液氨压缩制冷系统中变频器可靠供电研究

赵玉明

(天地科技股份有限公司，北京100013)



液氨压缩制冷系统中变频器可靠供电研究

赵玉明

(天地科技股份有限公司，北京100013)

摘要：分析了变频器的基本原理和调速方法，研究了限制变频器正常工作的制约因素。对单回路和双回路供电方式进行了供电可靠性分析，进一步得出了2种供电方式对制冷系统中变频器连续运行的影响。研究了双回路供电自动投切装置的应用方法、作用和重要性。对4种典型工况进行了仿真研究，总结了变频器输出电流、转速、转矩以及变频器内部直流母线电压等参数的变化规律，其可作为变频拖动系统工业现场应用的参考依据。

关键词：液氨压缩制冷；变频器；供电可靠性；自动投切装置；转速；转矩

变频器不仅具有卓越的调速性能，还有明显的节能作用，成为诸多节能应用、速度工艺控制等工业生产现场的首选[1]。

在冻结施工中，人工制冷是重要的环节，也是耗费电能最大的环节。利用变频器拖动制冷压缩机对液氨进行压缩制冷是一项新技术，由于变频器输出的高稳定性和连续性，将会大幅度提高制冷系统的稳定性，确保冻结施工质量和冻结制冷设备的安全可靠运行。冻结施工现场若采用单回路电源供电时，一旦发生线路故障，将直接导致拖动系统停机，造成严重事故或重大经济损失。为提高供电可靠性，现场往往采用双回路电源供电方式[2]，并在双回路电源之间设置自动投切装置；但在切换过程中，供电母线上会出现短时的低电压或暂时失电现象，从而导致变频器的输出转速、转矩发生变化，影响压制冷压缩机系统的稳定连续运行。

本文对单、双回路供电的可靠性进行研究，重点分析双回路供电情况下，自动投切装置在2路供电线路之间切换过程中对制冷压缩机变频拖动系统影响，并进一步分析变频器输出对液氨压缩制冷工艺过程的影响。

1液氨压缩制冷系统

由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器和节流机构等设备组成的制冷系统是一个有机整体，各设备之间必须相互匹配。如果其中任何一个设备的某一个参数发生变化，必然会影响其他设备以及整个系统的工作。

在整个制冷系统中，液氨制冷压缩机是主要的制冷设备，其是一种把原动机提供的机械能转变成工质蒸汽压力能的设备，而制冷压缩机的机械能一般由电动机来完成，因此电动机的供电系统可靠性至关重要。当压缩机正在高速旋转工作时，如果遇到突然掉电，很可能会出现压力升高，从而导致液氨泄漏，若处理不当，会影响设备的使用甚至制冷系统的运转。

在液氨制冷系统中，供电系统的稳定性非常重要，特别是在冻结施工过程中，制冷系统均要求有双路供电，以保障系统供电的安全与可靠性；但在生产实践过程中，制冷系统供电的可靠性与安全性并没有引起足够的重视。冻结施工属于一种高耗能技术，在施工过程中要消耗大量的电能，一般电费约占工程造价的30%，对用电进行节能降耗处理将会直接影响冻结施工成本，所以将变频拖动技术应用于冻结施工中将是未来的发展趋势。

2变频器及其制约因素

变频器是将电压和频率固定不变的交流电变换为电压和频率可变的交流电的装置。为了产生可变的电压和频率，变频器首先要把三相或单相交流电变换为直流电(DC)；然后再把直流电(DC)变换为所需要的三相或单相交流电(AC)[3]。根据变频器原理，变频器的功率回路由整流模块、直流环节和逆变模块组成。以变频器核心的变频拖动系统示意图如图1所示。

图1　变频拖动系统示意图

根据电动机学原理，有：

(1)

式中，n为同步速度；f为电源频率；p为电动机极数。异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，由于极数值不是一个连续的数值(为2的倍数)，所以不适合通过改变极对数来调节电动机的速度。频率是电动机供电电源的电信号，其能够在电动机的外面调节后再供给电动机，这样电动机的旋转速度就可以被自由地控制；因此，以控制频率为目的的变频器是作为电动机调速设备的优选设备。

变频器输出的额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调[4]。在矿井、隧道等建设过程中的冻结施工环节，变频器拖动制冷压缩机对液氨进行压缩制冷过程中，始终工作在基频下调状态。在基频下调情况下，一般采用U/f恒定的控制模式，电动机机端电压与频率存在制约关系。在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，可以忽略，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等，电动机定子的磁感应电势为:

