液氨壓縮制冷系統(tǒng)中變頻器可靠供電研究

趙玉明

(天地科技股份有限公司，北京100013)

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液氨壓縮制冷系統(tǒng)中變頻器可靠供電研究

趙玉明

(天地科技股份有限公司，北京100013)

摘要：分析了變頻器的基本原理和調(diào)速方法，研究了限制變頻器正常工作的制約因素。對單回路和雙回路供電方式進(jìn)行了供電可靠性分析，進(jìn)一步得出了2種供電方式對制冷系統(tǒng)中變頻器連續(xù)運(yùn)行的影響。研究了雙回路供電自動投切裝置的應(yīng)用方法、作用和重要性。對4種典型工況進(jìn)行了仿真研究，總結(jié)了變頻器輸出電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及變頻器內(nèi)部直流母線電壓等參數(shù)的變化規(guī)律，其可作為變頻拖動系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液氨壓縮制冷；變頻器；供電可靠性；自動投切裝置；轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)矩

變頻器不僅具有卓越的調(diào)速性能，還有明顯的節(jié)能作用，成為諸多節(jié)能應(yīng)用、速度工藝控制等工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的首選[1]。

在凍結(jié)施工中，人工制冷是重要的環(huán)節(jié)，也是耗費(fèi)電能最大的環(huán)節(jié)。利用變頻器拖動制冷壓縮機(jī)對液氨進(jìn)行壓縮制冷是一項(xiàng)新技術(shù)，由于變頻器輸出的高穩(wěn)定性和連續(xù)性，將會大幅度提高制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保凍結(jié)施工質(zhì)量和凍結(jié)制冷設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。凍結(jié)施工現(xiàn)場若采用單回路電源供電時，一旦發(fā)生線路故障，將直接導(dǎo)致拖動系統(tǒng)停機(jī)，造成嚴(yán)重事故或重大經(jīng)濟(jì)損失。為提高供電可靠性，現(xiàn)場往往采用雙回路電源供電方式[2]，并在雙回路電源之間設(shè)置自動投切裝置；但在切換過程中，供電母線上會出現(xiàn)短時的低電壓或暫時失電現(xiàn)象，從而導(dǎo)致變頻器的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，影響壓制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

本文對單、雙回路供電的可靠性進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析雙回路供電情況下，自動投切裝置在2路供電線路之間切換過程中對制冷壓縮機(jī)變頻拖動系統(tǒng)影響，并進(jìn)一步分析變頻器輸出對液氨壓縮制冷工藝過程的影響。

1液氨壓縮制冷系統(tǒng)

由制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成的制冷系統(tǒng)是一個有機(jī)整體，各設(shè)備之間必須相互匹配。如果其中任何一個設(shè)備的某一個參數(shù)發(fā)生變化，必然會影響其他設(shè)備以及整個系統(tǒng)的工作。

在整個制冷系統(tǒng)中，液氨制冷壓縮機(jī)是主要的制冷設(shè)備，其是一種把原動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成工質(zhì)蒸汽壓力能的設(shè)備，而制冷壓縮機(jī)的機(jī)械能一般由電動機(jī)來完成，因此電動機(jī)的供電系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。當(dāng)壓縮機(jī)正在高速旋轉(zhuǎn)工作時，如果遇到突然掉電，很可能會出現(xiàn)壓力升高，從而導(dǎo)致液氨泄漏，若處理不當(dāng)，會影響設(shè)備的使用甚至制冷系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

在液氨制冷系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要，特別是在凍結(jié)施工過程中，制冷系統(tǒng)均要求有雙路供電，以保障系統(tǒng)供電的安全與可靠性；但在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，制冷系統(tǒng)供電的可靠性與安全性并沒有引起足夠的重視。凍結(jié)施工屬于一種高耗能技術(shù)，在施工過程中要消耗大量的電能，一般電費(fèi)約占工程造價的30%，對用電進(jìn)行節(jié)能降耗處理將會直接影響凍結(jié)施工成本，所以將變頻拖動技術(shù)應(yīng)用于凍結(jié)施工中將是未來的發(fā)展趨勢。

