中压变频器在新疆顺丁橡胶装置后处理中的应用

吕文久

(山东齐鲁石化工程有限公司，山东淄博 255400)

1 膨胀干燥机负载特性及变频调速的选择

新疆蓝德精细化工股份有限公司顺丁橡胶装置后处理工段膨胀干燥机额定功率为500 kW，负载属于恒转矩性负载，并且在开、停车和非正常运行时，处理胶量大小以及胶团硬度、黏度的变化都将引起负载的大幅波动，这就要求膨胀干燥机要有非常快的动态响应，才能使得挤压出来的胶粒质量均匀，达到工艺标准。另外，当发生事故停车时，由于膨胀干燥机内胶团温度的下降，胶团硬度增大，使胶团凝固在膨胀干燥机的螺槽内，再次启动时，需要很大的启动转矩，才能带动螺杆重新转动。

在通过膨胀干燥机处理高容量高分子胶粉时，为了提供速度调节和温度控制过程，并且在改进“重启”转矩能力时，应警示操作员在停止膨胀干燥机时必须完全清除膨胀干燥机内的橡胶，在停止喂料后，膨胀干燥机应减速运行至少45 s。并且要求启动、运行平稳，动态响应速度快，使挤出的胶粒质量均匀，生产过程安全，避免重大停车事故发生，因此，膨胀干燥机采用交流变频调速。

根据膨胀干燥机运行的工况条件及变频器的特点，部分6 kV等级变频器容量不能满足设备安全运行条件，因此，本工程最终采用高—中变频调速控制，即ABB ACS1000系列变频调速系统，膨胀干燥机电机的额定电压等级由6 kV改为3.3 kV。

交流变频调速的特点是效率高，没有调速带来的附加转差损耗，调速的范围大、精度高、无级调速，并可实现电机软启动，延长电机使用寿命，减小启动电流对电网的冲击。可使用结构简单、可靠耐用、维护方便的鼠笼式电动机，能达到节电的显著效果。

2 膨胀干燥机的电机参数

电机型号，YPKK-450-4;电机功率，500 kW;额定电流，108.2 A;额定电压，3.3 kV;效率，94%;功率因数，0.86;防护等级，IP55;频率，5 ～50 Hz。

3 对变频调速系统的要求

①变频调速系统对电网的谐波污染小、功率因数高。②共模电压小，降低电机上的应力。③快速控制、转矩波动小。④输出电压变化率小，减少对电机绝缘的影响。⑤可靠性高、寿命高、维护简单。

4 ABB ACS1000系列变频器性能参数

变频器持续输出功率，1 100 kVA;变频器持续输出电流，192 A;输出电压范围，0～3.3 kV;输出频率范围，0～±66 Hz;转矩脉动，＜2%;转矩阶跃响应时间，＜10 ms;最小弱磁点，45 Hz;最大弱磁范围，1∶1.5;额定负载下的总体效率，＞97.7%(含辅助电源);输出电压和电流谐波畸变，＜2%;控制精度，额定转速的0.1%;冷却方式，空冷型;短时过载能力，在满足选型150%过载能力的基础上，允许短时再过载110%。

5 ABB ACS1000系列变频调速系统概述

变频调速系统由主回路断路器、隔离变压器、变频器和电动机等组成。

5.1 隔离变压器

ACS 1000变频器必须通过隔离变压器供电，变压器二次侧绕阻必须根据变频器输入整流桥脉冲数的不同提供相位移。对于12脉冲变频器，变压器二次侧两个绕阻之间的相位移位30°。隔离变压器另一个作用是提供足够的感抗将电网侧谐波限制在IEEE 519和GB/T 14549标准所要求限值范围内。

图1 ABB ACS1000系列变频调速系统原理图

5.2 ACS 1000变频器

ACS 1000的拓扑结构为电压型三电平IGCT逆变器，适用于恒转矩负载。ACS 1000采用集成门极换流型晶闸管(IGCT)，其转矩特性和速度特性源自于ABB直接转矩控制(DTC)技术。ACS 1000变频器具备完善的接口，可集成到大型过程控制系统中。

5.3 电动机

ACS 1000变频器在输出侧配置了正弦波滤波器，无需考虑谐波造成的电动机发热降容、电压反射、共模电压和容性耦合产生高频轴承电流问题，不必采用变频电机，但建议电动机必须根据负载的要求选型。

6 系统的特性及对电网、电机的影响

6.1 IGCT大功率半导体器件

采用IGCT大功率半导体器件，整个系统使用器件数量低，可靠性高，停机时间最短。

6.2 采用DTC控制技术

直接转矩控制(DTC)是交流传动的一种独特的电机控制方式，逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制，测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25 μs产生一组精确的转矩和磁通的实际值，电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。其构成及特性如下:模块由转矩控制器和调制器构成。

