液氨壓縮制冷系統中變頻器可靠供電研究

趙玉明

(天地科技股份有限公司，北京100013)

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液氨壓縮制冷系統中變頻器可靠供電研究

趙玉明

(天地科技股份有限公司，北京100013)

摘要：分析了變頻器的基本原理和調速方法，研究了限制變頻器正常工作的制約因素。對單回路和雙回路供電方式進行了供電可靠性分析，進一步得出了2種供電方式對制冷系統中變頻器連續運行的影響。研究了雙回路供電自動投切裝置的應用方法、作用和重要性。對4種典型工況進行了仿真研究，總結了變頻器輸出電流、轉速、轉矩以及變頻器內部直流母線電壓等參數的變化規律，其可作為變頻拖動系統工業現場應用的參考依據。

關鍵詞：液氨壓縮制冷；變頻器；供電可靠性；自動投切裝置；轉速；轉矩

變頻器不僅具有卓越的調速性能，還有明顯的節能作用，成為諸多節能應用、速度工藝控制等工業生產現場的首選[1]。

在凍結施工中，人工制冷是重要的環節，也是耗費電能最大的環節。利用變頻器拖動制冷壓縮機對液氨進行壓縮制冷是一項新技術，由于變頻器輸出的高穩定性和連續性，將會大幅度提高制冷系統的穩定性，確保凍結施工質量和凍結制冷設備的安全可靠運行。凍結施工現場若采用單回路電源供電時，一旦發生線路故障，將直接導致拖動系統停機，造成嚴重事故或重大經濟損失。為提高供電可靠性，現場往往采用雙回路電源供電方式[2]，并在雙回路電源之間設置自動投切裝置；但在切換過程中，供電母線上會出現短時的低電壓或暫時失電現象，從而導致變頻器的輸出轉速、轉矩發生變化，影響壓制冷壓縮機系統的穩定連續運行。

本文對單、雙回路供電的可靠性進行研究，重點分析雙回路供電情況下，自動投切裝置在2路供電線路之間切換過程中對制冷壓縮機變頻拖動系統影響，并進一步分析變頻器輸出對液氨壓縮制冷工藝過程的影響。

1液氨壓縮制冷系統

由制冷壓縮機、蒸發器、冷凝器和節流機構等設備組成的制冷系統是一個有機整體，各設備之間必須相互匹配。如果其中任何一個設備的某一個參數發生變化，必然會影響其他設備以及整個系統的工作。

在整個制冷系統中，液氨制冷壓縮機是主要的制冷設備，其是一種把原動機提供的機械能轉變成工質蒸汽壓力能的設備，而制冷壓縮機的機械能一般由電動機來完成，因此電動機的供電系統可靠性至關重要。當壓縮機正在高速旋轉工作時，如果遇到突然掉電，很可能會出現壓力升高，從而導致液氨泄漏，若處理不當，會影響設備的使用甚至制冷系統的運轉。

在液氨制冷系統中，供電系統的穩定性非常重要，特別是在凍結施工過程中，制冷系統均要求有雙路供電，以保障系統供電的安全與可靠性；但在生產實踐過程中，制冷系統供電的可靠性與安全性并沒有引起足夠的重視。凍結施工屬于一種高耗能技術，在施工過程中要消耗大量的電能，一般電費約占工程造價的30%，對用電進行節能降耗處理將會直接影響凍結施工成本，所以將變頻拖動技術應用于凍結施工中將是未來的發展趨勢。

2變頻器及其制約因素

變頻器是將電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓和頻率可變的交流電的裝置。為了產生可變的電壓和頻率，變頻器首先要把三相或單相交流電變換為直流電(DC)；然后再把直流電(DC)變換為所需要的三相或單相交流電(AC)[3]。根據變頻器原理，變頻器的功率回路由整流模塊、直流環節和逆變模塊組成。以變頻器核心的變頻拖動系統示意圖如圖1所示。

圖1　變頻拖動系統示意圖

根據電動機學原理，有：

(1)

式中，n為同步速度；f為電源頻率；p為電動機極數。異步電動機的同步轉速由電源頻率和電動機極數決定，由于極數值不是一個連續的數值(為2的倍數)，所以不適合通過改變極對數來調節電動機的速度。頻率是電動機供電電源的電信號，其能夠在電動機的外面調節后再供給電動機，這樣電動機的旋轉速度就可以被自由地控制；因此，以控制頻率為目的的變頻器是作為電動機調速設備的優選設備。

變頻器輸出的額定頻率稱為基頻，變頻調速時，可以從基頻向上調，也可以從基頻向下調[4]。在礦井、隧道等建設過程中的凍結施工環節，變頻器拖動制冷壓縮機對液氨進行壓縮制冷過程中，始終工作在基頻下調狀態。在基頻下調情況下，一般采用U/f恒定的控制模式，電動機機端電壓與頻率存在制約關系。在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，可以忽略，電動機的端電壓和電動機的感應電動勢近似相等，電動機定子的磁感應電勢為:

