大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器動(dòng)力裝置選型設(shè)計(jì)

何　萍，楊　洲，周　燊，粟海濤，劉海華

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器動(dòng)力裝置選型設(shè)計(jì)

何萍，楊洲，周燊，粟海濤，劉海華

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

本文簡(jiǎn)單介紹了壓氣機(jī)試驗(yàn)器動(dòng)力裝置的幾種類型及其特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了ACS5000變頻調(diào)速系統(tǒng)作為某大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器動(dòng)力裝置的典型應(yīng)用，包括ACS5000變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備選型、安全可靠性設(shè)計(jì)、抗干擾措施設(shè)計(jì)，為ACS5000變頻調(diào)速系統(tǒng)在其它同類型應(yīng)用中提供了參考和借鑒作用。

大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器；動(dòng)力裝置；ACS5000變頻調(diào)速系統(tǒng)

0　引言

壓氣機(jī)試驗(yàn)器可使用氣動(dòng)渦輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、調(diào)速電機(jī)作為動(dòng)力裝置，氣動(dòng)渦輪不常用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、調(diào)速電機(jī)使用較多。早期的壓氣機(jī)試驗(yàn)都使用航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其使用方便靈活、機(jī)動(dòng)性好、輸出轉(zhuǎn)速高，缺點(diǎn)是需配備一臺(tái)換向器來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)器的雙向功能，尾氣和噪聲污染嚴(yán)重，并且轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，這對(duì)于獲取壓氣機(jī)的等轉(zhuǎn)速特性曲線以及捕捉喘振點(diǎn)非常不利，在高轉(zhuǎn)速逼喘試驗(yàn)時(shí)存在試驗(yàn)件超轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)慢車轉(zhuǎn)速即為試驗(yàn)器的最低工作轉(zhuǎn)速，使一些壓氣機(jī)的低轉(zhuǎn)速性能數(shù)據(jù)無法錄取，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作量大，隨著設(shè)備的老化和備件供應(yīng)困難，設(shè)備的完好率越來越低。

電機(jī)調(diào)速分為直流、交流調(diào)速，直流調(diào)速技術(shù)成熟，轉(zhuǎn)速精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需定期維護(hù)保養(yǎng)，功率較大的直流電機(jī)其輸出轉(zhuǎn)速低，直流調(diào)速電機(jī)不能滿足大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器的功率要求；隨著電力電子技術(shù)以及電子計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)日益完善，特別是大功率整流、逆變器件的使用，變頻調(diào)速優(yōu)勢(shì)越來越明顯：變頻器的功率增大，可滿足大功率拖動(dòng)系統(tǒng)的要求，調(diào)速范圍廣，轉(zhuǎn)速精度高，可與直流調(diào)速媲美，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，易于操作和維護(hù)，方便實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，提高了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)可信度。本文詳細(xì)介紹了ACS5000變頻調(diào)速系統(tǒng)在某大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器的應(yīng)用。

1　大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器動(dòng)力裝置主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)壓氣機(jī)試驗(yàn)器的總體指標(biāo)確定動(dòng)力裝置的主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）額定轉(zhuǎn)速：1500r/min；最高轉(zhuǎn)速： 1800r/min；

（2）調(diào)速：（100～1800）r/min連續(xù)可調(diào)；

（3）最大負(fù)載功率： 8000kW；

（4）系統(tǒng)功率因數(shù)：＞0.96（20%～100%電機(jī)額定負(fù)載）；

（5）系統(tǒng)總效率：＞0.94（電機(jī)額定負(fù)載）

（6）轉(zhuǎn)速精度：電機(jī)轉(zhuǎn)速在（100～1800）r/min范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度為±0.05%F.S；

（7）動(dòng)態(tài)性能：在0.1秒內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化±17%時(shí)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于±0.2%F.S，穩(wěn)定時(shí)間小于1秒；

