摘要：本文詳細(xì)介紹了中石化長嶺分公司聚丙烯的設(shè)備改造情況，給出了齒輪泵電機(jī)由直流調(diào)速改為交流調(diào)速的改造方案，變壓器、變頻器、電機(jī)細(xì)節(jié)上都提出了詳細(xì)的解決辦法，重點(diǎn)介紹了ACS800變頻器的使用，完美的實(shí)現(xiàn)了由直流變頻調(diào)速系統(tǒng)到交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造。

關(guān)鍵詞：齒輪泵,交流調(diào)速,變頻器

一、概況介紹

中石化股份公司長嶺分公司長盛公司聚丙烯生產(chǎn)設(shè)備為日本TOSHIBA公司提供，機(jī)械到電氣設(shè)備整套均為TOSHIBA公司生產(chǎn)，從投入到運(yùn)行至2011年已有10多年，每年直流電機(jī)需要更換的電刷等備件費(fèi)用就十分昂貴，并且其對惡劣環(huán)境的耐受能力較差。在日常使用中，直流電機(jī)的典型故障包括電刷打火、電樞變色、散熱不足、劇烈噪聲和振動等，使其日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)比交流電機(jī)高；另外考慮到設(shè)備的老化及壽命，已經(jīng)到了進(jìn)行更換的時間；從生產(chǎn)考慮，如果不提前做準(zhǔn)備，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，將會產(chǎn)生不可估量的損失。目前國內(nèi)有多家聚丙烯生產(chǎn)廠已經(jīng)進(jìn)行此改造，現(xiàn)在交流電機(jī)的調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流電機(jī)相媲美，并且工作可靠，易于維護(hù)和保養(yǎng)，不會像直流電機(jī)一樣需要定期更換電刷及換向器，降低了成本。

因此，中石化股份公司長嶺分公司長盛公司將直流電機(jī)拖動改造為交流電機(jī)拖動，調(diào)速為交流變頻調(diào)速。

二、聚丙烯生產(chǎn)設(shè)備及流程介紹

本套聚丙烯裝置采用的是日本制鋼所的成套擠壓造粒設(shè)備。其工藝流程簡要如下：

圖1工藝流程圖

直流電機(jī)帶動的齒輪泵其作用是對混煉機(jī)末端的混合熔融料加壓，保證足夠的壓力將聚丙烯熔融物料從多孔模頭按設(shè)定的速度均勻擠出。其入口壓力會隨著工藝條件的改變而變化，齒輪泵要隨之調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持壓力的穩(wěn)定。因此，齒輪泵驅(qū)動的控制系統(tǒng)選用調(diào)速性能好，轉(zhuǎn)矩特性硬的直流調(diào)速系統(tǒng)。聚丙烯造粒機(jī)組齒輪泵的直流調(diào)速系統(tǒng)由日本東芝公司的可控硅萊昂那德控制設(shè)備和東芝直流電動機(jī)組成。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、直流電機(jī)改造方案

電機(jī)的改造主要涉及以下幾個方面：改造前的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、軸徑、軸伸長度、固定尺寸、軸高、接線方式、冷卻方式、重量、以及應(yīng)用場合、所帶配件等。

直流調(diào)速器通過調(diào)整直流電機(jī)的電樞電壓來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)，實(shí)際的現(xiàn)場負(fù)載對轉(zhuǎn)矩的要求是：負(fù)載形式恒轉(zhuǎn)矩，過載倍數(shù)2倍左右，電流基本穩(wěn)定，速度基本恒定。所選交流電機(jī)相關(guān)參數(shù)應(yīng)按照現(xiàn)在使用直流電機(jī)及負(fù)載狀況確定。

更換為交流電機(jī)后，性能指標(biāo)必須滿足以下條件：

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：包含85~1150rpm

交流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：≥TN=3654N·m

交流電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩：≥Ts=2923N·m

交流電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：≥Tmax=6212N·m

電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算分析如下：

（1）、交流電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：

現(xiàn)場工藝要求，轉(zhuǎn)速最高達(dá)1150轉(zhuǎn)/分，故，在采用6極電機(jī)的情況下，變頻輸出頻率為60赫茲左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1180rpm，即達(dá)到轉(zhuǎn)速要求?；l為50HZ時，電機(jī)調(diào)速范圍D=1150/85=13.5即可滿足轉(zhuǎn)速范圍要求。

Nmax=1180rpm，滿足Ne≥Nmax=1150rpm的條件。

（2）、交流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：

TN1=9550×（485/980）=4726(N·m)，滿足TN1≥TN=3654N·m的條件。

（3）、交流電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩（變頻電機(jī)：為額定轉(zhuǎn)矩1.8~2.0倍，本方案取1.8）：

