关键词：高压变频器；空压机；软启动；节能

Abstract: This article introduces the application of the high-voltage inverter produced by WindSun Electronics Technology Co., Ltd. in the soft start of air compressors. Through the non-disturb switching start function, the normal production is realized, the network capacity is saved, the investment cost is saved, and the energy saving effect is remarkable. It is especially suitable for the scene where the small-capacity power grid starts the high-power load equipment.

Keywords: High voltage inverter； Air compressor； Bumpless switching； Soft start； Energy saving

1  用户情况

盈德气体集团成立于2001年，以空分业务起家，目前已在国内投资建设近百套空分，广泛分布于全国各地，规模和产能等占有绝对的市场优势。以空分业务为基础，盈德气体集团继续深耕工业气体市场，大力发展合成气、特气、液体销售与配送等业务，均取得了不俗的成绩。 粤芯半导体是国内第一座以虚拟IDM为营运策略的12英寸芯片厂，主要服务于物联网、人工智能、5G等前沿领域，2018年底，盈德气体集团与广州粤芯半导体公司达成协议，在其项目内投资新建、运行并管理一个大宗气体供应站，满足粤芯半导体的多种气体需求。厂区现场如图1所示。

图1  用户厂区

盈德气体现场新建大综气站项目，其中2#进线容量为4000kVA，配备一台型号SC11-4000kVA  20kV±2×2.5％/10kV主变，后级所带负荷分别有：一台1250kVA的动力变（厂内低压负荷）、一台容量600kVar的电容柜、一台功率1600kW的CAD空压机。进线容量设计太小。如果使用普通的软起动，根据经验冲击电流在2-3倍电机额定电流左右，全额生产后设计的进线容量无法启动空压机负载，用户设计的时候只能考虑的使用变频器启动方案。且需要转工频的无扰切换功能。

2  现场设备情况

空压机现场如图1所示。参数如表1所示。

图2  空压机负载现场

经过多方对比，最终选择了新风光电子科技股份有限公司生产的JD-BP38系列产品，软启动1600kW的空压机电机，采用“一拖一”自动切换方案。

3  风光JD-BP38系列高压变频系统技术特点

风光牌JD-BP38系列高压变频器荣获“中国名牌”称号，新风光公司是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度传感器矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dV/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。

3.1  JD-BP38-800F高压变频器技术指标

JD-BP38-800F高压变频器技术指标如表2所示。

3.2  JD-BP38-800F高压变频器技术特点

具体来说，风光高压变频器除具有一般普通高压变频器的性能外，还具有以下突出特点：

(1)高性能矢量控制，启动转矩大，转矩动态响应快，调速精度高，带负载能力强，提高设备运行的平稳性；

(2)振荡抑制技术，采用优越的电流算法，有效地抑制轻载电机电流的振荡，保证系统稳定可靠的工作；

(3)快速飞车启动技术，特别适用于（如水泥厂高温风机）变频保护后的重新启动，可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行；

(4)电网瞬时掉电重启技术，电网瞬间掉电可自动重启，可提供最长60s的等待时间；

(5)线电压自动均衡技术。变频器某相有单元故障后，可保证最大的线电压均衡输出；

(6)工、变频无扰切换技术，该技术可满足多电机综合控制及大容量电机软启动的需要；可以实现大容量电机双向无扰动投切，能有效保证生产的正常进行；

(7)输出电压自动稳压技术，变频器实时检测各单元母线电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能；

(8)故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机；

(9)多种控制方式，可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议，频率设定可以现场给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能；

(10)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握；

(11)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍；

(12)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生；

(13)限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数；

(14)故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。

4  变频改造方案

4.1  改造控制方案

现场空压机先阀门关闭，使用变频器无负载启动，启动完毕后，使用变频器“勿扰切换”功能，实现变频转工频，空压机再进行逐步加载。空压机空载时几乎等同于空电机启动工况，根据相关设理论计要求2/3的容量既可以满足空载启动要求，又根据相关应用案例，该项目最终选用一个功率800kW变频器作为CAD空压机（1600kW）的启动设备。