U≈E=4.44Kw1φmfW1

(2)

式中，Kw1为绕组系数；φm为每极最大磁通；f为电源频率；W1为定子绕组匝数。当电源频率变化时，若电压不随着改变，电动机的磁链将会出现饱和或欠励磁。由于电动机设计时电动机的磁链常处于接近饱和值，磁链的进一步增大将导致电动机过饱和，励磁电流急剧增大，这是不允许的[5]。当电动机出现欠励磁时，将影响电动机的输出转矩；因此，在改变电动机频率时应对电动机的电压或电势进行控制，以维持电动机的磁链稳。保持U/f恒定控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时，控制变频器的输出电压，并使二者之比(U/f)为恒定，从而使电动机的磁链基本保持恒定。

变频器内部直流母线电压与机端电压存在制约的关系。变频器输出的交流电压最大值Uab(max)受到直流母线Udc的限制：

Uab(max)=MUdc

(3)

式中，M为脉宽调制最大电压利用率，与脉宽调制的控制方式有关；Uab为变频器输出线电压；Udc为变频器直流母线电压。

由上述分析可知，在U/f恒定控制模式下，变频的直流母线电压高度制约着机端电压，从而制约了频率调节范围，进一步制约了转速范围。

3供电可靠性分析

当采用单回路供电时，一旦线路发生雷击、接地和线路故障等情况，变频器将失去电源输入，直接导致变频器停机，造成严重事故或重大经济损失。

为了提高供电可靠性，防止因停电带来的安全上和经济上的损失，一般在冻结施工现场采用双回路供电。在双路电源之间设置自动切换装置，当正常供电线路发生故障停电时，自动投切装置将负荷与原供电线路脱离，并将负荷切换到备用供电线路上进行供电[6]。

在自动投切装置进行电源切换的过程中，供电母线上出现短时的低电压或暂时失电现象，变频器直流母线电压随之降低。由直流母线电压高度的制约作用可知，当变频器的直流母线电压高度降低后，对应的能够输出的最大机端电压也随之降低[7]。在基频下调情况下，尽管输出转矩可以不变，但允许的输出频率降低，转速条件受限，无法满足负载要求，严重时将直接导致变频器保护停机[8]，从而影响压制冷压缩机系统的稳定连续运行。

4双回路自动切换说明

在矿井、隧道等建设过程中的冻结施工环节，制冷压缩机的变频拖动系统采用双回路供电(见图2)。采用热备用方式，当自动切换装置检测到主母线失电时，相应主变低压侧断路器处于合位；当自动切换装置检测到备用变压器高压侧有压时，跳开工作变压器低压侧断路器，合备用变压器低压侧断路器；当工作变压器偷跳时，合备用变压器低压侧断路器。为防止PT 断线时备自投误动，取主变低压侧电流作为母线失压的闭锁判据。

图2　双回路供电自投切示意图

5仿真分析

系统连接及测试点说明如图3所示。为研究和分析方便，在变频器直流母线、变频器输出端、电动机与负载连接轴上设置测试点。在变频器输出端获得变频器的输出电压Vab和输出电流Iabc，在变频器直流母线上获得变频器的内部直流母线电源Vdc，在电动机与负载连接轴上获得转速n和转矩Te。

图3　测试点说明

下述分别对单回路供电空载、单回路供电满载、双回路供电空载和双回路供电满载等4种情况进行仿真和对比分析。

1)在单回路供电、空载条件下，设置额定电动机的额定转速为120 r/min。系统在0.05 s开始上电，并在1.8 s时切掉电源，系统响应波形如图4所示。由图4可知，在0.05～0.8 s内系统处于空载启动的转速爬升过程；在0.8 s左右时刻，变频器输出电流Iabc开始减小，转速n达到额定值，转矩Te开始减小，变频器内部直流母线电压Vdc维持在额定值；在1.0 s时刻，变频器输出电流Iabc趋于空载电流，转速n在额定转速附近，启动转矩Te趋于空载转矩，系统完成启动过程；系统在1.8 s时刻失去输入电源，变频器内部直流母线逐渐衰减，最终将停机。

