【壓縮機網】摘要：通過對離心式循環壓縮機運行工藝的了解，山東某化工企業采用英威騰研發、生產的高壓變頻器對電機進行調速改造，取得了很大的節能效益。
一、引言
山東某化工企業主要以重油的生產和銷售為主，主要產品包括93#、90#車用無鉛汽油、液化氣、柴油、焦炭、輕質油、丙烯等;其中高壓變頻器應用在丙烯車間的循環氣壓縮機上。此負載設備為離心式循環壓縮機，參數如下：
二、應用環境分析
工藝流程如圖1所示。
在實際應用中，工頻時每次啟動壓縮機都是重載啟動，啟動起來十分不容易，同時還給工藝上帶來很大隱患，比如噪音大，啟動電流大，影響設備壽命，壓力突變等。另外，由于負載的波動性較大，電機很少在滿載情況下運行，僅依靠關出口閥、打回流來調節流量，浪費嚴重，能耗較高，運行十分不經濟。為了解決這一系列問題，通過多方調研，我廠決定采用高壓變頻器對電機進行調速改造。
三、系統方案提出
3.1 變頻調速原理
按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：
n=(1-s)60f/ P =n0×(1-s) ………①
式中：
P-電機極對數;
f-電機運行頻率;
s-滑差。
從式中看出，電機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小(0-0.05)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。
而改變頻率必須改變供電電壓，由交流電機成立的電磁關系式：
E=4.44fwΦ………②
式中：E-電機電動勢，f-定子頻率，W-繞組系數，Φ-氣隙主磁通。
對異步電機調速時，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改變頻率時，供電電壓也應跟著變化。
3.2 高壓變頻器技術路線的選擇
目前，因為功率器件耐壓的限制，高壓變頻器沒有像低壓變頻器一樣，有統一的拓撲結構。目前，市場上主流的高壓變頻器多采用單元串聯多電平的拓撲結構，系統結構如圖2所示。
由于這種結構是利用低壓功率器件實現高壓，巧妙的避開了電力電子功率器件耐壓不足的問題。同時通過前端的移相變壓器，實現了多脈沖整流，具有對電網諧波污染小的優點，有些廠家又把這種變頻器稱為“完美無諧波變頻器”。在變頻器的內部控制上，利用功率單元輸出波形的移相疊加，形成多電平輸出電壓波形，可以直接適配普通國產異步電機，對電機的絕緣沒有特殊要求，并且具有脈動轉矩小，無共模電壓的明顯優點。因為技術成熟，低壓功率器件易于采購，因此成為市場上的主流方案。通過廠家的介紹和其它兄弟單位的現場考察，我們確定了英威騰研發、生產的高壓變頻器CHH100產品。
3.3 一次主回路方案
通過咨詢，決定采用一拖一手動旁路方案：主回路由用戶開關、3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3及高壓變頻器組成(如圖3)。其中要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。高壓隔離開關QS1、QS2、SQ3加裝電磁鎖，電磁鎖的操作電源使用用戶開關的輔助觸點閉鎖。只有當用戶開關斷開時，QS1、QS2、SQ3的電磁鎖才能得電，可以正常操作。在變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開，變頻器得電啟動后，電機處于變頻運行狀態;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開，用戶開關閉合后，電機實現工頻直接啟動，恢復改造前的運行狀態。
四、整體使用效果
4.1 現場技術數據：
改變頻后比工頻運行時的參數對比表：
①年運行時間T：360天
②上網電價L：0.65元，節電費總額M。
4.2未改造前，電機工頻狀態下的年耗電量計算
電動機在工頻狀態下，現場運行記錄如下：
輸入電壓Ua:6kV;輸入電流Ia平均值：47A;P：電動機功率;I：電動機輸入電流;U：電動機輸入電壓;cosΦ：功率因子。
計算公式：Pa=√3×U×I×cosΦ=√3×6×47×0.47=230kW，年運行時間T=360×24=8640h，累積年耗電量：Ca=T×Pa=8640×230=1987200度，因此采用工頻運行時年用電費=1987200×0.65=1291680元≈129.2萬元。
4.3改造后，電機變頻狀態下的年耗電量計算
輸入電壓Ub:6kV;輸入電流Ib平均值：7A;P：電動機功率;I：電動機輸入電流;U：電動機輸入電壓;cosΦ：功率因子。
