同步电机变频节能改造

550kW/10kV同步电机变频节能改造

The Energy-saving transform of the inverter in synchronism motor 550KW/10kV 吴加强成都佳灵电气制造有限公司四川成都610041 Wu jiaqiang (Chengdu Jialing Electric manufacture corporation Chengdu city Sichuan 610041) 摘要：现阶段采用IGBT电压型高压变频器实现高压同步电机的速度及位置开环控制是很困难的。本文根据客户现场工况，提出了采用专用的JCS型IGBT高压变频器，实现高压同步电机拖动活塞式空压机的变频调速改造，取得了良好的运行效果和节能效果。关键词：高压同步电机；高压变频器；速度和位置开环控制；励磁；恒压力；节能Abstract: It difficult of Adopt HV inverter realize HV synchronous speed and position of synchronism motor open-loop controls at the present. Customer's on-the-spot operating mode of the foundation of this paper, has proposed adopting the special Model JCS IGBT HV inverter, realize HV synchronous motor pull piston type frequency conversion of air compressor adjust and transform rapidly, have made the good operation result and energy-saving result. Keyword: HV Synchronous motor; HV inverter; speed and position open-loop control; Excitation; constant pressure; Energy-saving

1、前言现阶段采用IGBT电压型高压变频器实现高压同步电机的速度、位置开环控制是很困难的；目前在国内基本应用无相关案例。我们根据客户现场工况，提出了采用专用的JCS型IGBT高压变频器，实现了高压同步电机拖动活塞式空压机的变频调速改造，取得了良好的运行效果和节能效果。包头铝厂电解四公司空压车间现有五台活塞式空压机，主要用于为后级生产设备提供高压气源，其适配电机为TK550-12/1430(10kV/550kW)同步电机。正常生产时，五台空压机三用两备。工艺要求设备恒压力运行，风压在0.5-0.6Mpa之间。实际上，在工频条件下，设备往往运行在低于0.45Mpa，高于0.8Mpa的风压范围，不能满足正常的生产工艺要求，生产用风量极不稳定。风压调节采用风门手动调节，这样的运行操作方式，既耗能又操作慢而复杂。风压高时将风门开度增大，并及时排空降压，反之减小；当后级设备用风量需求大时，开三台空压机且要求风门开度很小才能满足要求，而用风量小时则开两台空压机就能满足要求。由于该系统负荷变化范围较大，采用变频调速具有很大的改造节能空间。

2、节能分析空压机是耗电量大的机械流体性质设备。采用不同的流量调节方式，所耗的电能不同；风机为典型的平方减转矩负载，下面以风机的工作特性来分析节能原理。风机的电动机轴功率P与其流量Q，风压H之间的关系式如下：

P∝Q×H 当电动机的转速为n1、n2时，流量Q1变化到Q2，此时Q、H、P相对于转速的关系：Q2＝Q1×（n2／n1）（1）H2＝H1×（n2／n1）2 （2）P2＝P1×（n2／n1）3 （3）由式（1）（2）（3）式可以看出，调节电机转速即可调节流量，风压与转速的2次方成正比, 风机轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，从理论上讲，速度降低10％时会带来30％左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果显著。下表为调速后与调速前功率理论比值表：n2／n1 100％90％85％80％70％60％50％P2／P1 100％73％61.4% 51% 34% 21.6% 13.0% 节电率0 27% 38.6% 49% 66% 78.4% 87% （a）（b）压力转速N2时转速N1时阻力曲线0 Q1 H1 H2 功率P 转矩T 功率与转速的立方成正比转矩与转速的平方成正比0 Q2 转速100% 图1(a) 风机的压力与流量的关系曲线图1(b) 转矩与电机速度的关系曲线根据上述的节能分析表明，采用变频

