ABB變頻器在新型水煤漿氣化高壓煤漿泵變頻傳動中的應用

邵長晶

(兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

目前，由兗礦集團和華東理工大學共同研究開發的新型水煤漿加壓氣化技術——多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已成功應用于化工行業工業化生產，在國內已有多家公司使用該技術。高壓煤漿泵是與新型水煤漿加壓氣化技術——多噴嘴對置式水煤漿氣化爐配套的關鍵設備。隨著節能技術的推廣應用，變頻技術被廣泛應用于工業生產中，它具有調速范圍寬、調速精度高，起、制動平穩、可實現無極調速等優點。變頻器在風機、水泵等領域取得了顯著的經濟效益，在化工行業也發揮了重要作用。

1 工藝流程

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的工藝流程如下:氣化爐運行時，原料煤經過輸送帶、稱量給料機精確計量與水及添加劑混合后進入磨煤機，制成合格的煤漿(質量百分比濃度≥61%)。煤漿經過濾，貯存在煤漿槽內，煤漿槽內的煤漿經高壓煤漿泵加壓后，經過新型氣化爐的4個工藝燒嘴與空分來的氧氣(純度≥99.6%)混合進入氣化爐，在氣化爐內完成高溫高壓的氣化反應過程，生成合成氣(主要成分是CO和H2)。在此工藝過程中，高壓煤漿泵是新型水煤漿加壓氣化爐工藝系統的關鍵設備，其運行好壞、運行可靠性直接影響整個氣化工藝系統的長周期穩定運行，進而直接影響到整個化工流程的生產，影響到企業的生產效率及經濟效益。

2 變頻控制方案

2.1 方案確定

在設計時，根據生產工藝負載的需要，計算出拖動負載電機的容量為200 kW。如果采用單電機拖動，電機直接起動，在起動和運行過程中，電機電流大，對電氣設備、電纜要求等級高，這都增加了投資成本。高壓煤漿泵是負載基本恒定、轉速恒定的穩速系統，其最大的特點是要求速度長期穩定，同時要求動態恢復時間盡可能短。因此，高壓煤漿泵傳動系統要求的是高穩定性和快速動態響應。由于存在以上問題，通過多種方案論證，進行比較，同時降低起動和運行過程中的電流，最后決定采用“一拖一傳動”控制方案，即采用1臺容量為200 kW電機拖動負載，在傳動控制系統中，由1臺與電機額定功率相匹配的變頻器拖動該電動機。

2.2 傳動系統組成及工作原理

傳動系統(電氣部分)主要由1臺變頻器柜(內置ABB ACS800－07－0400－3變頻器)、1臺電源配電柜、1臺現場就地控制操作箱和1臺4極200 kW籠型三相異步電機組成。

操作工發出起動指令，選定變頻器的固定頻率50 Hz，變頻器由0 Hz開始加速，通過調速后，轉速達到符合工藝要求的速度運行。對高壓煤漿泵運轉速度的控制有自動和手動兩種方式，手動調速由人工通過現場操作箱上的電位器完成;自動調速由自控DCS DC 4～20 mA模擬信號完成。由于考慮到控制的安全性問題，在設計中采用通過電纜一對一信號傳輸控制，正向運行信號連接到變頻器的DI1輸入點，完成變頻器的起動、停車控制。

3 變頻器的選型

當前交流變頻調速系統主要為矢量控制(Vector Control，VC)和直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)，DTC 交流調速系統可以獲得比VC快的多的轉矩響應，DTC動態控制精度比AC系統高出五個數量級，特別在低速運行、電網供電質量不好、波形發生畸變時，DTC仍然能保持較高的控制精度。目前市面上的變頻器多數采用VC方式，而ABB變頻器采用DTC方式。因高壓煤漿泵一般都滿負荷運行，而且要求起動力矩大，根據電機的容量200 kW，變頻器一般應高出一個規格。因此在設計中選用電壓等級為400 V的ABB ACS800系列的ACS800－07－0400－3型變頻器，其具有以下功能:采用DTC，可以設定不同的起動轉矩，在開環和閉環時的轉矩響應時間均小于5 ms，速度的靜態精度可達到0.01%，動態精度可達到0.1%。其力矩階躍上升時間小于5 ms，比FVC方式至少小一倍，動態控制精度比FVC高出一個數量級。ABB ACS800－07－0400－3變頻器的功能完全滿足了高壓煤漿泵工藝控制的要求。

4 變頻器的接線

正確連接變頻器的主回路和控制回路的電纜線非常重要。如果主回路和控制回路接線錯誤，可能不能完成所設計的工作，甚至會燒毀變頻器。尤其是主回路連接更為重要，對主電路電源輸入端(U1、V1、W1)和主電路輸出端(U2、V2、W2)非常慎重，必須確認不能接錯。

4.1 變頻器主回路接線

主電路輸入端(U1、V1、W1)，用于接受用戶的低壓進線電源，為三相交流電源;主電路輸出端(U2、V2、W2)，用于輸出連接用戶的三相交流異步電動機;接地端:PE為接地標記，用于變頻器外殼與大地相連。制動電阻器接到 R－和 R+(UDC+)端子上。制動單元接到UDC+(R+)和UDC－端子上。