計算公式：Pb=√3×U×I×cosΦ=√3×6×7×0.85=62kW，采用變頻運行時，累積年耗電量：Cb=T×Pb=8640×62=535680度，因此采用工頻運行時年用電費=535680×0.65=348192元≈34.8萬元。
4.4節能計算
根據公式：△C=Ca-Cb，節電率=(△C/Ca)×100%，
得出下面的數據：
年節電量：△C=Ca-Cb=1987200-535680 =1451520度;
年節電率：(△C/Ca)×100% =1451520/1987200=73.0%
節省電費為M=1291680-348192 =943488元≈94.3萬元。
4.1 變頻器運行情況
采用變頻調速后，帶來的z*大好處有以下幾點：
電機實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網沖擊很小。
壓縮機出入口壓力差降低了很多。以前壓差5公斤，設備嘯叫嚴重，能達到120分貝;改變頻后壓差為0.8公斤，噪音僅為75分貝左右。從而減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，降低了噪音，有效的延長了電機的使用壽命，相應地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。
輸入電流減少很多，以前電流很多都做了無用功，浪費極大。
提高了功率因數。
五、客戶評價
通過對離心式壓縮機改造前后的對比，達到了預期的節能效果，給用戶的生產降低了成本，減少了生產設備的維護工作;目前英威騰CHH100高壓變頻器運行穩定，生產持續，受到生產車間、維護班組和公司領導的高度評價。
六、結束語
通過對循環氣壓縮機的電機變頻調速改造，有效解決了之前運行過程中出現的啟動困難問題，改善了生產工藝，延長了設備檢修周期，并且取得了良好的經濟效益。隨著高壓變頻器市場的進一步成熟，將會有越來越多的設備列入改造之列，為國家的節能減排做出突出貢獻。
參考文獻
[1]《CHH100系列高壓變頻器產品說明書》，深圳市英威騰電氣股份有限公司
[2] 仲明振 趙相賓，《高壓變頻器應用手冊》，機械工業出版社，2010-09出版
【壓縮機網】摘要：通過對離心式循環壓縮機運行工藝的了解，山東某化工企業采用英威騰研發、生產的高壓變頻器對電機進行調速改造，取得了很大的節能效益。
一、引言
山東某化工企業主要以重油的生產和銷售為主，主要產品包括93#、90#車用無鉛汽油、液化氣、柴油、焦炭、輕質油、丙烯等;其中高壓變頻器應用在丙烯車間的循環氣壓縮機上。此負載設備為離心式循環壓縮機，參數如下：
二、應用環境分析
工藝流程如圖1所示。
在實際應用中，工頻時每次啟動壓縮機都是重載啟動，啟動起來十分不容易，同時還給工藝上帶來很大隱患，比如噪音大，啟動電流大，影響設備壽命，壓力突變等。另外，由于負載的波動性較大，電機很少在滿載情況下運行，僅依靠關出口閥、打回流來調節流量，浪費嚴重，能耗較高，運行十分不經濟。為了解決這一系列問題，通過多方調研，我廠決定采用高壓變頻器對電機進行調速改造。
三、系統方案提出
3.1 變頻調速原理
按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：
n=(1-s)60f/ P =n0×(1-s) ………①
式中：
P-電機極對數;
f-電機運行頻率;
s-滑差。
從式中看出，電機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小(0-0.05)，電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。
而改變頻率必須改變供電電壓，由交流電機成立的電磁關系式：
E=4.44fwΦ………②
式中：E-電機電動勢，f-定子頻率，W-繞組系數，Φ-氣隙主磁通。
對異步電機調速時，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改變頻率時，供電電壓也應跟著變化。
3.2 高壓變頻器技術路線的選擇
目前，因為功率器件耐壓的限制，高壓變頻器沒有像低壓變頻器一樣，有統一的拓撲結構。目前，市場上主流的高壓變頻器多采用單元串聯多電平的拓撲結構，系統結構如圖2所示。