U≈E=4.44Kw1φmfW1

(2)

式中，Kw1為繞組系數；φm為每極最大磁通；f為電源頻率；W1為定子繞組匝數。當電源頻率變化時，若電壓不隨著改變，電動機的磁鏈將會出現飽和或欠勵磁。由于電動機設計時電動機的磁鏈常處于接近飽和值，磁鏈的進一步增大將導致電動機過飽和，勵磁電流急劇增大，這是不允許的[5]。當電動機出現欠勵磁時，將影響電動機的輸出轉矩；因此，在改變電動機頻率時應對電動機的電壓或電勢進行控制，以維持電動機的磁鏈穩。保持U/f恒定控制是異步電動機變頻調速的最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時，控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比(U/f)為恒定，從而使電動機的磁鏈基本保持恒定。

變頻器內部直流母線電壓與機端電壓存在制約的關系。變頻器輸出的交流電壓最大值Uab(max)受到直流母線Udc的限制：

Uab(max)=MUdc

(3)

式中，M為脈寬調制最大電壓利用率，與脈寬調制的控制方式有關；Uab為變頻器輸出線電壓；Udc為變頻器直流母線電壓。

由上述分析可知，在U/f恒定控制模式下，變頻的直流母線電壓高度制約著機端電壓，從而制約了頻率調節范圍，進一步制約了轉速范圍。

3供電可靠性分析

當采用單回路供電時，一旦線路發生雷擊、接地和線路故障等情況，變頻器將失去電源輸入，直接導致變頻器停機，造成嚴重事故或重大經濟損失。

為了提高供電可靠性，防止因停電帶來的安全上和經濟上的損失，一般在凍結施工現場采用雙回路供電。在雙路電源之間設置自動切換裝置，當正常供電線路發生故障停電時，自動投切裝置將負荷與原供電線路脫離，并將負荷切換到備用供電線路上進行供電[6]。

在自動投切裝置進行電源切換的過程中，供電母線上出現短時的低電壓或暫時失電現象，變頻器直流母線電壓隨之降低。由直流母線電壓高度的制約作用可知，當變頻器的直流母線電壓高度降低后，對應的能夠輸出的最大機端電壓也隨之降低[7]。在基頻下調情況下，盡管輸出轉矩可以不變，但允許的輸出頻率降低，轉速條件受限，無法滿足負載要求，嚴重時將直接導致變頻器保護停機[8]，從而影響壓制冷壓縮機系統的穩定連續運行。

4雙回路自動切換說明

在礦井、隧道等建設過程中的凍結施工環節，制冷壓縮機的變頻拖動系統采用雙回路供電(見圖2)。采用熱備用方式，當自動切換裝置檢測到主母線失電時，相應主變低壓側斷路器處于合位；當自動切換裝置檢測到備用變壓器高壓側有壓時，跳開工作變壓器低壓側斷路器，合備用變壓器低壓側斷路器；當工作變壓器偷跳時，合備用變壓器低壓側斷路器。為防止PT 斷線時備自投誤動，取主變低壓側電流作為母線失壓的閉鎖判據。

圖2　雙回路供電自投切示意圖

5仿真分析

系統連接及測試點說明如圖3所示。為研究和分析方便，在變頻器直流母線、變頻器輸出端、電動機與負載連接軸上設置測試點。在變頻器輸出端獲得變頻器的輸出電壓Vab和輸出電流Iabc，在變頻器直流母線上獲得變頻器的內部直流母線電源Vdc，在電動機與負載連接軸上獲得轉速n和轉矩Te。

圖3　測試點說明

下述分別對單回路供電空載、單回路供電滿載、雙回路供電空載和雙回路供電滿載等4種情況進行仿真和對比分析。

1)在單回路供電、空載條件下，設置額定電動機的額定轉速為120 r/min。系統在0.05 s開始上電，并在1.8 s時切掉電源，系統響應波形如圖4所示。由圖4可知，在0.05～0.8 s內系統處于空載啟動的轉速爬升過程；在0.8 s左右時刻，變頻器輸出電流Iabc開始減小，轉速n達到額定值，轉矩Te開始減小，變頻器內部直流母線電壓Vdc維持在額定值；在1.0 s時刻，變頻器輸出電流Iabc趨于空載電流，轉速n在額定轉速附近，啟動轉矩Te趨于空載轉矩，系統完成啟動過程；系統在1.8 s時刻失去輸入電源，變頻器內部直流母線逐漸衰減，最終將停機。

