ACSl000中压变频器在ABS树脂挤压电动机上的应用

1引言
    在大庆石油化工总厂化工厂5万t/年ABS树脂装置中，5台ABS树脂挤压电动机均为直流机。直流机虽然具有良好的起动性能、较强的过载能力，能在很宽的范围内平滑而经济地调速。但直流机换向器必须经常检查和维修，碳刷必须定期更换，因此维检工作量大。由于挤压电动机直流控制系统为日本大林公司产品，备品备件价格十分昂贵，致使维修费用增高。为了解决这个问题，在5万/T年ABS树脂装置增容为10万T/ABS树脂装置的改造中，新增的ABS树脂挤压电动机采用三相鼠笼型感应电动机，并采用变频调速控制。

2系统要求及方案确定
2．1节能要求
    电气节能是国家节能战略的重要组成部分。因此本次ABS装置扩容改造必须选用节能型设备。特别本次新增的ABS树脂挤压电机为1 630 kW，采用节能方案是必然的要求。
2．2可靠性要求
    ABS树脂挤压机为本次扩容改造的核心设备，它的不正常运行将导致整条挤压造粒线停车。为了保证ABS树脂的正常生产，挤压电动机必项保证运行可靠。因此，新增的ABS挤压电动机考虑采用变频调速方案，并要求变频调速系统具有高可靠性，对变频调速系统有以下要求：
  1）长周期无故障运行。
  2）能在很宽的范围内平滑而高效地调速。
  3）可根据树脂聚合物的供给量升降速。
  4）具有远程上位机监控功能。
2.3设备选型
    对比国内外市场上各个厂商的变频调速方案，ABB公司的中压变频器调速方案以技术先进、性能稳定，且在大庆石化公司有成功的案例而中标。本次变压器、电机和变频器都采用ABB公司的产品。

3系统原理概述
3．1变频器简述
    ACS1000是应用于鼠笼式感应电动机的三相变频器。采用成熟的微处理器控制技术来监控电动机的电磁状态。这些数据配合直接转矩控制技术（DTC）可以达到近乎完美的无传感器电动机控制。外加脉冲编码器反馈后，可以应用于精确的速度控制，或长期运行于接近零速区域的应用场合。ACSl000变频器的输出电压接近正弦，它可以方便的用于现在所使用的标准感应电动机而不需要降容，因此是改造项目的理想选择。
  （1）无熔断器设计
    ACSl000是一种无熔断器保护的中压变频器。这种专利设计采用新型的功率半导体开关元件IGCT作为回路的保护。置于直流回路和整流桥之间的IGCT不同于传统的熔断器，它可以在25微秒内直接将逆变部分和整流部分快速隔离，其快速性是熔断器的1000倍。
    ACSl000变频器所具备的硬件和软件保护特性可以有效的保护变频免受非正常的操作和设备误动作所造成的故障和损坏。
  （2）控制设备
    ACSl000变频器具有先进的本地控制和远程控制特性，控制设备集成在变频器柜体内部，提供基于过程控制、保护和监控功能的全数字和微处理器技术，提供了硬件保护电路的备份。
    CDP 312控制盘是基本的用户接口，用户可以通过它监控，修改参数和控制ACS1000变频器的运行。
3．2系统控制原理
  （1）系统构成
    三相交流电源通过三绕组变压器对整流桥供电（见图1）。为了获得12脉波整流，变压器两个副边绕组之间必须存在30°的相位差。副边一个绕组为星形接法，另一个绕组为角形接法。

    为进行三电平切换运行，三相逆变器的每个桥臂由2个IGCT组成：IGCT的输出电压在正直流电压、中性点（NP）和负直流电压之间切换。因此，采用DTC技术，就可以对输出的电压和频率在0～最大值之间进行连续的控制。
    在变频器的输出需要加LC滤波器，用于减小输出电压中的谐波含量。采用该滤波器之后，输送给电机的电压波形接近于正弦波（见图2）。因此，标准电机可以直接按额定容量使用。该滤波器还消除了dv/dt的影响．因而电机电缆中电压的反射和电机绝缘的损害影响都完全被消除了。
    充电电阻在变频器上电时限制直流回路的电流。当直流电压达到79％额定值时，IGCT导通，充电电阻被旁路掉。保护IGCT的主要作用就是在出现故障时迅速关断，以保护整流桥。逆变器的共模电流由共模电抗器进行限制，并通过共模抑制电阻进行衰减。由于结构的特殊性，共模电抗器可以对通过变压器副边电缆、直流回路、输出滤波器和变频器内部接地母排流动的共模电流提供全面的抑制。另一方面，对于主同路直流电流几乎没有任何限制，主电流可以自由通过。

变压器、电动机参数（如表1所示）

  两个无熔断器的整流桥串联连接，因此直流电压为两整流轿的叠加。两个整流桥均流过全部直流电流。
3．3变频器的操作和监控
  ACSl 000变频调速可在本机操作，也可在远程操作。变频器采用DCS对柜内的开关信号进行逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号协调，并且可根据用户的需要扩展控制开关量，增强系统的灵活性。变频器可由上位机控制进行调速操作，当进料量大时高速运行，当进料量小时低速运行。完全可以满足工艺要求。上位机可以远程监控，利于设备的远程诊断和维护。
3．4设备运行情况
    通过7个多月的运行，ACSl 000变频器表现出以下优点：
  1）性能稳定。运行期间没发生因变频器故障而停车的情况，为ABS装置的平稳生产提供了强有力的保证。
  2）节能明显，大大降低了电能损耗。
  3）真正实现了软起动、软停机，减少了对电动机和挤压机设备的机械冲击。
  4）抗电网波动能力强。当系统电压有波动时仍能正常运行。

4节能效果分析
    实际，节能效果按每年运行8160小时（340天）计算，在高压馈电柜实际测得运行数据如表2所示。

挤压机的变频运行能耗
W₁=1.732UI₁COSφ
   =1.732×6×92×0.97=927KW
    挤压机的变频运行使功率因数由0. 85提高到0.97，如果挤压电动机在工频6 kV运行，功率因数只能达0.85。
  挤压机的工频运行电流I₂
I₂=W₁÷1.732÷U÷0.85=105A
I₃=I₂-I₁=13A
实际节能W₃
W₃=1.732UI₃cosφ8 160h
   =1.732×6×13×0.97×8160=1068960kW•h
    综上所述，挤压机的变频运行不仅满足了工艺要求，而且节约了大量电能。