大功率壓氣機試驗器動力裝置選型設計

何　萍，楊　洲，周　燊，粟海濤，劉海華

（中國航空動力機械研究所，湖南株洲 412002）

大功率壓氣機試驗器動力裝置選型設計

何萍，楊洲，周燊，粟海濤，劉海華

（中國航空動力機械研究所，湖南株洲 412002）

本文簡單介紹了壓氣機試驗器動力裝置的幾種類型及其特點，重點介紹了ACS5000變頻調速系統作為某大功率壓氣機試驗器動力裝置的典型應用，包括ACS5000變頻調速系統設備選型、安全可靠性設計、抗干擾措施設計，為ACS5000變頻調速系統在其它同類型應用中提供了參考和借鑒作用。

大功率壓氣機試驗器；動力裝置；ACS5000變頻調速系統

0　引言

壓氣機試驗器可使用氣動渦輪、航空發(fā)動機、調速電機作為動力裝置，氣動渦輪不常用，航空發(fā)動機、調速電機使用較多。早期的壓氣機試驗都使用航空發(fā)動機提供動力，其使用方便靈活、機動性好、輸出轉速高，缺點是需配備一臺換向器來實現試驗器的雙向功能，尾氣和噪聲污染嚴重，并且轉速波動較大，這對于獲取壓氣機的等轉速特性曲線以及捕捉喘振點非常不利，在高轉速逼喘試驗時存在試驗件超轉的風險，發(fā)動機慢車轉速即為試驗器的最低工作轉速，使一些壓氣機的低轉速性能數據無法錄取，設備維護保養(yǎng)工作量大，隨著設備的老化和備件供應困難，設備的完好率越來越低。

電機調速分為直流、交流調速，直流調速技術成熟，轉速精度高，但結構復雜，需定期維護保養(yǎng)，功率較大的直流電機其輸出轉速低，直流調速電機不能滿足大功率壓氣機試驗器的功率要求；隨著電力電子技術以及電子計算技術的高速發(fā)展，變頻調速技術日益完善，特別是大功率整流、逆變器件的使用，變頻調速優(yōu)勢越來越明顯：變頻器的功率增大，可滿足大功率拖動系統的要求，調速范圍廣，轉速精度高，可與直流調速媲美，結構簡單，可靠性高，易于操作和維護，方便實現正反轉，提高了試驗效率和試驗可信度。本文詳細介紹了ACS5000變頻調速系統在某大功率壓氣機試驗器的應用。

1　大功率壓氣機試驗器動力裝置主要技術指標

根據壓氣機試驗器的總體指標確定動力裝置的主要技術指標：

（1）額定轉速：1500r/min；最高轉速： 1800r/min；

（2）調速：（100～1800）r/min連續(xù)可調；

（3）最大負載功率： 8000kW；

（4）系統功率因數：＞0.96（20%～100%電機額定負載）；

（5）系統總效率：＞0.94（電機額定負載）

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

（7）動態(tài)性能：在0.1秒內，負載轉矩變化±17%時，轉速超調量小于±0.2%F.S，穩(wěn)定時間小于1秒；

（8）任一轉速下，電機無共振區(qū)；

（9）變頻調速系統具有完善的保護功能；

（10）變頻器輸入、輸出側各次諧波電壓、電流均滿足國際電工學會IEEE519-1992標準，對電機的影響符合NEMA標準中的MGI-1993要求。

2　壓氣機試驗器電機拖動原理

壓氣機試驗器電機拖動原理見圖1，電機通過疊片聯軸器、增速器對壓氣機進行拖動。上位機操縱系統、電氣控制系統通過Industrial Ethernet 和PROFIBUS-DP通訊對動力裝置進行控制，變頻器通過轉速閉環(huán)控制來改變電機的供電頻率而實現拖動系統的精確調速。

圖1　壓氣機試驗器電機拖動原理圖

3　變頻調速系統設備選型

壓氣機試驗器的T-n曲線見圖2。首先根據技術指標和負載的T-n曲線選擇電機，然后選擇變頻器及其配套設備。經過調研和國際招標，變頻調速動力裝置由AMB 710L4L BSFM電機、ACS 5066_36L123_1a123_W2a變頻器、ZS1鎧裝式金屬封閉高壓開關柜、ZTSFG-9870/10整流變壓器等組成。

3.1電機選型設計

試驗器需滿足多型號的壓氣機試驗，功率大小相近的壓氣機，由于工作點不同，其T-n曲線也不同，為了滿足額定轉速低，額定功率較大的壓氣機試驗，電機選用AMB 710L4L BSFM恒轉矩電機，使調速系統具有額定轉速以下恒轉矩調速，額定轉速以上恒功率調速的特點。

電機因功率大，轉子達5000 kg，選用空水冷卻、強迫潤滑電機，主要技術參數：額定功率：8000 kW；額定轉速：1493 r/ min；最高轉速：1800 r/min；最大轉矩倍數：2.3；效率（100%負載）：97.6%；功率因數（100%負載）：0.905。

