ABB ACS1000高压变频器在石化厂富气压缩机上的应用

一、 前言

        随着电力电子技术与变流技术的发展，高压大容量变频调速技术在国内外得到了长足的发展和广泛的应用，特别是高压变频用于拖动大功率风机、泵等设备时节能效果显著，经济效益可观。石化厂焦化车间催化裂化装置富气压缩机是该装置的关键设备，因工艺要求需要调速，传统的调速方式采用透平机，占地面积大，效率低，随着高压大容量变频调速技术的发展，高压变频器已得到了广泛的应用。焦化富气在压缩机运行过程中，分子量变化大，压缩机转速高，最高转速达12000转/分钟以上，对变频器动态性能要求高，针对武汉石化焦化车间催化裂化装置富气压缩机，我们经综合考查，考虑到当前最先进高压变频器的已投运使用情况、性价比、电机适应能力、动态响应速度、体积、冷却方式、输入输出波形情况、噪音指标等因素，最终在此项目中选择了ABB 公司的ACS1000系列12脉冲水冷型直接转矩控制高压变频器。

二、 ACS1000的主要特点

　世界电气巨子ABB公司生产的ACS1000系列高压变频器属直接高－高型高压变频器，功率范围315KW——5000KW，输出电压等级有2.3，3.3，4.16KV，当接6KV电压等级电机时，需将电机改成三角形接法。3.3KV电压等级的变频器，容量在2150KVA及以下的变频器采用风冷，容量在2150KVA及以上的变频器采用水冷。

图一

　 ACS1000高压变频器对电机和电机电缆无特殊要求，也无需电机降容使用，完全适用国产电机；ACS1000高压变频器元件少，结构紧凑，体积小，系统集成简单；ACS1000采用了功率器件IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor 集成门换流晶闸管），IGCT快速、均衡换流，内在低损耗， ACS1000是电压源型变频器，直接采用IGCT高压功率器件，与其它拓补结构的变频器相比，大大减少了功率器件数量，主回路原理图如图一所示，结构更简单，效率更高，可靠性也高了许多。

   ACS1000的直流回路采用IGCT代替熔断器作为变频器主回路的保护，IGCT分断时间是25μs，比传统的熔断器快1000倍，大大提高了关断速度，从而提高保护的可靠性。IGCT 还具有以下优点：

    ① 续流二极管集成在同一芯片上     ② 不需缓冲电路     ③控制门电路与功率元件集成于一体     ④可靠性极高（元件总数少）     ⑤ 功率密度高（元件总数少而且损耗低）

    ACS1000采用直接转矩控制（DTC）技术, 不需要在电机轴上安装脉冲编码器而具有精确的速度和转矩控制，DTC能在零转速时输出满转矩。在DTC中，定子磁通和转矩作为主要控制变量，通过高速的数字信号处理器，将电机运行实际值与参考值不断的进行比较，实现对逆变器中的每个开关状态进行分别确定，这样传动装置始终处于最佳开关组合，从而对负载突变或电源干扰所引起的动态变化作出快速的响应。

三、 系统的构成及特点

    如图二所示，变频调速系统由工/变频高压进线柜、12脉冲隔离变压器、ACS1013-W1-T0高压变频器、高压切换柜、PLC控制箱和国产2200KW电机构成。

    1、工频进线高压柜作为变频回路故障状态下保证电机和压缩机运行的后备保证，正常情况下由变频进线柜向变频器供电，变频器进线高压柜必须由变频器控制其分合闸。

    2、12脉冲隔离变压器由国内生产，变压器有2个次级绕组，一个为Y接法，一个为Δ接法，两绕组同相间有30。相位差。采用了12脉冲隔离变压器的ACS1000变频器已满足了IEEE519－1992和UK G.5/3中对电压和电流谐波的要求。

    3、高压切换柜是配合电机工/变频切换之用，当高压真空接触器KM2、 KM3闭合时，电机为Δ接法,此时电机额定电压3.465KV，当要求电机工频运行时，高压真空接触器KM1、KM4闭合，电机连接到电网，直接通过工频进线柜由工频直接启动。