图4　单回路供电、空载条件下的系统响应波形

2)在双回路供电、空载条件下，设置额定电动机的额定转速为120 r/min。系统在0.05 s开始上电，并在1.8～1.9 s内完成供电线路切换，系统响应波形如图5所示。由图5可知，1.0 s时刻以前过程与单回路、空载启动过程相同；系统在1.8 s时刻变频器输入端与原供电线路分离，变频器直流母线电压开始衰减；在1.9 s时刻，变频器输入端与备用供电线路闭合，变频器重新获得输入电源，变频器内部直流母线逐渐恢复到正常值，系统维持空载稳定运行状态。

图5　双回路供电、空载条件下的系统响应波形

3)在单回路供电、加载条件下，设置额定电动机的额定转速为120 r/min。系统在0.05 s开始上电空载启动，在1.4 s时开始加载，目标转矩为200 N·m，并在1.8 s时刻切断电源，系统参数波形如图6所示。由图6可知，1.0 s时刻以前过程与单回路、空载启动过程相同；在1.4～1.8 s内逐渐加载，变频器输出电流Iabc逐渐增大，转速维持在额定值附近，转矩Te逐渐增大，变频器内部直流母线电压Vdc维持在额定值附近；在1.8 s时刻变频器输入端与原供电线路分离，转速开始下降、转矩Te迅速衰减，变频器直流母线电压Vdc迅速降低，系统无法维持正常运行，迅速停机。

图6　单回路供电、加载条件下的系统响应波形

4)在双回路供电、加载条件下，设置额定电动机的额定转速为120 r/min。系统在0.05 s开始上电空载启动，在1.4 s时开始加载，目标转矩200 N·m，并在1.8～1.9 s内完成供电线路切换，系统响应波形如图7所示。由图7可知，1.0 s时刻以前过程与单回路供电、空载启动过程相同；在1.4～1.8 s内逐渐加载，变频器输出电流Iabc逐渐增大，转速维持在额定值附近，转矩Te逐渐增大，变频器内部直流母线电压Vdc维持在额定值附近；在1.8 s时刻，变频器输入端与原供电线路分离，转矩Te迅速衰减，变频器直流母线电压Vdc迅速降低；在1.9 s时刻，变频器输入端与备用供电线路闭合，变频器重新获得输入电源，转矩Te和变频器内部直流母线电压Vdc迅速恢复到正常值，系统恢复带载运行状态，但在双回路投切过程中，出现了明显的转矩波动。

图7　双回路供电、加载条件下的系统响应波形

另外，从上述4种情况的仿真波形中均可以看出，变频器的输出电压受到变频器内部直流母线电压的限制，当变频器内部直流母线电压降低时，变频器输出给电动机的机端电压也降低，验证了“在U/f恒定控制模式下，变频的直流母线电压高度制约着机端电压，从而制约了频率调节范围，进一步制约了转速范围”的理论分析结果。

综合上述分析可知，在空载情况下，双回路供电线路的切换过程对变频拖动系统影响不大；在带载情况下，单回路供电线路供电一旦发生供电异常，变频拖动系统将迅速停机；在带载条件下，双回路供电线路供电并配有自动切换装置，尽管存在切换过程中的转矩波动现象，但足以实现变频拖动系统的连续运行，可以有效提高供电可靠性。

6结语

通过对4种典型工况进行仿真研究，总结出变频器输出电流、转速、转矩以及变频器内部直流母线电压等参数的变化规律，给变频拖动系统工业现场应用提供了参考依据。

参考文献

[1] 俞震华.变频技术对大功率电动机性能影响分析[J].电工技术,2011(3):54-57.

[2] 刘强,冯志华.变频器的同步控制分析[J].电机与控制学报,2005(5):436-438.

[3] 郑贤德.制冷原理与装置[M].北京:机械工业出版社,2001.

[4] 李福.煤矿井下双回路供电系统运行方式的革新与优化[J]．工矿自动化，2011(7)：24-26.

[5] 郭景礼，陈寿新，肖军娜.智能配电网技术在油田智慧矿区建设中的应用[J]. 新技术新工艺,2014(10):32-35.

[6] 张子富.化工企业连续供电方式的实现[J].电气应用，2006，25(6)：95-98.

[7] 祁宇.炼化企业“晃电”影响分析及对策[J].电气应用，2011(3)：44-47．

[8] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2010.

责任编辑马彤

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

作者简介：赵玉明 (1979-)，男，助理研究员，国家一级建造师，注册安全工程师，主要从事冻结技术开发与应用及冻结监测系统开发与应用等方面的研究。

中图分类号：TD 611

文献标志码:A