4.2 變頻器控制回路接線

變頻器控制回路接線相對簡單。變頻器控制回路至現場操作箱的控制線包括:VREF+、AI1+、GND來自現場電位器的模擬量輸入信號(調速信號)。DI1、+24 V、DI2、DI4來自現場或DCS起動/停機的模擬量輸入信號，當+24 V和DI4打開，且相應控制位置是EXTI，控制方式是“手動”，DI1、+24 V、DI2來自現場手動起動/停機的模擬量輸入信號。當關閉+24 V和DI4，控制方式是自動，相應控制位是 EXTI2，DI1、+24 V、DI4來自DCS自動起動/停機的模擬量輸入信號。控制方式可以通過現場的控制面板上手動、自動轉換開關進行切換。DI3、+24 V來自油泵故障停機的模擬量輸入信號;DI6、+24 V變頻器故障停機的模擬量輸入信號。變頻器控制回路至工藝中控室的DCS儀表信號線包括:AI2+、AI2－來自DCS DC 4～20 mA模擬量輸入信號(調速信號);AO1+、AO1－去DCS DC 4～20 mA模擬量輸出信號(電流信號);AO2+、AO2－去DCS DC 4～20 mA模擬量輸出信號(轉速信號)。

5 變頻器的調試

5.1 變頻器空載通電前的檢查

核對接線是否正確，尤其注意:主回路端子的連接正確，檢查變頻器電源輸入端子經過空氣開關已接到電源上;檢查直流電抗器連接正確，制動單元或制動電阻連接正確。檢查變頻器的接地端子已接地;檢查確認各端子間和各暴露的帶電部分無短路和接地現象;確認端子連接、插接式連接器和螺釘等均緊固無松動;確認各操作開關均處于斷開位置，保證電源投入時變頻器不會起動或發生異常動作;確認電動機未接入。檢查確認變頻器銘牌標簽的電壓、頻率等級與電網的是否吻合，無誤后送電;運行變頻器頻率升到50 Hz，測試變頻器輸出端U、V、W三相輸出電壓平衡;斷電后控制盤液晶顯示屏完全沒顯示后，接上電機線。

5.2 試運行

從安全考慮，試運行的步驟基本是從空載到負載逐步進行，具體可按以下步驟操作:靜態檢查、空載運行、帶電機空載運行、帶負載運行。

5.3 變頻器基本參數設置

以拖動高壓煤漿泵電動機(四極三相異步電動機)為例，介紹ACS800系列變頻器的參數設置情況。該電動機技術參數如下:額定電壓380 V;額定電流386 A;額定功率200 kW;額定頻率50 Hz;額定轉速1 470 r/min。

(1)起動數據設置:參數組99是設置電機起動數據的，它是設定電機信息的一組參數，只需在第一次運行時設置，以后就不需要再改變了，這一組參數代碼范圍從99.01～99.10共10個參數，其中參數代碼99.01定義選擇語言，99.02表示應用宏的選擇。ABB ACS800系列變頻器的應用宏有以下幾種:FACTORY(工廠宏);HAND/AUTO(手動/自動宏);PID-CTIL(PID控制宏);SEQ CTRL(順序控制宏);T-CTRL(轉矩控制宏)。用戶根據需要選擇應用宏。99.04表示電機控制模式。ABB ACS800系列變頻器有兩種控制模式:DTC和標量控制。在DTC模式下，系統中給定信號為轉矩，即使在沒有反饋的情況下(即開環)也可對電機進行精確的速度及轉矩控制。標量控制相對來說控制精度要差一些，設置99.04=DTC。電機額定電壓(99.05)、額定電流(99.06)、額定頻率(99.07)、額定速度(99.08)、額定功率(99.09)這些參數從電機的銘牌數據中獲得。參數代碼99.10設置電機辨識運行，設置99.10=ID MAGN(不使用ID Run辨識運行)。通過控制盤的FUNC功能鍵由起動向導的英文提示一步步進行變頻器的參數設置。

(2)控制參數設置:參數組10定義外部起動、停機和轉向控制信號源。其中參數代碼10.01外部控制地1(EXT1)用于起動、停機命令的連接和信號源。設置10.01=DI1，即通過數字輸入DI1的值來控制起動和代碼停機(其中0=停止，1=起動)。參數代碼 10.03電機轉向，設置10.03=FORDWARD，即固定為正向。參數組11定義外部控制地的選擇和外部給定信號源和極限值。其中參數代碼11.02可選擇EXT1有效還是EXT2有效的控制口，通過控制口的信號可以在EXT1或EXT2中做出選擇，設置11.02=EXT1，即指定EXT1為當前控制地。參數代碼11.03選擇外部給定 REF1的信號源，設置 11.03=COMM.REF，即為現場總線給定值REF1。