    4、PLC控制箱主要负责各逻辑连锁以及与压缩机DCS系统进行通讯。当变频器就绪和工频进线合闸后，若DCS系统发出机组启动信号，则高压切换柜KM2、KM3合闸，切换柜自动投入变频运行方式，机组自动优先启动变频器运行。变频调速系统采用闭环控制，由压缩机DCS控制系统输出速度给定值（4～20mA）给变频器，由变频器驱动电动机平滑启动，同时变频器输出电机的运行/停止、故障、运行、电机电流、功率、水温等信号给DCS系统。 当变频进线高压柜处于分闸位置或变频器故障时，若DCS系统发出机组启动信号，则高压柜KM1、KM4合闸，切换柜自动投入工频运行方式，机组进入工频运行状态。PLC输出机组工频运行等信号给DCS系统。

    5、水冷系统：变频器标准配置采用水冷方式，比较风冷方式的变频器而言，水冷型变频器具有以下优点：

    ①水冷系统可保证整个系统工作在最佳温度点，而风冷系统对外界环境波动敏感，不易保持在最佳工作点。对于电子控制系统，工作在最佳温度点意味着高可靠性和最长的使用寿命。

    ②水冷系统对环境要求低，而空冷系统对环境要求高，变频系统最佳工作点在0～40℃，2200KW变频器的效率为98%也即意味着有44KW的热量需要散发，风冷系统将此44KW的热量排走需用一大容量的空调设备，投资大，长期运行费用高。

    ③风冷系统靠外风循环，对室内环境要求严格，灰尘很容易在高压变频器内元器件和过滤网上集结，容易造成故障， 也势必增加设备维护量。

    ④水冷系统不需要大功率的冷却风机，因此噪音小，而空冷系统噪音大。

   ⑤由于ACS1000对外循环水系统的水质要求不高，可充分利用石化厂生产装置循环冷却水，无需额外投资。

    ACS1000水冷系统分冷却水和循环水，冷却水和循环水是分离的两回路，冷却水将变频器功率器件产生的热量与外部循环水通过热交换器的热交换将变频器产生的热量带走，变频器在辅助电源上电后自动检测冷却水电导率，当电导率超过变频器设定的电导率指标时，自动启动水冷系统除离子设备工作。

     6、变频节能与防喘振协调控制：具有驼峰型特性的大容量压缩机的喘震问题是系统设计必须考虑的重要问题，变频器正常工作时，系统通过变频调速与防喘振的协调控制，尽可能减少气体回流量，同时确保流量大于安全操作线流量（如图三所示），使系统不发生喘震现象，做到良好的节能与防喘振协调控制效果。

    图中P2/P1为压缩机出口绝压与入口绝压之比，Q为压缩机流量。

四、 系统调试

系统的联调

    1、 系统常规检查：ACS1000高压变频器因在出厂前做了严格的空载和带载测试，使得在现场调试上电前的检查工作非常简单，通常的检查工作有外观和外部线路连接检查、逻辑检查、IGCT检查、变频器整体对地直流耐压试验等。

    2、 变频器上电：上电后变频器自动启动风机和内部循环水除离子回路工作，内循环水的电导率是变频器允许MCB合闸的条件之一，

    3、 作为常规调试的一部分，电动机要进行ID辨识运行。将电动机铭牌上的电动机基本数据输入到变频器之后，以手动方式启动电动机ID辨识运行。ID运行一旦开始，整个识别运行将全自动进行。在ID辨识运行期间，变频器通过监测电动机对所施加的电源的响应建立精确的电动机模型，DTC控制器就是利用在个模型精确地扩展变频器和电动机的运行。 整个ID辨识识别运行大约需要2分钟。 电动机可以在带负载的情况下作ID辨识识别运行；但为了取得最佳的效果，须将负载脱离。

    4、 空载和带载运行：由于该变频器是电压型变频器，与电流型变频器相比，无需对不同负载条件下的变频器参数反复调整，调试也显简单,在实际带电运行调试时,先空负荷运行,然后带负荷运行并调整相关参数至最佳值即可. 在调试过程中,我们用装有DR