2變頻器及其制約因素

變頻器是將電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓和頻率可變的交流電的裝置。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，變頻器首先要把三相或單相交流電變換為直流電(DC)；然后再把直流電(DC)變換為所需要的三相或單相交流電(AC)[3]。根據(jù)變頻器原理，變頻器的功率回路由整流模塊、直流環(huán)節(jié)和逆變模塊組成。以變頻器核心的變頻拖動系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　變頻拖動系統(tǒng)示意圖

根據(jù)電動機(jī)學(xué)原理，有：

(1)

式中，n為同步速度；f為電源頻率；p為電動機(jī)極數(shù)。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電動機(jī)極數(shù)決定，由于極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值(為2的倍數(shù))，所以不適合通過改變極對數(shù)來調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。頻率是電動機(jī)供電電源的電信號，其能夠在電動機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電動機(jī)，這樣電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由地控制；因此，以控制頻率為目的的變頻器是作為電動機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。

變頻器輸出的額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)[4]。在礦井、隧道等建設(shè)過程中的凍結(jié)施工環(huán)節(jié)，變頻器拖動制冷壓縮機(jī)對液氨進(jìn)行壓縮制冷過程中，始終工作在基頻下調(diào)狀態(tài)。在基頻下調(diào)情況下，一般采用U/f恒定的控制模式，電動機(jī)機(jī)端電壓與頻率存在制約關(guān)系。在電動機(jī)額定運(yùn)行情況下，電動機(jī)定子電阻和漏電抗的壓降較小，可以忽略，電動機(jī)的端電壓和電動機(jī)的感應(yīng)電動勢近似相等，電動機(jī)定子的磁感應(yīng)電勢為:

U≈E=4.44Kw1φmfW1

(2)

式中，Kw1為繞組系數(shù)；φm為每極最大磁通；f為電源頻率；W1為定子繞組匝數(shù)。當(dāng)電源頻率變化時，若電壓不隨著改變，電動機(jī)的磁鏈將會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。由于電動機(jī)設(shè)計(jì)時電動機(jī)的磁鏈常處于接近飽和值，磁鏈的進(jìn)一步增大將導(dǎo)致電動機(jī)過飽和，勵磁電流急劇增大，這是不允許的[5]。當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)欠勵磁時，將影響電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；因此，在改變電動機(jī)頻率時應(yīng)對電動機(jī)的電壓或電勢進(jìn)行控制，以維持電動機(jī)的磁鏈穩(wěn)。保持U/f恒定控制是異步電動機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動機(jī)的電源頻率變化的同時，控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比(U/f)為恒定，從而使電動機(jī)的磁鏈基本保持恒定。

變頻器內(nèi)部直流母線電壓與機(jī)端電壓存在制約的關(guān)系。變頻器輸出的交流電壓最大值Uab(max)受到直流母線Udc的限制：

Uab(max)=MUdc

(3)

式中，M為脈寬調(diào)制最大電壓利用率，與脈寬調(diào)制的控制方式有關(guān)；Uab為變頻器輸出線電壓；Udc為變頻器直流母線電壓。

由上述分析可知，在U/f恒定控制模式下，變頻的直流母線電壓高度制約著機(jī)端電壓，從而制約了頻率調(diào)節(jié)范圍，進(jìn)一步制約了轉(zhuǎn)速范圍。

3供電可靠性分析

當(dāng)采用單回路供電時，一旦線路發(fā)生雷擊、接地和線路故障等情況，變頻器將失去電源輸入，直接導(dǎo)致變頻器停機(jī)，造成嚴(yán)重事故或重大經(jīng)濟(jì)損失。

為了提高供電可靠性，防止因停電帶來的安全上和經(jīng)濟(jì)上的損失，一般在凍結(jié)施工現(xiàn)場采用雙回路供電。在雙路電源之間設(shè)置自動切換裝置，當(dāng)正常供電線路發(fā)生故障停電時，自動投切裝置將負(fù)荷與原供電線路脫離，并將負(fù)荷切換到備用供電線路上進(jìn)行供電[6]。