由于這種結構是利用低壓功率器件實現高壓，巧妙的避開了電力電子功率器件耐壓不足的問題。同時通過前端的移相變壓器，實現了多脈沖整流，具有對電網諧波污染小的優點，有些廠家又把這種變頻器稱為“完美無諧波變頻器”。在變頻器的內部控制上，利用功率單元輸出波形的移相疊加，形成多電平輸出電壓波形，可以直接適配普通國產異步電機，對電機的絕緣沒有特殊要求，并且具有脈動轉矩小，無共模電壓的明顯優點。因為技術成熟，低壓功率器件易于采購，因此成為市場上的主流方案。通過廠家的介紹和其它兄弟單位的現場考察，我們確定了英威騰研發、生產的高壓變頻器CHH100產品。
3.3 一次主回路方案
通過咨詢，決定采用一拖一手動旁路方案：主回路由用戶開關、3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3及高壓變頻器組成(如圖3)。其中要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。高壓隔離開關QS1、QS2、SQ3加裝電磁鎖，電磁鎖的操作電源使用用戶開關的輔助觸點閉鎖。只有當用戶開關斷開時，QS1、QS2、SQ3的電磁鎖才能得電，可以正常操作。在變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開，變頻器得電啟動后，電機處于變頻運行狀態;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開，用戶開關閉合后，電機實現工頻直接啟動，恢復改造前的運行狀態。
四、整體使用效果
4.1 現場技術數據：
改變頻后比工頻運行時的參數對比表：
①年運行時間T：360天
②上網電價L：0.65元，節電費總額M。
4.2未改造前，電機工頻狀態下的年耗電量計算
電動機在工頻狀態下，現場運行記錄如下：
輸入電壓Ua:6kV;輸入電流Ia平均值：47A;P：電動機功率;I：電動機輸入電流;U：電動機輸入電壓;cosΦ：功率因子。
計算公式：Pa=√3×U×I×cosΦ=√3×6×47×0.47=230kW，年運行時間T=360×24=8640h，累積年耗電量：Ca=T×Pa=8640×230=1987200度，因此采用工頻運行時年用電費=1987200×0.65=1291680元≈129.2萬元。
4.3改造后，電機變頻狀態下的年耗電量計算
輸入電壓Ub:6kV;輸入電流Ib平均值：7A;P：電動機功率;I：電動機輸入電流;U：電動機輸入電壓;cosΦ：功率因子。
計算公式：Pb=√3×U×I×cosΦ=√3×6×7×0.85=62kW，采用變頻運行時，累積年耗電量：Cb=T×Pb=8640×62=535680度，因此采用工頻運行時年用電費=535680×0.65=348192元≈34.8萬元。
4.4節能計算
根據公式：△C=Ca-Cb，節電率=(△C/Ca)×100%，
得出下面的數據：
年節電量：△C=Ca-Cb=1987200-535680 =1451520度;
年節電率：(△C/Ca)×100% =1451520/1987200=73.0%
節省電費為M=1291680-348192 =943488元≈94.3萬元。
4.1 變頻器運行情況
采用變頻調速后，帶來的z*大好處有以下幾點：
電機實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網沖擊很小。
壓縮機出入口壓力差降低了很多。以前壓差5公斤，設備嘯叫嚴重，能達到120分貝;改變頻后壓差為0.8公斤，噪音僅為75分貝左右。從而減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，降低了噪音，有效的延長了電機的使用壽命，相應地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。
輸入電流減少很多，以前電流很多都做了無用功，浪費極大。
提高了功率因數。
五、客戶評價
通過對離心式壓縮機改造前后的對比，達到了預期的節能效果，給用戶的生產降低了成本，減少了生產設備的維護工作;目前英威騰CHH100高壓變頻器運行穩定，生產持續，受到生產車間、維護班組和公司領導的高度評價。
六、結束語
通過對循環氣壓縮機的電機變頻調速改造，有效解決了之前運行過程中出現的啟動困難問題，改善了生產工藝，延長了設備檢修周期，并且取得了良好的經濟效益。隨著高壓變頻器市場的進一步成熟，將會有越來越多的設備列入改造之列，為國家的節能減排做出突出貢獻。
參考文獻
[1]《CHH100系列高壓變頻器產品說明書》，深圳市英威騰電氣股份有限公司
[2] 仲明振 趙相賓，《高壓變頻器應用手冊》，機械工業出版社，2010-09出版
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