Ts1=1.8×TN1=8506.8N·m，滿足Ts1≥Ts=2923N·m的條件。

（4）、交流電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(變頻電機(jī)：為額定轉(zhuǎn)矩的2.3到2.5倍，本方案取2.3)：

Tmax1=2.3×TN1=10869N·m，滿足Tmax1≥Tmax=6212N·m的條件。

基于以上計(jì)算數(shù)據(jù)，我們選擇SIEMENS1PQ8系列低壓變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)。

2、變頻控制器改造

基于原控制系統(tǒng)與上位機(jī)的控制及數(shù)據(jù)采集關(guān)系，在改造后的系統(tǒng)中，把與上位機(jī)的接口預(yù)留，且原端子號予以保留，使兩套系統(tǒng)完美對接，不會產(chǎn)生控制及顯示無法實(shí)現(xiàn)的問題。

控制方案如下：

（1）變頻器的運(yùn)行信號采取就地和面板給定實(shí)現(xiàn)的方式：

在原來的系統(tǒng)中，只將運(yùn)行信號發(fā)回給PLC，并未從PLC發(fā)出運(yùn)行信號，這種情況運(yùn)行信號就可以從變頻器的控制面板給出，或者就地按鈕實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)行信號通過變頻器的DO點(diǎn)（常開，運(yùn)行后閉合）送給主控室儀表柜PLC，再由PLC送至電機(jī)運(yùn)行指示燈，同時經(jīng)PLC送至變頻器柜的運(yùn)行指示燈，進(jìn)行顯示。

（2）速度信號的給定

利用原來系統(tǒng)的速度給定點(diǎn)PLC輸出的電流給定信號，進(jìn)入到變頻柜的端子，然后送至變頻器的AI2端口（4－20mA），進(jìn)行調(diào)速。

（3）電流信號及速度信號的采集

電機(jī)電流信號（4－20mA）由變頻器AO1點(diǎn)輸出經(jīng)端子送至主控室儀表柜送至顯示儀表；同時送至PLC后經(jīng)PLC送出，到超電流指示燈進(jìn)行指示；

電機(jī)速度信號（4－20mA）由變頻器AO2點(diǎn)輸出經(jīng)端子送至主控室儀表柜指示，同時送至現(xiàn)場轉(zhuǎn)速表；

（4）溫度監(jiān)控信號

系統(tǒng)中，有兩處存在溫度傳感器，一是測量電機(jī)線圈溫度探頭，二是電機(jī)后軸溫度探頭。測量電機(jī)線圈的溫度傳感器信號送入變頻柜經(jīng)處理后，輸出一個溫度過低的信號，經(jīng)端子送至PLC，然后由PLC送往MCC配電間加熱器的啟動信號；測量電機(jī)后軸的溫度傳感器信號送入變頻柜經(jīng)處理后，輸出一個溫度過高的信號，經(jīng)端子送至PLC＃18.5，然后由PLC#36.5送往軸承溫度過高指示燈。

3、變頻器選擇

本系統(tǒng)負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性,重載啟動，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。即

IN>IMmax

式中,IN為變頻器的額定電流，IMmax電機(jī)的最大運(yùn)行電流。

根據(jù)現(xiàn)場的電機(jī)運(yùn)行電流比較穩(wěn)定，原來變頻控制的方案及可靠性的考慮，我們選用ABB公司的ACS800-07系列變頻器。

ACS800-07變頻器主要由輔助控制單元、DSU整流單元及逆變單元組成。

(1)熔斷器主要包括進(jìn)線交流熔斷器，其作用主要是防止電源有大的波動引起電流的高次諧波對模塊造成損壞，保護(hù)模塊的作用；

(2)輔助控制單元包括控制回路的控制元件及控制板RDCU-12C，急?？刂?，變頻的起動、停止、復(fù)位，與外部的電路接口等部分；

(3)DSU整流單元是由一個半控橋式二極管整流供電單元1×D4模塊組成，整流橋由兩組整流橋并聯(lián)組成，以降低每組整流橋的電流，模塊是一種尺寸，裝有插接式連接器，為落地式單元，內(nèi)置交流電抗器，主開關(guān)和可選的接觸器，具有冷卻風(fēng)機(jī)控制及電源控制，易于服務(wù)和維護(hù)；

(4)逆變單元INU采用2×R8i的兩個模塊并聯(lián)的方式，兩個模塊置于同一個柜體內(nèi)，共用一塊主控板，通過光纖分配單元APBU-44C把控制信號同時送至模塊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變頻控制的各種功能。逆變的直流母線側(cè)安裝共模濾波器，出線配備du/dt濾波器，抑制了輸出電壓尖峰和快速電壓改變，減小了對電機(jī)的絕緣性能的影響，同時降低了電機(jī)電纜的容性漏電流，高頻輻射、高頻損耗和軸承電流。