（8）任一轉(zhuǎn)速下，電機(jī)無共振區(qū)；

（9）變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能；

（10）變頻器輸入、輸出側(cè)各次諧波電壓、電流均滿足國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電機(jī)的影響符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)中的MGI-1993要求。

2　壓氣機(jī)試驗(yàn)器電機(jī)拖動(dòng)原理

壓氣機(jī)試驗(yàn)器電機(jī)拖動(dòng)原理見圖1，電機(jī)通過疊片聯(lián)軸器、增速器對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。上位機(jī)操縱系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)通過Industrial Ethernet 和PROFIBUS-DP通訊對(duì)動(dòng)力裝置進(jìn)行控制，變頻器通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制來改變電機(jī)的供電頻率而實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)系統(tǒng)的精確調(diào)速。

圖1　壓氣機(jī)試驗(yàn)器電機(jī)拖動(dòng)原理圖

3　變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備選型

壓氣機(jī)試驗(yàn)器的T-n曲線見圖2。首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和負(fù)載的T-n曲線選擇電機(jī)，然后選擇變頻器及其配套設(shè)備。經(jīng)過調(diào)研和國(guó)際招標(biāo)，變頻調(diào)速動(dòng)力裝置由AMB 710L4L BSFM電機(jī)、ACS 5066_36L123_1a123_W2a變頻器、ZS1鎧裝式金屬封閉高壓開關(guān)柜、ZTSFG-9870/10整流變壓器等組成。

3.1電機(jī)選型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)器需滿足多型號(hào)的壓氣機(jī)試驗(yàn)，功率大小相近的壓氣機(jī)，由于工作點(diǎn)不同，其T-n曲線也不同，為了滿足額定轉(zhuǎn)速低，額定功率較大的壓氣機(jī)試驗(yàn)，電機(jī)選用AMB 710L4L BSFM恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)，使調(diào)速系統(tǒng)具有額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速以上恒功率調(diào)速的特點(diǎn)。

電機(jī)因功率大，轉(zhuǎn)子達(dá)5000 kg，選用空水冷卻、強(qiáng)迫潤(rùn)滑電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)：額定功率：8000 kW；額定轉(zhuǎn)速：1493 r/ min；最高轉(zhuǎn)速：1800 r/min；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：2.3；效率（100%負(fù)載）：97.6%；功率因數(shù)（100%負(fù)載）：0.905。

3.2變頻器選型設(shè)計(jì)

變頻器不僅是滿足試驗(yàn)器技術(shù)性能指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，而且是試驗(yàn)器的主要電磁干擾源，合理選型和配置至關(guān)重要，通過調(diào)研及國(guó)際招標(biāo)，選用ABB公司生產(chǎn)的ACS5000系列水冷變頻器，它為36脈波整流五電平輸出的電壓源型變頻器，具有合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖3），優(yōu)越的器件性能，先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)都友好，能提供精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。根據(jù)電機(jī)的額定功率確定變頻器型號(hào)為ACS 5066_36L123_1a123_W2a，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定輸出功率9881kVA，輸出頻率范圍（0 ～75 ）Hz （正/反轉(zhuǎn)），控制精度為額定轉(zhuǎn)速的 0.01%，，轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間＜ 3.5 ms，總體輸入功率因數(shù)＞0.96（20% ～100% 負(fù)載），額定負(fù)載下的效率為98.6%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)＜ 2%，能滿足電機(jī)和壓氣機(jī)試驗(yàn)器負(fù)載要求。

3.3高壓開關(guān)柜選型設(shè)計(jì)

ACS5000變頻器通過控制高壓開關(guān)柜的分閘來保護(hù)試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)備，因此高壓開關(guān)柜可靠工作至關(guān)重要。大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)采用ZS1鎧裝式金屬封閉開關(guān)設(shè)備，根據(jù)負(fù)載功率確定主母線電流為1250A，輸入電源電壓10kV±10%。高壓開關(guān)柜的合閘時(shí)間為（55～67）ms，分閘時(shí)間為（33～45）ms，燃弧時(shí)間≤15ms，能滿足變頻器的合閘/分閘要求。

