森兰高压变频器在万吨水压机上的应用

摘要：  烟台台海玛努尔核电设备有限公司(THM)万吨级水压机项目采用高压变频调速系统以后，既实现了电机的软启动，延长了机械设备的寿命，又节约了能源，完成了整个锻造过程的自动化控制。

关键字：  THM，  水压机，  变频器

1引言

烟台台海玛努尔核电设备有限公司(THM)是烟台市台海集团有限公司于2006年12月15日创建的专业致力于“百万千瓦级压水堆核电站”回路主管道生产的企业。同时也是全国唯一一家同时具备二代和三代核电主管道生产能力的制造企业。

该公司在原有的6000吨水压机的基础之上于2012年8月再次购进万吨级水压机。

整个万吨级水压机系统采用集散控制系统(DCS)。通过计算机和本地控制，既大大的提高了系统的自动化程度，满足了生产要求，节约了能源，同时又提高了万吨水压机系统的可靠性和运行的灵活性，降低了运行维护成本，为企业带来更大的经济效益。

2 万吨水压机的工作原理

万吨水压机的工作水来源于相互接通的低压容器和水箱。低压水经过高压水泵加压后进入高压水罐。通过三通阀门之间的切换，高压水可进入主缸柱塞向下压锻件或进入升降缸向上推动主缸活塞，以此来实现对钢件的锻打成型过程。

3 交流变频调速系统方案

为了提高整个个水压机系统的安全运行系数，保证系统的不间断运行，整个系统由八台高压水泵提供水压，编号为:1#～8#。1#～8#三级柱塞式往复泵既互为备用，同时也具有独立性(方便于分别进行检修)。交流变频器调速系统采用一拖一(不带工频旁路方案)，通过高压水罐内的压力变送器反馈，由后台DCS系统实现闭环控制。

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整个系统由一台总进线开关柜送电，八台出线开关柜分别控制1#～8#变频器的投切。这个供电方案即方便了整个系统的整体控制，又实现了在任何一台变频器或电机水泵发生故障时的单独切除检修。整个系统一次方案图如下:

根据万吨水压机所锻造的钢件的大小和密度等的不同，可将八台往复泵分别置于“打压”、“打循环”、热备和冷备状态。

“打压”状态：

电动机运行在50HZ，通过阀门的切换，往复泵不断的往高压水罐注入高压水的过程。

“打循环”状态：

电动机运行在25HZ，通过阀门的切换，往复泵中的高压水不断在主管道中循环的过程(此过程不对外做功，只是为了方便往复泵的自动、快速的投入“打压”状态)。

热备状态：

变频器处于上电待机状态，但并未运行，可方便运行中的变频器发生故障时的快速启动(由于此时变频器中的移相变压器处于空载状态，无功损耗较大，功率因数较低，需注意整个电力系统的无功补偿)。

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冷备状态：

变频器处于未上电状态，可根据需要随时的投入运行。

4 自动化控制方案

烟台台海玛努尔核电设备有限公司(THM)三期锻造分厂新购进的万吨级水压机高压水罐分有12级水位(水压)自动检测系统，由八台710KW/10KV的高压电机分别拖动1#～8#三级柱塞式往复泵往水压机高压水罐内供高压水。

当高压水罐水位低于9级水位时，按水泵序号将水泵由“打循环”状态提升为“打压”状态;当高压水罐水位高于9级水位时，按水泵序号将水泵由“打压”状态降为“打循环”状态。整个运行过程由DCS控制，实现完全自动化的过程。

经过市场比对和产品稳定性观察，采用森兰SBH系列高压变频调速系统来做为该万吨级水压机高压水泵的调速装置。

森兰SBH系列高压变频器提供多段速选择功能：

设置参数 F4-16：多段速选择方式为直接选择;

F4-00：X1数字输入端子功能为多段速选择1;

F4-01：X2数字输入端子功能为多段速选择2;

F4-17：多段频率1为30Hz;

F4-18：多段频率2为50Hz;

多段速频率1和多段速频率2分别对应于往复泵的两种工作状态：“打循环”状态、“打压”状态。

DCS控制后台与变频器通过硬接线通讯，当DCS给变频器X1、X2端子命令为1、0时，变频器运行于多段速1(30Hz);当DCS给变频器X1、X2端子命令为0、1时，变频器运行于多段速2(50Hz)。

DCS控制后台可根据高压水罐水位的状态变化，控制1#～8#变频器的工作状态，以维持高压水罐的水位(9级水位)。

5 森兰SBH系列变频器特性

5.1 高—高变频调速系统

森兰SBH系列高压变频器产用“单元串联多电平”结构，直接10KV输入，输出侧0～10KV可调节，无需加装升压、降压变压器可直接拖动电机运行。变频器内部每相单元串联级数8级。

