高压变频系统在PVC糊树脂装置冷水站中的应用

李贺，田金凤，王双勇

(1.中蓝长化工程科技有限公司沈阳设计院， 辽宁 沈阳 110026；2.沈阳化工股份有限公司， 辽宁 沈阳 110026)

某企业20万t/a PVC糊树脂装置搬迁改造项目配套的冷水站水泵功率为560 kW，电压10 kV。因生产工艺的要求，采用了国产变频系统对水泵进行变频调节，开车后运行良好。

1 变频调速系统介绍

变频系统采用一拖一的驱动方式，1台变频器驱动1台电动机，另外1台电动机配置1套手动切换装置，根据现场的需要，变频器可以对电动机进行变频调速控制，也可以在变频器出现故障的情况下实现电动机工频启动。整个系统包括1台高压变频器和1套手动旁路切换装置，主回路接线示意图如图1所示 。

2 变频调速系统组成

变频调速系统由移相变压器、整流单元、逆变单元和控制单元4部分组成，采用单元串联多电平结构。

图1 电动机主回路接线示意图Fig.1 Wiring diagram of main circuit of motor

变频器输入电压10 kV,输出电压10 kV,每相8个功率单元，共24个功率单元。每台功率单元整流部分由6个二极管组成，将三相交流电变为直流电，并通过电容器来保持直流电压稳定。直流母线电压通过IGBT逆变单元向电动机输出电能，逆变单元采用PWM控制，实现不同频率和不同电压输出到电动机的定子绕组[1-2]。

2.1 移相变压器

移相变压器起着隔离、移相、变压等作用，保证电网和整流单元的隔离，为整流单元提供电压输入。隔离变压器在提供内部阻抗的同时也减少了对下游设备的影响。每台隔离变压器的变比设计为10 kV/24×690 V，10%阻抗，由电网送来的三相10 kV交流电接入隔离变压器一次接线铜排，变压器包含24个二次绕组，形成48脉冲整流结构。其网侧电流仅含48 k±1及以上次谐波，各次谐波的有效值与其谐波次数成反比，而与基波有效值的比值是谐波次数的倒数。隔离变压器采用不同的变压器连接方式，各功率单元的电源有不同的相位关系，形成多重化连接。多重化移相可以改善变压器输入侧的电流波形，对电网的谐波污染小，输入功率因数高[1]。

2.2 控制器

控制平台由6713一体化主控板、ARM小屏以及西门子 PLC模块组成。ARM小屏是系统的人机界面，与6713一体化主控板通过RS232通讯，通信协议为MODBUSRTU协议。其中ARM小屏作为主站，6713一体化主控板作为从站。ARM 小屏的主要功能包括监控系统运行情况、设置系统参数、波形显示、报警保障事件记录。6713 一体化主控板是控制平台的核心，主要功能包括：①对输入电压、电流，电动机电压、电流进行采样;②电动机核心控制算法;③变频器、电动机的报警故障逻辑保护;④通过光纤与单元控制板通讯;⑤与ARM 小屏和西门子 PLC 通讯。

3 Nancal系列高压变频调速装置的优势及特点

Nancal系列高压变频调速装置采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，对电网谐波污染小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电动机附加发热、转矩脉动、噪声、du/dt及共模电压等问题。10 kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为交直交型的PWM电压源逆变器结构，输入为三相，输出为单相，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以10 kV输出电压等级为例，每相由8个额定电压为690 V的功率单元串联而成，输出相电压达5 774 V，线电压达10 kV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，以达到降低输入谐波电流的目的。对于10 kV电压等级变频而言，就是多脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上。

逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，10 kV输出相当于17电平，输出电压非常接近正弦波，du/dt很小。电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电动机没有特殊要求，可直接用于普通异步电动机，不需要输出滤波器。

与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联方式，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在由此导致的均压问题。功率单元中采用低压IGBT功率模块，其驱动电路简单，技术成熟可靠。功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修非常方便。

4 高压变频调速装置的配电设计

高压变频的主进线引自10 kV高压柜，再由高压变频器送至现场高压变频电动机。在现场设置操作柱，控制电动机的启停。信号由高压变频器送至DCS信号电缆，实现状态监控和频率调整。

5 结语

某企业20万t/a PVC糊树脂聚合搬迁改造项目高压冷水站的高压变频器于2015年投产运行，运行状态良好，满足工况要求。根据工艺要求的DCS调节频率给定，实现了变频调节，达到了调整流量的目的，同时也具有一定的节能作用。

[参考文献]

[1] 倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社,2007:1-10.

[2] 韩安荣.通用变频器原理[M].2版.北京：机械工业出版社,2000:100-110.