变频调速技术在化工高压料浆泵中的应用研究

廖寅升　孙立柱　江月新

【摘 要】高压料浆泵作为化工企业中的关键设备，其稳定运行对整个系统的安全运行影响重大。变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性，可以实现软起动和无级调速，进行加减速控制，使电动机获得高性能，而且具有显著的节能效果。所以应用变频调速技术对化工料浆泵进行控制研究，可以提高企业生产效率和产品质量，同时也具有节能作用。

【摘 要】高压料浆泵；变频调速；节能

0 引言

随着社会的不断发展，变频调速已成为一项广泛应用的节能技术。

三相异步电动机主要调速类型有调压调速、电磁转差离合器调速系统、绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速、绕线转子异步电动机串级调速、变极对数调速、变频调速等数种方法。其核心技术是变频调速，即把直流电逆变成不同频率的交流电，或者把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电。电动机交流变频调速技术是当今节点、改变工艺流程以提高产品质量和改善环境、推进技术进步的一种主要手段。变频调速技术以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因数、优异的节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最理想的调速方式[1]。

在化工企业水煤浆气化装置中的高压料浆泵作为系统核心设备，工艺中不但要求其转速控制精密高，同时又要保证其稳定性，为此对高压料浆泵进行变频调速控制，本文变频调速器使用ABB公司ACS800变频器。

1 变频器的基本组成和各部分作用

1.1 变频器基本组成

交—直—交型变频器的主电路框图如图1，主电路主要包括整流器、中间环节、逆变器三部分[2]。

1.2 各部分作用

1.2.1 整流器

整流器的作用是通过电力开关器件将电网供给的三相交流电整流成直流电。

1.2.2 中间环节

经过整流器整流后的直流电压或直流电流含有频率为电源频率6倍的波纹，如果未经处理直接供给逆变器，则逆变后的交流电压或电流波纹会很大，会给电机造成很大的伤害，因此必须对整流后的输出进行滤波，以减少电压或者电流的波动。同时由于电机处于电动或者发电制动状态，其功率引述不可能为0，在中间环节和发电机之间始终存在无功功率的交换，这种无功能量需要中间环节的储能元件来（电容器和电抗器）来缓冲，所以中间环节的主要作用是滤波和能耗制动。

1.2.3 逆变器

逆变器的作用是通过电力开关器件把直流电压或者电流逆变成三相交流电，通过有规律的控制逆变器中主开关器件的通和断，可以得到任意频率三相交流电压和电源。

1.2.4 控制电路

控制电路常由计算电路、检测电路、控制信号的输入和输出电路和驱动电路等构成，其主要作用是完成对逆变器开关的控制，对整流器的电压控制及完成电路的各种保护功能等，控制方法可以采用模拟控制和数字控制等。现在普遍使用的高性能变频器已经采用微型计算机全数字控制，这样可以在尽可能简单的硬件电路基础上，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制常可以完成模拟控制难以完成的功能。

2 变频调速系统方案设计

2.1 系统结构

高压料浆泵控制原理图如图2所示。

系统主要由ABB变频器、交流电源控制元器件及控制回路组成。其中，电源控制元器件包含电源空开和交流接触器，由其控制变频器的通断电源，负责向变频器提供电源。变频器为高压料浆泵实现变频控制的基础，由其实现对电机的变频控制。控制回路主要实现对主电源的接触器的控制、变频器的控制及各种运行指示等功能。

2.2 变频器的控制原理及系统工作过程

本次实际的控制方式采用操作室及现场分地控制，变频器自身配置的液晶面板仅仅提供查阅、设置相关参数之用，同时高压料浆泵运行信号、电流、频率等信号引入DCS，使操作人员直观的查阅到精确的电机转速，从而计算料浆的流量。

本系统完成的是对一台设备的拖动和保护作用，系统主要考虑工艺生产要求未引入工频控制，仅仅运行于变频控制状态下。系统运行过程如下，由现场控制交流接触器的通断，为变频器主回路送电；合上转换开关SK后，变频器启动；最后通过控制在操作室内的按钮SB1和SB2即可控制变频器的转速。

2.3 变频器应用中的干扰及其抑制

变频器就是将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调方向的交流电源。变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性元件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波[3]。

为防止谐波干扰，可采用硬件和软件的抗干扰（下转第20页）（上接第8页）措施。其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。

具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。本次采用在变频调速系统中加装电抗器抑制谐波的方法（如图3所示）。

同时，由于高压料浆泵为往复式工作原理，因此导致其负载变化非常大，从而引起电机电流和变频器直流母线变化波动也很大，严重的时候引起变频器保护跳车，从而引起气化水煤浆制氨装置生产线停车，产生的影响和损失都比较大，因此，在变频器直流母线上串接制动单元和制动电阻，抑制其直流母线电压波动，保证生产系统的稳定。

3 系统特点

根据长时间的运行测试，并根据现场的数据比较，可以发现变频器调速具有如下优点：

1）高压料浆泵启动时，电流上升平稳，不会产生冲击电流，具有很好的软启动性能。

2）高压料浆泵的转速实时在线可调，可以根据生产料浆的要求，动态的调整频率。

3）变频器可以提高功率因数，在测试时电机的功率因数可以达到0.98，避免了增加无功补偿，节约了一定的投资。

4）变频器控制系统完善，一方面可以操作人员在操作室即可以调整变频器频率值，另一方面把转速转换成4～20mA信号，对应频率0Hz～50Hz，转速0～980r/min，可以在DCS上面随时可以观察到变频器运行状态和转速。

5）由于工艺要求高，引入工艺连锁跳车信号，接入ABB变频器DI5与+24V端子，闭合状态为正常开车状态，断开为工艺跳车，变频器停止运转，同时显示为EXTERNAL FAULT（外部故障报警），这样就可以迅速的判断故障原因。

6）高压料浆泵为37kW，对应最高转速为980转，工艺生产正常大概需要在680转，因此在运行过程中具有节能效果，减少生产成本。

4 结束语

本化工高压料浆泵变频系统效果显著。通过后期运行观察，装置的稳定性大大提高了，并且减少了设备的故障率和各种检修的费用，而且工艺人员的操作更加方便。考虑到当前的资源形式，变频器必将对节能减排、可持续发展带来更深远的影响。

【参考文献】

[1]肖鹏生，张文，王建辉.变频器及其控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]郑旭东，关鸿权.吴赤兵.通用变频器运行过程中存在的问题及对策[J].石化技术，2001，8（4）.

[3]吴忠智，吴加林.变频器应用手册[S].北京：机械工业出版社，1995.

[责任编辑：杨玉洁]