在自動投切裝置進(jìn)行電源切換的過程中，供電母線上出現(xiàn)短時的低電壓或暫時失電現(xiàn)象，變頻器直流母線電壓隨之降低。由直流母線電壓高度的制約作用可知，當(dāng)變頻器的直流母線電壓高度降低后，對應(yīng)的能夠輸出的最大機(jī)端電壓也隨之降低[7]。在基頻下調(diào)情況下，盡管輸出轉(zhuǎn)矩可以不變，但允許的輸出頻率降低，轉(zhuǎn)速條件受限，無法滿足負(fù)載要求，嚴(yán)重時將直接導(dǎo)致變頻器保護(hù)停機(jī)[8]，從而影響壓制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

4雙回路自動切換說明

在礦井、隧道等建設(shè)過程中的凍結(jié)施工環(huán)節(jié)，制冷壓縮機(jī)的變頻拖動系統(tǒng)采用雙回路供電(見圖2)。采用熱備用方式，當(dāng)自動切換裝置檢測到主母線失電時，相應(yīng)主變低壓側(cè)斷路器處于合位；當(dāng)自動切換裝置檢測到備用變壓器高壓側(cè)有壓時，跳開工作變壓器低壓側(cè)斷路器，合備用變壓器低壓側(cè)斷路器；當(dāng)工作變壓器偷跳時，合備用變壓器低壓側(cè)斷路器。為防止PT 斷線時備自投誤動，取主變低壓側(cè)電流作為母線失壓的閉鎖判據(jù)。

圖2　雙回路供電自投切示意圖

5仿真分析

系統(tǒng)連接及測試點(diǎn)說明如圖3所示。為研究和分析方便，在變頻器直流母線、變頻器輸出端、電動機(jī)與負(fù)載連接軸上設(shè)置測試點(diǎn)。在變頻器輸出端獲得變頻器的輸出電壓Vab和輸出電流Iabc，在變頻器直流母線上獲得變頻器的內(nèi)部直流母線電源Vdc，在電動機(jī)與負(fù)載連接軸上獲得轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩Te。

圖3　測試點(diǎn)說明

下述分別對單回路供電空載、單回路供電滿載、雙回路供電空載和雙回路供電滿載等4種情況進(jìn)行仿真和對比分析。

1)在單回路供電、空載條件下，設(shè)置額定電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。系統(tǒng)在0.05 s開始上電，并在1.8 s時切掉電源，系統(tǒng)響應(yīng)波形如圖4所示。由圖4可知，在0.05～0.8 s內(nèi)系統(tǒng)處于空載啟動的轉(zhuǎn)速爬升過程；在0.8 s左右時刻，變頻器輸出電流Iabc開始減小，轉(zhuǎn)速n達(dá)到額定值，轉(zhuǎn)矩Te開始減小，變頻器內(nèi)部直流母線電壓Vdc維持在額定值；在1.0 s時刻，變頻器輸出電流Iabc趨于空載電流，轉(zhuǎn)速n在額定轉(zhuǎn)速附近，啟動轉(zhuǎn)矩Te趨于空載轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)完成啟動過程；系統(tǒng)在1.8 s時刻失去輸入電源，變頻器內(nèi)部直流母線逐漸衰減，最終將停機(jī)。

圖4　單回路供電、空載條件下的系統(tǒng)響應(yīng)波形

2)在雙回路供電、空載條件下，設(shè)置額定電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。系統(tǒng)在0.05 s開始上電，并在1.8～1.9 s內(nèi)完成供電線路切換，系統(tǒng)響應(yīng)波形如圖5所示。由圖5可知，1.0 s時刻以前過程與單回路、空載啟動過程相同；系統(tǒng)在1.8 s時刻變頻器輸入端與原供電線路分離，變頻器直流母線電壓開始衰減；在1.9 s時刻，變頻器輸入端與備用供電線路閉合，變頻器重新獲得輸入電源，變頻器內(nèi)部直流母線逐漸恢復(fù)到正常值，系統(tǒng)維持空載穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖5　雙回路供電、空載條件下的系統(tǒng)響應(yīng)波形