图2 DTC控制技术示意图

矩控制周期为25 μs，其响应速度是交流传动的10倍，直流传动的100倍;高动态和静态精度;快速的转矩响应;零速满转矩的高启动转矩特性，适用于传送带设备和挤压机应用;高过载能力，适用于干燥机应用。

通过DTC控制技术，使整个后处理系统能够跨越短暂的电网掉电能力，通过快速准确的过程控制，可实现产品质量稳定，原材料浪费小，机械磨损少。

6.3 LC低通正弦波滤波器

标准的ACS 1 000输出侧配置有一个低通LC正弦波滤波器，采用电流反馈来控制滤波器的运行，根据设计允许通过的低频频率恰好低于逆变器输出侧所采用最低的开关频率，提高了输送给电机的电压和电流的纯度。

低通正弦波滤波器的主要作用:消除了谐波造成的发热。消除了高频分量，使发生在电机输入端子的电压反射和相关联的电压加倍现象不再出现，因此ACS 1000可适用于所有标准高压绕阻绝缘系统。使高频共模电压得到了充分抑制，消除了造成电机轴承损坏的容性耦合高频电流，不需对电机的绝缘加以特别的考虑。

6.4 无熔断器设计

采用功率半导体开关器件IGCT作为主电路保护，保护IGCT位于整流器和直流回路之间，并直接将逆变器和主电源隔离，其分断时间为25 μs，较传统的快速熔断器快100倍，因此，ACS 1000为无需熔断器保护的高压变频器，节约了投资。

6.5 其他功能

ACS 1000提供完善的继电保护功能，使整个系统能安全、可靠的运行。

7 实际运行中应注意的问题

7.1 加减速时间的控制

按照膨胀干燥机的设计要求，为了保证产品质量，必须从小量开始稳步加量，才能有效控制较稳定的压力和温度。因此，开车时，逐步增加进入膨胀干燥机入口胶团数量，要先选择多组加减速时间，经过反复实验确认，配合其他参数选择合适的加速及减速时间，使之能够非常稳定的实现正常开停车。

7.2 合理设置低频补偿点

低频补偿点的设置主要考虑负载的启动转矩，根据膨胀干燥机的负载特性，当发生事故停车时，由于膨胀干燥机内胶团温度的下降，胶团硬度增大，使胶团凝固在膨胀干燥机的螺槽内，需要很大的启动转矩，才能使电动机再启动。低频下转矩提升的原则是在负载能平稳启动下，应尽量调低些，否则会引起励磁电流增加太多，引起电动机严重发热。所以，合理选择低频补偿点可减少电机发热、降低噪声。

7.3 多元化控制方式

正常运行操作，现场设有开、停控制箱，控制室设有自动联锁开、停，变频器可以不带负荷独立进行开、停试验。当发生电气和生产故障时要求变频器迅速可靠地制动电动机，以保证工艺和电气设备安全。为此，本项目在控制室(DCS)及现场均设有紧急停车按钮，并且合理的配合脉动频率及制动功率，使之能迅速可靠地制动停车。

7.4 节能方式的调节

调节节能方式最小磁通是为了保证在满足电动机正常运行所需磁场强度的情况下，使电动机定子励磁电流所建立的磁通最小，以减少不必要的能量损失，达到最大的节能效果。

7.5 继电保护整定

①过载电流以电动机额定电流的110%进行整定，过载时间应选择避开短时冲击负载。②欠载电流按电动机额定电流的10%整定，以用于报警信号。高压变频器和高压电动机在欠载时，电动机和变频器的效率很低，无功损耗加大，功率因数降低，应避免或缩短欠载运行的时间。③相不平衡限值和接地故障限值分别按电动机额定电流的30%整定。④在初始运行当中，中压变频调速系统应进行联动调试，使系统处于最优状态。

8 结束语

在顺丁橡胶装置顺利开车并安全运行一年多时间里，介于顺丁橡胶物料黏稠特性，对高速转动中的膨胀干燥机磨损较大，与国内其他采用液力偶合器的同等规模装置相比，采用变频调速后，减少了动力损失，电机启动电流下降明显;正常运行时也不需要高压蒸汽辅助加热来保证工艺操作参数，节能效果显著。通过对转速调整，操作简单灵活，反应时间快，易与DCS系统构成自动控制回路，提高了自动化控制水平。另外采用ACS 1000型无谐波中压变频器为核心构成的螺杆调速系统在谐波污染、共模电压、噪声等各项电气技术指标均达到国家标准。由于变频调速精确，动态响应快，确保了新疆顺丁项目一次开车成功，并迅速达到设计能力。与同规模新建顺丁装置相比，其他装置由于液力偶合器调速性能不足等原因，造成装置开车延迟3天，由此一项即可节省约1 170万元，经济效益十分明显。