5.2 单元旁路功能

森兰SBH系列高压变频器提供单元旁路功能。在任意单元出现故障后，变频器自动将该单元及同层单元旁路(切除)，实现不间断工作，提高变频器的安全运行系数。

5.3 转速跟踪功能(带速重启功能)

森兰SBH系列高压变频器从用户本身出发，对负载的拖动电机配备有电机转速跟踪起动功能。在电机未停止转动的状态下，自我的检测电机的转速，同时输出与之相应的频率与电压，加快电机起动过程，减轻电机与负载的机械冲击，并且可完全避免带速起动过程中的冲击电流。

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5.4 自适应性和完善的保护功能

森兰SBH系列高压变频器对我国的电网适应性强，电网电压波动在-35%～+10%范围内不停机，掉电30S内上电自动重启。同时该高压变频器为电动机和设备本身提供了完善的保护功能，包括过流、过压、过载、过热、缺相、欠压、负荷过重等。

5.5 无功损耗低，输入、输出功率因素高，谐波含量低

森兰SBH系列高压变频器为电压源型高—高变频器，其内部大量的滤波电容为电机提供无功功率，其接入网侧功率因素大于0.96(>20%负载)。该高压变频器的工作效率高达97.0%。

由于森兰SBH系列高压变频器输入侧采用的是移相整流技术，输入谐波小于3%，满足国家标准要求。而在变频器输出侧采用的是多重PWM波形叠加方式，输出电流谐波同样小于3%，运行过程中不会对电机绝缘性产生任何影响。

5.6 I/O扩展功能，控制系统自动化程度高

森兰SBH系列高压变频器I/O板接口已经实现全参数化，方便外部的扩展，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要。该变频器内置PID调节器，可开环运行，也可实现闭环控制。同时可接受和输出包括4～24mA、2～10V等多种信号。

5.7 模块化设置，方便安装与维护

森兰SBH系列高压变频器实现单元的模块化，方便更换与维修。全中文的人机界面，更人性化的设计适应于不同层次水平的人员操作。

6变频器设备节能预算

6.1 直接效益

烟台台海玛努尔核电设备有限公司的万吨级水压机于2012年10月14日投产。在生产过程中，根据锻造铸件的大小，及成型的要求，以高压水罐水位不低于9级为标准，自动控制分配和调整往复泵的工作状态。

正常工作状态下有4台往复泵会处于“打压”状态，而剩下的4台往复泵处于“打循环状态。”

根据与以往未使用变频调速系统的水压机比较表格如下：

表 1 未使用变频调速系统与使用变频调速系统参数比较表

根据上述表格可以看出水压机安装变频器节能效益主要来自于“打循环”状态。其中有4台往复式水泵处于“打循环”状态。

根据改造前和改造后水泵轴功率比较，单台处于“打循环”状态的水泵每年节电(计算每天工作时间8小时，每年工作300天)：

(工频能耗-变频能耗)×工作时间

[10×√3×22.5×0.8-6×14×√3×0.95]×8×300≈41.6万kW.h

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烟台市电费价格以0.5元/kWh计算，单台每年节约电费：41.6×0.5=20.8万元

4台处于“打循环”状态下的往复泵每年可节约电费：20.8×4=83.2万元

每年易损器件、维护费用等预计投资按1.5%计算：360×1.5=5.4万元

6.2 间接效益

6.2.1 监控方便

使用变频调速系统后，由于森兰SBH系列变频器自带电动机保护功能和运行状态监视，不需要再增加额外的电动机保护设备，减少设备投入。同时森兰SBH系列变频器产用全中文人机界面，显示参数可选择性，能同时显示输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、运行频率及电机转速(理论值)。

6.2.2 电机软启动

使用变频调速系统后，所有八台往复泵机组都能实现软启动方式，电机启动电流远小于额定电流，启动时间相应的延长，对电网无较大冲击，从而有效的减轻起动时的机械转矩对电机的机械损伤，更好的保护电机与水泵，延长这些设备的使用寿命。

6.2.3 机组运行噪音和震动减小

使用变频调速系统后，当往复泵处于“打循环”状态时，由于运行频率的降低，震动及噪音同时减小，延长了设备的使用寿命。

7 结束语

烟台台海玛努尔核电设备有限公司(THM)万吨级水压机项目采用高压变频调速系统以后，既实现了电机的软启动，延长了机械设备的寿命，又节约了能源，完成了整个锻造过程的自动化控制。同时，通过变频器监控整个拖动电机组的工作状态，适时的对拖动电机提供保护，大大的增加了系统的安全运行系数，也方便了人为的对整个系统的观察与控制。