4.2  高压变频器主回路控制方案

根据现场要求，空压机采用“一拖一”运行方式，配置自动旁路柜，其一次电路如图3所示。

图3 自动旁路柜

高压变频器变频切换工频的控制系统，包括高压变频器、输入接触器KM1、变频接触器KM3、工频接触器KM4和工频采样模块，高压变频器通过输入接触器KM1与电网相连接，高压变频器通过变频接触器KM3与电机相连接，电机通过工频接触器KM4与电网相连接，高压变频器通过工频采样模块采集工频电网电压的幅值、频率、相位和工频接触器KM4的电流。

高压变频器可以控制输入接触器KM1、变频接触器KM3和工频接触器KM4的合分，以实现变频切换工频的无扰切换。实现过程如下：

（1）高压变频器通过工频采样模块采集电网电压的幅值、频率和相位信号及工频接触

器KM4的电流大小信号；（2）调整高压变频器的输出电压与电网电压一致；（3）吸合工频接触器KM4；（4）判断工频接触器KM4电流大小，若工频接触器KM4电流大于预设值，封锁高压变频器输出；（5）断开变频接触器KM3。

5  “无扰切换”工作原理

本方案实现过程框图如图4所示。

图4  “无扰切换”工作原理框图

工作原理和工作过程如下：工频采样模块包括电压采样电路和电流采样电路：电压采样电路信号通过单片机信号，分解成电网电压的幅值、频率和相位信号，通过光纤通讯电路1，发送给高压变频器的主控系统，用于主控系统调节高压变频器的输出电压幅值、频率和相位，与电网一致；电流采样电路信号，经过整流滤波成直流信号，与电路中的三角波进行比较，生产PWM信号，通过光纤通讯电路2发送给高压变频器的主控系统，以便高压变频器的主控系统根据PWM信号的脉宽进行电流大小的判断；光纤通讯电路1与光纤通讯电路2的区别在于，光纤通讯电路1为串口通讯，周期性发送数据；光纤通讯电路2是将PWM信号转换为光信号，实时发送，以保证高压变频器的主控系统能够及时的响应电流变化。

高压变频器在接收到转工频信号时，高压变频器的主控系统调整高压变频器的输出电压与工频采样模块上传的工频电网电压一致；然后吸合工频接触器KM4，同时判断工频接触器KM4的电流；当检测到工频接触器KM4上的电流大于预设值时，主控系统判断KM4已吸合，然后封锁高压变频器的输出、停机；防止高压变频器与电网之间形成环流；高压变频器停机后断开变频接触器KM3，变频切换工频过程完成。

与现有技术相比，本方案在不增加高压变频器输出电抗器的条件下，实现了电机变频切换工频电源不间断的控制过程；解决了变频转工频离线切换方式下对电机的冲击电流的问题，解决了变频转工频在线切换方式下需要增加电抗器的问题。

6  变频改造效果

盈德气体集团1600kW空压机采用变频改造后，改造达到了预期目的。高压变频器现场如图5所示。人机界面如图6所示。

图5  高压变频器现场图

图6  人机界面

变频器拖动空压机在空载情况下进行软启，在达到50Hz后，通过“无扰切换”功能，把空压机由变频状态转为工频状态，电机无负载启动时电流21A，在切换时，观察开关柜在转工频时电流最大为23A，不解决了现场转工频瞬间冲击电流过大的问题。转工频瞬间电流变化波形如7所示。

图7  变频转工频电流变化波形图

软起动尤其是超大功率设备的启动设备，有比较大的市场。

通过使用变频器启动相对其他软起动方案，启动电流相小，减小了占网容量(占网容量费可以按照23.3元/1kVA计算)，节省了投资成本。

相对该现场小容量变频启动大容量设备也节约的设备购买成本

与多数厂家使用加电抗器柜抑制切换瞬间的电流的方案相比，本方案通过算法及控制优化实现无扰切换功能，具有一定的技术优势。

7  结束语

综合看来，盈德气体集团1600kW空压机采用新风光公司高压变频器进行改造，解决了空压机的启动难题，降低了投资成本，对保证全厂生产的正常顺利运行起着重要的作用。在类似的场合应用，具有借鉴意义。

参考文献：

[1] 新风光电子科技股份有限公司. 新风光电子使用手册[Z].