圖2變頻器一次原理圖

4、整流變壓器的選擇

系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓為：6KVAC

輸出側(cè)電壓為：690VAC

由于該變壓器用于變頻器供電，故采用特種變壓器中的整流變壓器。

變壓器的容量計(jì)算方法有很多種，我們采用了常見的一種計(jì)算：

S=〔P/n*K1/cos￠＋P2〕×K2

P:電機(jī)額定功率

n：電機(jī)的效率

K1：電動機(jī)負(fù)荷系數(shù)

cos￠：電動機(jī)功率因數(shù)

P2：其它用電

K2：變壓器裕量

當(dāng)負(fù)載為500KW時，S=[500/0.7*1/0.9+0]*1.1=873KVA

因?yàn)殡姍C(jī)負(fù)載一般工作在60％負(fù)荷左右，由此選擇變壓器參數(shù)為：

Uin＝6KV，Uout＝690V，容量＝750KVA

四、變頻設(shè)定

ACS800變頻器的調(diào)試，使用其專用調(diào)試公具Driverwindow2.3。ABBACS800變頻在電機(jī)進(jìn)行調(diào)試前，要進(jìn)行電機(jī)模型的建立，以便能夠?qū)﹄姍C(jī)精確的控制，電機(jī)辨識的步驟如下：

1、在進(jìn)行電機(jī)辨識前，要確保電機(jī)轉(zhuǎn)動沒有任何危險(xiǎn)；并確保已經(jīng)和被驅(qū)動設(shè)備的連接已脫離；

2、通過Driverwindow2.2（或者控制盤亦可）連接變頻器，設(shè)置9902宏程序?yàn)镕actory（大多數(shù)場合適應(yīng)），然后設(shè)置9904為DTC控制，電機(jī)銘牌對應(yīng)設(shè)好；

3、參數(shù)9910選擇辨識模式為STANDARD，標(biāo)準(zhǔn)辨識模式，此時變頻器會報(bào)出報(bào)警信號：WARNING：IDMAGNREQ，此時使能運(yùn)行信號，則進(jìn)行電機(jī)辨識程序

電機(jī)辨識程序是變頻內(nèi)部內(nèi)置好的，其辨識曲線如下：

縱軸：

[1]速度speed

[2]電流current

[3]力矩torqe

[4]功率power

橫軸：

時間time（s）

圖3電機(jī)辨識曲線

此曲線是ABBACS800典型辨識的曲線，速度、電流、力矩等，分別按照預(yù)置好的程序執(zhí)行，識別電機(jī)建立電機(jī)模型，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。

電機(jī)辨識完成后，針對工藝功能設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，主要參數(shù)如下：

表1主要功能參數(shù)表

五．小結(jié)

聚丙烯機(jī)組設(shè)備在煉油廠里是很重要的一個裝置，其設(shè)備的安全性運(yùn)行關(guān)系到整個廠的經(jīng)濟(jì)效益問題，而對于日本進(jìn)口的設(shè)備來說，一旦過了聲明的產(chǎn)品品質(zhì)期限，就會頻繁出現(xiàn)各種問題，所以對聚丙烯齒輪泵的直流改交流調(diào)速系統(tǒng)改造是十分有必要的。

從2011年我們實(shí)施改造以后，該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，無故障出現(xiàn)，降低了生產(chǎn)工人的維護(hù)工作量，原來更換直流碳刷的工作及費(fèi)用完全避免，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

《變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐》，張燕賓主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，12；

《電力電子技術(shù)》，王兆安，黃俊主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，04；

3、《電機(jī)拖動與控制》，王進(jìn)野，主編，天津大學(xué)出版社，2008，02；

4、ACS800固件手冊，北京ABB電氣傳動有限公司，2009，3；

5、ACS800硬件手冊，北京ABB電氣傳動有限公司，2009，3；

作者簡介:

劉以成：（1980--）,男，廣東省深圳市人。2003年6月畢業(yè)于湖南南華大學(xué)電氣工程學(xué)院自動化系。畢業(yè)后至2006年初，在山東省淄博礦業(yè)集團(tuán)下屬先河機(jī)電有限責(zé)任公司自動化研究所工作，在此期間，參與薄煤層采煤機(jī)變頻電牽引項(xiàng)目的試驗(yàn)生產(chǎn)。2006年3月至今，就職于深圳市康必達(dá)智能科技有限責(zé)任公司；先后參與福建三鋼中板輔傳動項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)試、煉鐵1-5高爐卷揚(yáng)項(xiàng)目變頻傳動設(shè)計(jì)與調(diào)試、煉鋼1-3轉(zhuǎn)爐變頻傾動及氧槍自動化設(shè)計(jì)與調(diào)試等。