變頻調速技術在化工高壓料漿泵中的應用研究

廖寅升　孫立柱　江月新

【摘 要】高壓料漿泵作為化工企業中的關鍵設備，其穩定運行對整個系統的安全運行影響重大。變頻器在交流拖動系統應用中呈現優良的控制性，可以實現軟起動和無級調速，進行加減速控制，使電動機獲得高性能，而且具有顯著的節能效果。所以應用變頻調速技術對化工料漿泵進行控制研究，可以提高企業生產效率和產品質量，同時也具有節能作用。

【摘 要】高壓料漿泵；變頻調速；節能

0 引言

隨著社會的不斷發展，變頻調速已成為一項廣泛應用的節能技術。

三相異步電動機主要調速類型有調壓調速、電磁轉差離合器調速系統、繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速、繞線轉子異步電動機串級調速、變極對數調速、變頻調速等數種方法。其核心技術是變頻調速，即把直流電逆變成不同頻率的交流電，或者把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電。電動機交流變頻調速技術是當今節點、改變工藝流程以提高產品質量和改善環境、推進技術進步的一種主要手段。變頻調速技術以其優異的調速性能和起制動性能、高效率、高功率因數、優異的節電效果、廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為最理想的調速方式[1]。

在化工企業水煤漿氣化裝置中的高壓料漿泵作為系統核心設備，工藝中不但要求其轉速控制精密高，同時又要保證其穩定性，為此對高壓料漿泵進行變頻調速控制，本文變頻調速器使用ABB公司ACS800變頻器。

1 變頻器的基本組成和各部分作用

1.1 變頻器基本組成

交—直—交型變頻器的主電路框圖如圖1，主電路主要包括整流器、中間環節、逆變器三部分[2]。

1.2 各部分作用

1.2.1 整流器

整流器的作用是通過電力開關器件將電網供給的三相交流電整流成直流電。

1.2.2 中間環節

經過整流器整流后的直流電壓或直流電流含有頻率為電源頻率6倍的波紋，如果未經處理直接供給逆變器，則逆變后的交流電壓或電流波紋會很大，會給電機造成很大的傷害，因此必須對整流后的輸出進行濾波，以減少電壓或者電流的波動。同時由于電機處于電動或者發電制動狀態，其功率引述不可能為0，在中間環節和發電機之間始終存在無功功率的交換，這種無功能量需要中間環節的儲能元件來（電容器和電抗器）來緩沖，所以中間環節的主要作用是濾波和能耗制動。

1.2.3 逆變器

逆變器的作用是通過電力開關器件把直流電壓或者電流逆變成三相交流電，通過有規律的控制逆變器中主開關器件的通和斷，可以得到任意頻率三相交流電壓和電源。

1.2.4 控制電路

控制電路常由計算電路、檢測電路、控制信號的輸入和輸出電路和驅動電路等構成，其主要作用是完成對逆變器開關的控制，對整流器的電壓控制及完成電路的各種保護功能等，控制方法可以采用模擬控制和數字控制等。現在普遍使用的高性能變頻器已經采用微型計算機全數字控制，這樣可以在盡可能簡單的硬件電路基礎上，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數字控制常可以完成模擬控制難以完成的功能。

2 變頻調速系統方案設計

2.1 系統結構

高壓料漿泵控制原理圖如圖2所示。

系統主要由ABB變頻器、交流電源控制元器件及控制回路組成。其中，電源控制元器件包含電源空開和交流接觸器，由其控制變頻器的通斷電源，負責向變頻器提供電源。變頻器為高壓料漿泵實現變頻控制的基礎，由其實現對電機的變頻控制。控制回路主要實現對主電源的接觸器的控制、變頻器的控制及各種運行指示等功能。

2.2 變頻器的控制原理及系統工作過程

本次實際的控制方式采用操作室及現場分地控制，變頻器自身配置的液晶面板僅僅提供查閱、設置相關參數之用，同時高壓料漿泵運行信號、電流、頻率等信號引入DCS，使操作人員直觀的查閱到精確的電機轉速，從而計算料漿的流量。

本系統完成的是對一臺設備的拖動和保護作用，系統主要考慮工藝生產要求未引入工頻控制，僅僅運行于變頻控制狀態下。系統運行過程如下，由現場控制交流接觸器的通斷，為變頻器主回路送電；合上轉換開關SK后，變頻器啟動；最后通過控制在操作室內的按鈕SB1和SB2即可控制變頻器的轉速。

2.3 變頻器應用中的干擾及其抑制

變頻器就是將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉換為頻率可調方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性元件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產生高次諧波[3]。

為防止諧波干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾（下轉第20頁）（上接第8頁）措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。

具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。本次采用在變頻調速系統中加裝電抗器抑制諧波的方法（如圖3所示）。

同時，由于高壓料漿泵為往復式工作原理，因此導致其負載變化非常大，從而引起電機電流和變頻器直流母線變化波動也很大，嚴重的時候引起變頻器保護跳車，從而引起氣化水煤漿制氨裝置生產線停車，產生的影響和損失都比較大，因此，在變頻器直流母線上串接制動單元和制動電阻，抑制其直流母線電壓波動，保證生產系統的穩定。

3 系統特點

根據長時間的運行測試，并根據現場的數據比較，可以發現變頻器調速具有如下優點：

1）高壓料漿泵啟動時，電流上升平穩，不會產生沖擊電流，具有很好的軟啟動性能。

2）高壓料漿泵的轉速實時在線可調，可以根據生產料漿的要求，動態的調整頻率。

3）變頻器可以提高功率因數，在測試時電機的功率因數可以達到0.98，避免了增加無功補償，節約了一定的投資。

4）變頻器控制系統完善，一方面可以操作人員在操作室即可以調整變頻器頻率值，另一方面把轉速轉換成4～20mA信號，對應頻率0Hz～50Hz，轉速0～980r/min，可以在DCS上面隨時可以觀察到變頻器運行狀態和轉速。

5）由于工藝要求高，引入工藝連鎖跳車信號，接入ABB變頻器DI5與+24V端子，閉合狀態為正常開車狀態，斷開為工藝跳車，變頻器停止運轉，同時顯示為EXTERNAL FAULT（外部故障報警），這樣就可以迅速的判斷故障原因。

6）高壓料漿泵為37kW，對應最高轉速為980轉，工藝生產正常大概需要在680轉，因此在運行過程中具有節能效果，減少生產成本。

4 結束語

本化工高壓料漿泵變頻系統效果顯著。通過后期運行觀察，裝置的穩定性大大提高了，并且減少了設備的故障率和各種檢修的費用，而且工藝人員的操作更加方便。考慮到當前的資源形式，變頻器必將對節能減排、可持續發展帶來更深遠的影響。

【參考文獻】

[1]肖鵬生，張文，王建輝.變頻器及其控制技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]鄭旭東，關鴻權.吳赤兵.通用變頻器運行過程中存在的問題及對策[J].石化技術，2001，8（4）.

[3]吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊[S].北京：機械工業出版社，1995.

[責任編輯：楊玉潔]