圖4　單回路供電、空載條件下的系統響應波形

2)在雙回路供電、空載條件下，設置額定電動機的額定轉速為120 r/min。系統在0.05 s開始上電，并在1.8～1.9 s內完成供電線路切換，系統響應波形如圖5所示。由圖5可知，1.0 s時刻以前過程與單回路、空載啟動過程相同；系統在1.8 s時刻變頻器輸入端與原供電線路分離，變頻器直流母線電壓開始衰減；在1.9 s時刻，變頻器輸入端與備用供電線路閉合，變頻器重新獲得輸入電源，變頻器內部直流母線逐漸恢復到正常值，系統維持空載穩定運行狀態。

圖5　雙回路供電、空載條件下的系統響應波形

3)在單回路供電、加載條件下，設置額定電動機的額定轉速為120 r/min。系統在0.05 s開始上電空載啟動，在1.4 s時開始加載，目標轉矩為200 N·m，并在1.8 s時刻切斷電源，系統參數波形如圖6所示。由圖6可知，1.0 s時刻以前過程與單回路、空載啟動過程相同；在1.4～1.8 s內逐漸加載，變頻器輸出電流Iabc逐漸增大，轉速維持在額定值附近，轉矩Te逐漸增大，變頻器內部直流母線電壓Vdc維持在額定值附近；在1.8 s時刻變頻器輸入端與原供電線路分離，轉速開始下降、轉矩Te迅速衰減，變頻器直流母線電壓Vdc迅速降低，系統無法維持正常運行，迅速停機。

圖6　單回路供電、加載條件下的系統響應波形

4)在雙回路供電、加載條件下，設置額定電動機的額定轉速為120 r/min。系統在0.05 s開始上電空載啟動，在1.4 s時開始加載，目標轉矩200 N·m，并在1.8～1.9 s內完成供電線路切換，系統響應波形如圖7所示。由圖7可知，1.0 s時刻以前過程與單回路供電、空載啟動過程相同；在1.4～1.8 s內逐漸加載，變頻器輸出電流Iabc逐漸增大，轉速維持在額定值附近，轉矩Te逐漸增大，變頻器內部直流母線電壓Vdc維持在額定值附近；在1.8 s時刻，變頻器輸入端與原供電線路分離，轉矩Te迅速衰減，變頻器直流母線電壓Vdc迅速降低；在1.9 s時刻，變頻器輸入端與備用供電線路閉合，變頻器重新獲得輸入電源，轉矩Te和變頻器內部直流母線電壓Vdc迅速恢復到正常值，系統恢復帶載運行狀態，但在雙回路投切過程中，出現了明顯的轉矩波動。

圖7　雙回路供電、加載條件下的系統響應波形

另外，從上述4種情況的仿真波形中均可以看出，變頻器的輸出電壓受到變頻器內部直流母線電壓的限制，當變頻器內部直流母線電壓降低時，變頻器輸出給電動機的機端電壓也降低，驗證了“在U/f恒定控制模式下，變頻的直流母線電壓高度制約著機端電壓，從而制約了頻率調節范圍，進一步制約了轉速范圍”的理論分析結果。

綜合上述分析可知，在空載情況下，雙回路供電線路的切換過程對變頻拖動系統影響不大；在帶載情況下，單回路供電線路供電一旦發生供電異常，變頻拖動系統將迅速停機；在帶載條件下，雙回路供電線路供電并配有自動切換裝置，盡管存在切換過程中的轉矩波動現象，但足以實現變頻拖動系統的連續運行，可以有效提高供電可靠性。

6結語

通過對4種典型工況進行仿真研究，總結出變頻器輸出電流、轉速、轉矩以及變頻器內部直流母線電壓等參數的變化規律，給變頻拖動系統工業現場應用提供了參考依據。

參考文獻

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[8] 肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2010.

責任編輯馬彤

The Power Supply Reliability Research of Converter in Ammonia Compression Refrigeration System

ZHAO Yuming

(Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013， China)

Abstract：The basic theory and timing method is analyzed, and the limited factor of converter normal working is gotten. The analysis of single and double line power supply line reliability is done, and the influence in converter continual working is gotten. Introduce the method, function and importance of automatic transfer device. The four types of condition is investigated and simulated. The regulation of converter output current, rotor speed, torque, and voltage of DC in converter is summarized. The conclusion could be used for the reference of others domain.

Key words:ammonia compression refrigeration，frequency converter，the reliability of power supply，automatic transfer device，rotor speed，torque

收稿日期：2015-04-27

作者簡介：趙玉明 (1979-)，男，助理研究員，國家一級建造師，注冊安全工程師，主要從事凍結技術開發與應用及凍結監測系統開發與應用等方面的研究。

中圖分類號：TD 611

文獻標志碼:A