3.4整流變壓器選型設(shè)計(jì)

整流變壓器需為變頻器提供適配的主電源電壓，并提供足夠的阻抗以限制電網(wǎng)側(cè)的諧波，能承受系統(tǒng)過電壓和變頻器產(chǎn)生的共模電壓以及諧波的影響。變頻調(diào)速系統(tǒng)功率大，為了減小變壓器體積以及便于維護(hù)保養(yǎng)，采用36脈波干式變壓器，型號(hào)為ZTSFG-9870/10，高壓繞組額定電壓10000V±4×2.5%，額定容量9870kVA；阻抗電壓8.0%，H級(jí)絕緣。

4　安全可靠性設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置需安全可靠運(yùn)行，其配套設(shè)備本身的可靠性、配置及功能起決定作用，電氣監(jiān)控系統(tǒng)的連鎖控制也至關(guān)重要。

（1）高壓開關(guān)柜、變頻器、電機(jī)、整流變壓器的防護(hù)等級(jí)高，分別為IP41、IP32、IP55、IP20，并且高壓開關(guān)柜、變頻器、電機(jī)都具有CE認(rèn)證，符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備本身可靠性高；

（2）變頻器整流部分采用大功率二極管器件，主電路保護(hù)和逆變輸出部分采用IGCT功率半導(dǎo)體器件，器件數(shù)量少，性能更優(yōu)越，使變頻器更加高效、可靠；直流回路采用自愈式電容器，提高了可靠性；配有冗余冷卻水泵、漏水傳感器、水溫/水壓/電導(dǎo)率顯示和保護(hù)裝置，使設(shè)備運(yùn)行更安全；配置接地故障檢測(cè)裝置，柜門具有機(jī)械電氣聯(lián)鎖裝置，確保人身安全；

圖2　變頻器、電機(jī)、負(fù)載的T-n曲線

（3）電機(jī)配置了漏水檢測(cè)裝置，在電機(jī)的定子繞組、驅(qū)動(dòng)端/非驅(qū)動(dòng)端軸承、冷空氣/熱空氣回路、冷卻水進(jìn)口和出口處都安裝了Pt100測(cè)溫電阻，可在遠(yuǎn)程監(jiān)視電機(jī)運(yùn)行狀況，確保電機(jī)運(yùn)行安全；

（4）整流變壓器配置電流互感器、繞組溫度傳感器、電流繼電保護(hù)裝置、溫度控制器、冷卻風(fēng)扇等。通過溫度控制器實(shí)現(xiàn)繞組溫度的顯示、控制、報(bào)警、故障保護(hù)功能，并輸出（4-20）mA溫度信號(hào)以便遠(yuǎn)程監(jiān)視繞組溫度；

（5）高壓開關(guān)柜配置VD4型斷路器和SPAJ 140C微機(jī)保護(hù)裝置，并配有接地開關(guān)、避雷器以及帶電顯示裝置等附件，具有“五防”功能，確保設(shè)備和人身的安全；

（6）為防止受潮，高壓開關(guān)柜、變頻器、電機(jī)配置加熱器，工作更可靠；

（7）動(dòng)力裝置的保護(hù)功能

a） 高壓開關(guān)柜具有過流和速斷保護(hù)功能，并具有跳閘、內(nèi)部故障、空氣開關(guān)跳閘指示；

b）整流變壓器具有失電報(bào)警、超溫報(bào)警/跳閘、溫控故障、底部/頂部風(fēng)機(jī)故障、繼電裝置過流保護(hù)、變壓器間風(fēng)機(jī)工作異常報(bào)警功能；

c）變頻器及電機(jī)具有超速、超扭、過流、過壓、欠壓、過載、短路、電源缺相、電機(jī)缺相、堵轉(zhuǎn)、電機(jī)定子超溫、電機(jī)軸承超溫、接地故障及漏電保護(hù)、輸出頻率、系統(tǒng)內(nèi)部故障、冷卻水故障、凝露報(bào)警、外部連鎖故障、緊急停機(jī)等可靠保護(hù)功能。