3)在單回路供電、加載條件下，設(shè)置額定電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。系統(tǒng)在0.05 s開始上電空載啟動，在1.4 s時開始加載，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為200 N·m，并在1.8 s時刻切斷電源，系統(tǒng)參數(shù)波形如圖6所示。由圖6可知，1.0 s時刻以前過程與單回路、空載啟動過程相同；在1.4～1.8 s內(nèi)逐漸加載，變頻器輸出電流Iabc逐漸增大，轉(zhuǎn)速維持在額定值附近，轉(zhuǎn)矩Te逐漸增大，變頻器內(nèi)部直流母線電壓Vdc維持在額定值附近；在1.8 s時刻變頻器輸入端與原供電線路分離，轉(zhuǎn)速開始下降、轉(zhuǎn)矩Te迅速衰減，變頻器直流母線電壓Vdc迅速降低，系統(tǒng)無法維持正常運(yùn)行，迅速停機(jī)。

圖6　單回路供電、加載條件下的系統(tǒng)響應(yīng)波形

4)在雙回路供電、加載條件下，設(shè)置額定電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。系統(tǒng)在0.05 s開始上電空載啟動，在1.4 s時開始加載，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩200 N·m，并在1.8～1.9 s內(nèi)完成供電線路切換，系統(tǒng)響應(yīng)波形如圖7所示。由圖7可知，1.0 s時刻以前過程與單回路供電、空載啟動過程相同；在1.4～1.8 s內(nèi)逐漸加載，變頻器輸出電流Iabc逐漸增大，轉(zhuǎn)速維持在額定值附近，轉(zhuǎn)矩Te逐漸增大，變頻器內(nèi)部直流母線電壓Vdc維持在額定值附近；在1.8 s時刻，變頻器輸入端與原供電線路分離，轉(zhuǎn)矩Te迅速衰減，變頻器直流母線電壓Vdc迅速降低；在1.9 s時刻，變頻器輸入端與備用供電線路閉合，變頻器重新獲得輸入電源，轉(zhuǎn)矩Te和變頻器內(nèi)部直流母線電壓Vdc迅速恢復(fù)到正常值，系統(tǒng)恢復(fù)帶載運(yùn)行狀態(tài)，但在雙回路投切過程中，出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)矩波動。

圖7　雙回路供電、加載條件下的系統(tǒng)響應(yīng)波形

另外，從上述4種情況的仿真波形中均可以看出，變頻器的輸出電壓受到變頻器內(nèi)部直流母線電壓的限制，當(dāng)變頻器內(nèi)部直流母線電壓降低時，變頻器輸出給電動機(jī)的機(jī)端電壓也降低，驗(yàn)證了“在U/f恒定控制模式下，變頻的直流母線電壓高度制約著機(jī)端電壓，從而制約了頻率調(diào)節(jié)范圍，進(jìn)一步制約了轉(zhuǎn)速范圍”的理論分析結(jié)果。

綜合上述分析可知，在空載情況下，雙回路供電線路的切換過程對變頻拖動系統(tǒng)影響不大；在帶載情況下，單回路供電線路供電一旦發(fā)生供電異常，變頻拖動系統(tǒng)將迅速停機(jī)；在帶載條件下，雙回路供電線路供電并配有自動切換裝置，盡管存在切換過程中的轉(zhuǎn)矩波動現(xiàn)象，但足以實(shí)現(xiàn)變頻拖動系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，可以有效提高供電可靠性。

6結(jié)語

通過對4種典型工況進(jìn)行仿真研究，總結(jié)出變頻器輸出電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及變頻器內(nèi)部直流母線電壓等參數(shù)的變化規(guī)律，給變頻拖動系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

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責(zé)任編輯馬彤

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

作者簡介：趙玉明 (1979-)，男，助理研究員，國家一級建造師，注冊安全工程師，主要從事凍結(jié)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用及凍結(jié)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用等方面的研究。

中圖分類號：TD 611

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A