(3)給定選擇設置。11.02外部控制地選擇:ABB800有兩個控制源可以選擇，即 EXT1，EXT2。當選擇EXT1時，變頻器的起動由10.01所指定的輸入端子控制，頻率由11.03所指定的方式給定。對于PID應用宏，此時為開環控制，對于轉矩控制宏，此時為速度控制，當選擇EXT2時，變頻器的起動及頻率來源分別為 10.02、11.06;在PID宏及轉矩控制宏下分別為閉環控制及轉矩控制方式。頻率給定源的選擇10.03、11.06分別是EXT1，EXT2的給定源，對于使用模擬作為給定時可以選擇模擬輸入端子(AI1～AI3)的任何一個作為給定，這里要說明的是AI1為0～10 V直流電壓信號，AI2～AI3為0～20 mA直流電流信號，也可由通信或數字端子(即電動電位器)進行設定頻率。

(4)加、減速時間設置:加、減速時間的選擇十分重要，特別是在拖動大慣性負載時，變頻器設置加、減速時間應大一些。如加速時間過短，起動時電機處于堵轉狀態，容易發生過流故障，如減速時間過短則可能發生慣性負載拖動電機，使電機處于發電狀態，則變頻器會發生過壓故障。參數代碼20.02加速時間1可設為30～40 s，參數代碼22.03減速時間可稍長一些，可設為40～80 s，其余傳動器加、減速時間1均可設為20～30 s。對于參數代碼20.06加速/減速斜坡的形狀選擇有兩種:線型斜坡和S形曲線斜坡，一般傳動系統中均可用線型斜坡，設置20.06=線型斜坡。ACS800變頻器主要參數設置如表1所示。

6 變頻器的運行操作與維護

6.1 變頻器送電前檢查內容

檢查各端子排間和暴露的帶電部位無短路和接地現象;檢查確認各端子連接、插接式連接器和螺釘等均緊固無松動現象;檢查變頻器柜上總電源開關:在送電前，該開關應打到“OFF”斷開位置;檢查確認變頻器柜內所有信號繼電器已復歸;檢查確認高壓煤漿泵變頻器周圍無危及安全運行的物品。

表1 ACS800變頻器主要參數用戶設置表

6.2 送電操作程序

檢查高壓煤漿泵所有安措已拆除;測量高壓煤漿泵電機絕緣:將變頻器的R、S、T端子和電源端電纜斷開，U、V、W端子和電機端電纜斷開，用兆歐表測量電纜每相導線之間以及每相導線與保護接地之間的絕緣電阻是否符合要求，正常時應大于1 MΩ;測量絕緣合格后，按原相序恢復好接線(在不檢修情況下，可用萬用表測量負荷線路對地絕緣);合上高壓煤漿泵電源柜主回路電源側開關;合上變頻器柜上總電源開關，給變頻器送電，并驗明三相電源電壓正常;變頻器操作面板顯示外部故障代碼9 000，現場電源指示燈亮，待工藝DCS允許，5K2繼電器動作后，按變頻器面板上的RESET復位，故障代碼消失。變頻器顯示:變頻器的控制盤(CDP312R)液晶顯示屏上可以顯示4行，每行20個字符。

當+24 V和DI4打開，且相應控制位置是EXTI，如AI1時，控制模式是“手動”模式;當關閉+24 V和DI4，控制模式起動“自動”模式，相應控制位是EXTI2，如AI2。控制模式可以通過現場的控制面板上手動、自動轉換開關進行切換;變頻器裝置內的冷卻風扇運行正常，通知工藝操作人員，開起高壓煤漿泵。6.3 運行時巡檢內容

對于連續運行的變頻器，可以從外部目視檢查運行狀態。定期對變頻器進行巡視檢查，通常應作如下檢查:檢查變頻器運行時是否有異常現象，有無異常振動，聲響;環境溫度是否正常，要求在－10～+40℃范圍內，以25℃左右為好;變頻器控制盤(CDP312R)液晶顯示屏LED上顯示的輸出電流、電壓、頻率等各種數據是否正常;LED上顯示運行轉速與現場轉速表顯示是否一致，字符是否清楚，是否缺少字符;用測溫儀器檢測變頻器是否過熱，是否有異味;變頻器冷卻風扇運轉是否正常，有無異常，散熱風道是否通暢;變頻器運行中是否有故障報警顯示;檢查變頻器交流輸入電壓是否超過最大值。如果主電路外加輸入電壓超過極限，即使變頻器沒運行，也會對變頻器線路板造成損壞。檢查現場運行指示燈亮，主控制室運行信號正常。

7 結語

ABB ACS800系列變頻器在新型水煤漿加壓氣化技術高壓煤漿泵變頻傳動系統中的使用，特別是ABB ACS800系列變頻器DTC技術，并且通過編碼器組成控制系統，控制簡單、控制精度高、維護方便，完全滿足高壓煤漿泵工藝系統的要求。整個系統自2008年6月投入運行以來，至今電氣部分未出現一次故障，提高了生產效率，降低了設備維護、運行費用。ABB ACS800系列變頻器可靠性高、控制方便，值得在化工行業推廣應用。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［2］魏召剛.工業變頻器原理及應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［3］王仁祥.通用變頻器選型與維修技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［4］ABB 公司.ACS800主、從控制手冊［G］.2007.

［5］ABB公司.ACS800標準軟件固件手冊［G］.2007.