调速方式，是空压机节能最为理想的方式。3、技术方案选型经过与包铝厂的相关专家反复论证，决定对该同步电机系统进行变频改造，以达到节能和风量自动调节的目的。选用成都佳灵电气制造有限公司生产的JCS-10kV/630kW—IGBT 直接串联高压变频器。JCS-IGBT直接串联高压变频器，是采用成熟的低压变频器技术拓扑方案，建立了专有的和最新的控制技术理论综合控制模型，是世界上IGBT高压变频器中，唯一无输入、输出主变压器的高效产品，其全系统效率≥98%。JCS-IGBT直接串联高压变频器，其优点在于：1．对同步电机，采用了先进的无速度传感器和位置传感器的开环调速控制方式。2．具有转速给定和预设定方式的同步化F/U与励磁电流A比例下的加速、运行、减速的同步电机的运行特性。可避免采用其它方式的高压变频器，因电机失步产生的能量，而造成变频器故障保护、跳闸、甚至模块爆炸的严重后果。3．由于高压变频器结构简单，无输入、输出变压器；所以故障点也大大减少，整个系统效率≥98%。4．采用正弦滤波技术和抗共模技术。使输出电压、电流为正弦滤波，大大提高了输出波形质量，输出电压谐波小于3%；特有的抗共模技术使整个系统的共模电压及输出dv/dt值完全符合IEEE标准。获得普通的高压电机在实现了变频调速的功能时，并能保持了原电动机设计的动态稳定性能和绝缘性能、温升范围。对于同步电机系统，这一条件更为重要，它可有效地避免谐波造成的脉动失步。5．系统自带专门设计的高压开关柜，可实现工频旁路，检修方便，一旦出现故障，可让电机和励磁机切换到工频运行。6．具有全中文操作界面，彩色触摸屏操作、设定、监察。具有远程监控、设定参数、选择功能、启停电机和全面的故障监控、具有可靠的故障报警和完善的保护功能。7．变频器具有过电压、过电流、欠电压、短路、接地、过载、过热、电机过热、IGBT桥臂等保护功能；一旦出现故障，变频器将发出声光报警信号，所有故障情况，均在中文界面上显示出来，便于用户根据故障情况采取相应的排除措施。8．高压主电路与低压控制电路之采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强，工作稳定。9．JCS高压变频器具有高可靠性、稳定性，能够长期连续运行。10．整个系统体积小，重量轻，减小了基建的投资。4、运行节能效果550kW/10kV同步电机的IGBT高压变频器节能改造系统己投入生产运行。变频器可作软启动装置，其性能是非常理想的，并可实现软起、软停；JCS型IGBT高压变频器系统具有自动位置检测，电压、频率、励磁协调模式起动，保持了电机的同步性。实际运行中无过流现象，启动平稳，起动转矩大，无大的电气和机械冲击；降低了电机温度和机械磨损，延长了空压机使用寿命，减少了活塞式空压机系统的维修率。同步电机运行频率在35～40Hz，使用调速范围宽。从活塞式空压机系统运行情况来看，使用变频器控制的空压机在40Hz运行时，空压机电流显示为21A左右；用工频50Hz运行的空压机电流为30A左右；两者风压都能满足后级设备的用风。通过在两台空压机都装上电度表进行节电率的实际检测。运行7天后，工频运行的空压机电度表显示为17.4，变频运行电度表显示为12.1，电度表的倍率为5000/100，经过对比检测：节电率：n%=(14.7×5000-10.0×5000)/(14.7×5000)=32%。年节电度数：550kW×24×365×32%=1540449kWh 年节电费用：0.283元kWh×1540449kWh=435947元5、结论通过对包铝四公司空压站的变频调速的技术改造，设备系统启动性能平稳，可使同步电机低于额定转速变频调速运行。既满足同步电机正常变频调速运行，又能使得活塞式空压机系统恒压力运行，更获得了较大的节电效果。该项目已通过了包铝纪委组织的“节能技术监查”的审验，被称为至今最有推广价值的项目。JCS-IGBT直接串联高压变频器