（8）電氣監(jiān)控系統(tǒng)以西門子SIMATIC S7-300 PLC

為核心，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和Industrial Ethernet 以太網(wǎng)通訊控制，以西門子WinCC為可視化監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中顯示、監(jiān)控和關(guān)聯(lián)，監(jiān)控對(duì)象主要包括高壓開關(guān)柜、整流變壓器、變頻器、電機(jī)、輔助設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，參數(shù)超限后自動(dòng)保護(hù)或報(bào)警。具有高精度、高動(dòng)態(tài)特性、低故障、可視化控制、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，確保試驗(yàn)件和設(shè)備的安全。

5　抗干擾措施設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置屬高電壓、大電流設(shè)備，它們以傳導(dǎo)、輻射、電感/電容感應(yīng)耦合的形式影響電網(wǎng)及鄰近的弱電系統(tǒng)，因此它的電磁干擾是客觀存在的，在設(shè)備選型/配置方面采取的主要抗干擾措施：

（1）整流變壓器提供8%的阻抗以限制電網(wǎng)側(cè)的諧波，變頻器選用36脈波整流輸入5電平輸出的電壓源型變頻器，并配置輸出濾波器，輸入側(cè)35次以下的諧波自動(dòng)抵消，輸出側(cè)du/dt的影響大大削弱，可降低漏電流、高頻輻射和電機(jī)的軸承電流，從源頭上減少電磁干擾；

（2）配置的設(shè)備都具有CE認(rèn)證，符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)等級(jí)高，并且變頻器的表面進(jìn)行帶涂層的防腐處理，可減少設(shè)備的電磁輻射；

（3）變頻器和電機(jī)配置了專用空氣絕緣接線盒，并帶Roxtec電纜過度裝置，用于動(dòng)力電纜接入，能有效減少動(dòng)力電纜對(duì)其它設(shè)備的電磁干擾；

（4）采用H級(jí)絕緣的整流變壓器和電機(jī)，增強(qiáng)設(shè)備承受共模電壓能力，并增大電機(jī)承受du/dt能力；

（5）為防止軸電流，驅(qū)動(dòng)端/非驅(qū)動(dòng)端配置絕緣軸承，并且驅(qū)動(dòng)端絕緣軸承通過碳刷及接地電纜可靠接地。

6　結(jié)束語

動(dòng)力裝置自2009年調(diào)試運(yùn)行后，工作正常；諧波干擾小，試驗(yàn)器各系統(tǒng)都能穩(wěn)定可靠工作。動(dòng)力裝置選型和配置合理，安全保護(hù)措施完善，轉(zhuǎn)速精度優(yōu)于0.05%，具有功率大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、功率因數(shù)/效率高的特點(diǎn)，完全滿足大功率壓氣機(jī)試驗(yàn)器對(duì)動(dòng)力的要求。

［1］ ACS5000變頻器用戶手冊(cè)［R］.ABB.

［2］ 感應(yīng)電機(jī)及發(fā)電機(jī)手冊(cè)［R］.ABB.

［3］ MB560-710三相感應(yīng)電機(jī)安裝維護(hù)手冊(cè)［R］.ABB.

Type Selection Design of Power Unit for High-power Compressor Test Rig

He Ping，Yang Zhou，Zhou Sheng，Su Haitao，Liu Haihua
（China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou Hunan，412002）

This paper briefly introduces several types and characteristics of compressor test rig’s power unit and focuses on some typical applications of ACS5000 frequency control system as a compressor test rig’s power unit， which include the selection of ACS5000 frequency control system， design of safe reliability and anti-interference measures，it provides a reference for ACS5000 frequency control system in other similar types of applications.

high-power compressor test rig；power unit；ACS5000 frequency control system

圖3　ACS5000變頻器拓?fù)鋱D