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(dá)76600平方米，至今有30多年的化工生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)歷史。目前公司系列化工產(chǎn)品生產(chǎn)能力達(dá)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(fù)混肥料5萬噸。
    目前大型空氣壓縮機(jī)是該公司化工生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，其單機(jī)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(yīng)國(guó)家政府節(jié)能降耗的產(chǎn)業(yè)政策,必須采用新技術(shù)來改善生產(chǎn)工藝，對(duì)傳統(tǒng)型的生產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造。其關(guān)鍵技術(shù)就在于，對(duì)帶動(dòng)大型空壓機(jī)的高壓同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)工藝空氣的流量，達(dá)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(tái),于高壓同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，電機(jī)參數(shù)見下表。該同步電動(dòng)機(jī)投入高壓變頻器后，無大電流沖擊,負(fù)載運(yùn)行平穩(wěn),運(yùn)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(fù)荷運(yùn)行下節(jié)能效果可達(dá)到15%以上。
 
表1：設(shè)備參數(shù)表  
  
二、活塞式空氣壓縮機(jī)的工作原理
    當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過連桿的傳動(dòng)，活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會(huì)發(fā)生周期性變化?；钊麖?a title="氣缸" target="_blank" >氣缸蓋處開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時(shí)，氣體即沿著進(jìn)氣管，推開進(jìn)氣閥而進(jìn)入氣缸，直到工作容積變到zui大時(shí)為止，進(jìn)氣閥關(guān)閉；活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略高于排氣壓力時(shí)，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置為止，排氣閥關(guān)閉。當(dāng)活塞再次反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述過程重復(fù)出現(xiàn)?？傊S旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個(gè)工作循環(huán)。如下圖所示。


活塞式壓縮機(jī)工作原理

三、空壓機(jī)工頻定速運(yùn)行工況介紹
    隆橋化工廠的工藝空氣由兩臺(tái)活塞式空壓機(jī)并網(wǎng)供給，空氣壓縮機(jī)采用四氣缸三段式運(yùn)行，壓力在1.2MPa左右。生產(chǎn)的工藝空氣分別供給四個(gè)負(fù)載使用，全負(fù)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(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)的放氣閥開度為10-35%。工頻運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)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(fèi)，并且也縮短了設(shè)備的使用壽命。
 

四、空壓機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理
    活塞式空壓機(jī)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(dāng)利用變頻器來改變電機(jī)的運(yùn)行頻率，即調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而調(diào)節(jié)工藝空氣流量Q，達(dá)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?jǐn)?shù)，節(jié)能效果明顯。 
    調(diào)試過程中，壓縮機(jī)運(yùn)行在25Hz以下時(shí)，變頻器輸出電流波動(dòng)較大。仔細(xì)分析波形，其電流值出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，這是由于空氣壓縮機(jī)的周期性負(fù)載所決定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降過多時(shí)，要造成出氣的脈動(dòng)，在40Hz以上時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)的速度高，則這種周期性的波動(dòng)不太明顯；且活塞式空壓機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在變頻器輸出整個(gè)頻率內(nèi)電流變化不大，因負(fù)載損耗也變化不大，所以低頻效率變低；且電機(jī)使用的自冷式風(fēng)冷，在低頻時(shí)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(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并保證設(shè)備的安全，故運(yùn)行的頻率應(yīng)不低于20Hz。

五、同步電機(jī)用高壓變頻器基本原理
    HIVERT—T06/077型同步電機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)變頻后的高壓正弦波輸出，直接驅(qū)動(dòng)高壓同步電機(jī)。 


HIVERT-T06 同步機(jī)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(gòu)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(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1.0。輸出側(cè)由每個(gè)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(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波型進(jìn)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(jī)振動(dòng)、電機(jī)發(fā)熱、噪音等。從而減少對(duì)輸出電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須濾波器。

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


    1. 變頻運(yùn)行啟動(dòng)過程：刀閘QS1、QS 2閉合，QS3斷開，變頻器設(shè)為遠(yuǎn)程控制（變頻器的系統(tǒng)待機(jī)輸出接到啟動(dòng)輸入），勵(lì)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(jī)信號(hào)閉合直接啟動(dòng)電機(jī)，經(jīng)過約30秒延時(shí)后，勵(lì)磁柜自動(dòng)投勵(lì)，將電機(jī)牽入同步運(yùn)行。
    2.變頻運(yùn)行停機(jī)過程：變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)減速至zui低頻率，分?jǐn)?a title="斷路器" target="_blank" >斷路器QF0，變頻器停止運(yùn)行，并啟動(dòng)勵(lì)磁柜滅磁。
    3.變頻運(yùn)行故障處理：變頻器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)重故障時(shí)，將立即封鎖輸出，輸出保護(hù)信號(hào)分?jǐn)?a title="高壓<a" target="_blank" >電源 target=_blank>高壓電源，并啟動(dòng)勵(lì)磁柜滅磁。
    4. 工頻運(yùn)行：QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行、停車過程按照原來的操作步驟進(jìn)行。
 
七、變頻改造注意事項(xiàng)  
    1．同步電機(jī)由于采用自冷，不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，工作下限應(yīng)不低于20Hz。 
    2．功率選用比空壓機(jī)功率大一個(gè)等級(jí)的變頻器，以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)過電流跳閘的情況。