(duì)變頻器的容量做出描述的三個(gè)角度分別是額定的電流、可用電動(dòng)機(jī)自身的功率以及額定容量。這最后的兩個(gè)方面因?yàn)楦鱾€(gè)國(guó)家之間生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)有差異或者可以隨著電壓的變化而變化，無(wú)法對(duì)變頻器的容量做到最精確的描述。只有額定電流可以完全反映變頻器自身的容量，這個(gè)額定電流本質(zhì)上就是一個(gè)可以完全反映半導(dǎo)體變頻器自身負(fù)載能力高低的關(guān)鍵變量，在對(duì)變頻器的容量進(jìn)行選擇的時(shí)候，也需要遵循負(fù)載電流量不大于變頻器額定電流數(shù)值的基本原則。

2.3 選擇電動(dòng)機(jī)的時(shí)候需要注意的事項(xiàng)

因?yàn)樽冾l器自身?yè)碛兄容^高的載波頻率，因此，在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)中的繞組需要負(fù)載相對(duì)較高的電壓沖擊。此外，電動(dòng)機(jī)歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后的效率下降以及轉(zhuǎn)速下降所帶來(lái)的冷卻效果變差等等現(xiàn)象都需要注意，因此，在進(jìn)行相應(yīng)的變頻調(diào)速后，為了防止頻繁出現(xiàn)變頻器以及電動(dòng)機(jī)的損壞，可以在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，使用專門用于變頻調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。一種自身結(jié)構(gòu)組成是通用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)基本普遍采用的就是標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)自身是通過(guò)使用PWM變頻器來(lái)為異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電時(shí)，這部分電流中往往都帶有高次諧波，這種諧波會(huì)使得電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行空載運(yùn)行時(shí)候功率以及效率都會(huì)隨之降低，并在導(dǎo)致磨損增加，這對(duì)于經(jīng)常性在滿載狀態(tài)下下工作的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)會(huì)使得使用壽命大幅度減少。因此，在實(shí)際選擇的時(shí)候，需要適當(dāng)?shù)丶哟箅妱?dòng)機(jī)的容量。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某石油化工企業(yè)加熱爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造工程為例，風(fēng)機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下：

（1）風(fēng)機(jī)參數(shù)。風(fēng)機(jī)型號(hào)：9-1916D；風(fēng)量：26378-63307m3/h；全壓：1820Pa；轉(zhuǎn)速：730r/min。

（2）電動(dòng)機(jī)參數(shù)。電動(dòng)機(jī)型號(hào)：JS147-4；額定功率：360kW；額定電壓：6kV；額定電流：42A；功率因數(shù)：0.88；電動(dòng)機(jī)效率：95%。

3.1 風(fēng)機(jī)改造前狀況

在該系統(tǒng)內(nèi)所采用的風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)類型，全壓?jiǎn)?dòng)，在風(fēng)量的調(diào)節(jié)過(guò)程中，主要是通過(guò)出口閥門開(kāi)口的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在該系統(tǒng)內(nèi)，包含兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，一臺(tái)是系統(tǒng)運(yùn)行中所使用的，而另一臺(tái)為備用。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，由異步電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)，在起動(dòng)過(guò)程中，為全壓起動(dòng)的狀態(tài)，在起動(dòng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的電流相對(duì)較大，該電流會(huì)影響車間電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，再加上其轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，在一定程度上對(duì)軸承產(chǎn)生了一定的沖擊，因此，在這種運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)極易出現(xiàn)各種故障，比如，電動(dòng)機(jī)燒損極為常見(jiàn)，使得在電動(dòng)機(jī)的維修等方面的成本消耗相對(duì)較高。由于該系統(tǒng)的特殊性，應(yīng)用鋼種與燃?xì)獾?，也無(wú)法達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果，存在能源的浪費(fèi)，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，將其改造為變頻節(jié)能調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)成本的控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.2 變頻調(diào)速改造動(dòng)力線路圖

變頻調(diào)速改造線路如圖1所示，在具體的改造過(guò)程中，其線路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有實(shí)施的可行性與便捷性。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)力線路圖

3.3 節(jié)能效果的估算

從流體力學(xué)的角度來(lái)看，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)功率等存在著緊密的關(guān)系：（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變的情況下，流量與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出正向變化的關(guān)系；（2）風(fēng)機(jī)壓頭與轉(zhuǎn)速的平方也呈現(xiàn)正向變化的關(guān)系；（3）風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速立方呈現(xiàn)出同方向變化的關(guān)系。因此，基于這些關(guān)系，在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率也逐步減小。如果在該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式，電動(dòng)機(jī)輸出功率與功率因數(shù)為正比，功率因數(shù)隨著輸出功率的減小而降低，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，其功率因數(shù)為0.85，如果按照余量10%、電動(dòng)機(jī)額定功率360kW，引風(fēng)機(jī)的額定軸功率為324kW。而工作電流為27A，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間T=8760h，在這種情況下，電動(dòng)機(jī)消耗功率P=UI工cosφ=238.221kW，年消耗電量為E變閥門=P×T=2086815.96kWh。如果在該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用變頻調(diào)節(jié)的方式，其風(fēng)機(jī)閥門開(kāi)度57.81%，風(fēng)量Q=70%，電動(dòng)機(jī)消耗功率P變頻=PQ3=123.48kW，年耗電量E變頻=P變頻×T=1081684.8kWh，大大節(jié)約了電能消耗。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，與交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的電力電子技術(shù)以及交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制等等理論以及相應(yīng)技術(shù)的誕生和發(fā)展成熟，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)逐步地發(fā)展成熟，并且在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中各種設(shè)備功率變得越發(fā)巨大的情況下因?yàn)樽陨淼膬?yōu)勢(shì)得到了大范圍內(nèi)的應(yīng)用。在當(dāng)前對(duì)設(shè)計(jì)工藝要求越發(fā)嚴(yán)格的今天，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用石油化工企業(yè)電動(dòng)機(jī)中的設(shè)計(jì)方案要想做到完善，就需對(duì)其中的一些注意事項(xiàng)予以重視。