3.2變頻器選型設計

變頻器不僅是滿足試驗器技術性能指標的關鍵設備，而且是試驗器的主要電磁干擾源，合理選型和配置至關重要，通過調研及國際招標，選用ABB公司生產的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，具有合理的拓撲結構（見圖3），優(yōu)越的器件性能，先進的直接轉矩控制（DTC）技術，對電網和電機都友好，能提供精確的速度和轉矩控制。根據電機的額定功率確定變頻器型號為ACS 5066_36L123_1a123_W2a，其主要技術參數為：額定輸出功率9881kVA，輸出頻率范圍（0 ～75 ）Hz （正/反轉），控制精度為額定轉速的 0.01%，，轉矩階躍響應時間＜ 3.5 ms，總體輸入功率因數＞0.96（20% ～100% 負載），額定負載下的效率為98.6%，轉矩脈動＜ 2%，能滿足電機和壓氣機試驗器負載要求。

3.3高壓開關柜選型設計

ACS5000變頻器通過控制高壓開關柜的分閘來保護試驗件和試驗設備，因此高壓開關柜可靠工作至關重要。大功率變頻調速系統采用ZS1鎧裝式金屬封閉開關設備，根據負載功率確定主母線電流為1250A，輸入電源電壓10kV±10%。高壓開關柜的合閘時間為（55～67）ms，分閘時間為（33～45）ms，燃弧時間≤15ms，能滿足變頻器的合閘/分閘要求。

3.4整流變壓器選型設計

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側的諧波，能承受系統過電壓和變頻器產生的共模電壓以及諧波的影響。變頻調速系統功率大，為了減小變壓器體積以及便于維護保養(yǎng)，采用36脈波干式變壓器，型號為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級絕緣。

4　安全可靠性設計

動力裝置需安全可靠運行，其配套設備本身的可靠性、配置及功能起決定作用，電氣監(jiān)控系統的連鎖控制也至關重要。

（1）高壓開關柜、變頻器、電機、整流變壓器的防護等級高，分別為IP41、IP32、IP55、IP20，并且高壓開關柜、變頻器、電機都具有CE認證，符合EMC標準，設備本身可靠性高；

（2）變頻器整流部分采用大功率二極管器件，主電路保護和逆變輸出部分采用IGCT功率半導體器件，器件數量少，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/電導率顯示和保護裝置，使設備運行更安全；配置接地故障檢測裝置，柜門具有機械電氣聯鎖裝置，確保人身安全；

圖2　變頻器、電機、負載的T-n曲線

（3）電機配置了漏水檢測裝置，在電機的定子繞組、驅動端/非驅動端軸承、冷空氣/熱空氣回路、冷卻水進口和出口處都安裝了Pt100測溫電阻，可在遠程監(jiān)視電機運行狀況，確保電機運行安全；

（4）整流變壓器配置電流互感器、繞組溫度傳感器、電流繼電保護裝置、溫度控制器、冷卻風扇等。通過溫度控制器實現繞組溫度的顯示、控制、報警、故障保護功能，并輸出（4-20）mA溫度信號以便遠程監(jiān)視繞組溫度；

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

（6）為防止受潮，高壓開關柜、變頻器、電機配置加熱器，工作更可靠；

（7）動力裝置的保護功能

a） 高壓開關柜具有過流和速斷保護功能，并具有跳閘、內部故障、空氣開關跳閘指示；

b）整流變壓器具有失電報警、超溫報警/跳閘、溫控故障、底部/頂部風機故障、繼電裝置過流保護、變壓器間風機工作異常報警功能；

c）變頻器及電機具有超速、超扭、過流、過壓、欠壓、過載、短路、電源缺相、電機缺相、堵轉、電機定子超溫、電機軸承超溫、接地故障及漏電保護、輸出頻率、系統內部故障、冷卻水故障、凝露報警、外部連鎖故障、緊急停機等可靠保護功能。

（8）電氣監(jiān)控系統以西門子SIMATIC S7-300 PLC

為核心，采用PROFIBUS-DP現場總線和Industrial Ethernet 以太網通訊控制，以西門子WinCC為可視化監(jiān)控軟件，實現設備集中顯示、監(jiān)控和關聯，監(jiān)控對象主要包括高壓開關柜、整流變壓器、變頻器、電機、輔助設備的狀態(tài)和參數，參數超限后自動保護或報警。具有高精度、高動態(tài)特性、低故障、可視化控制、抗干擾能力強的特點，確保試驗件和設備的安全。

5　抗干擾措施設計

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

（1）整流變壓器提供8%的阻抗以限制電網側的諧波，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35次以下的諧波自動抵消，輸出側du/dt的影響大大削弱，可降低漏電流、高頻輻射和電機的軸承電流，從源頭上減少電磁干擾；

（2）配置的設備都具有CE認證，符合EMC標準，防護等級高，并且變頻器的表面進行帶涂層的防腐處理，可減少設備的電磁輻射；

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

（4）采用H級絕緣的整流變壓器和電機，增強設備承受共模電壓能力，并增大電機承受du/dt能力；

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

6　結束語

動力裝置自2009年調試運行后，工作正常；諧波干擾小，試驗器各系統都能穩(wěn)定可靠工作。動力裝置選型和配置合理，安全保護措施完善，轉速精度優(yōu)于0.05%，具有功率大、轉速穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好、功率因數/效率高的特點，完全滿足大功率壓氣機試驗器對動力的要求。

［1］ ACS5000變頻器用戶手冊［R］.ABB.

［2］ 感應電機及發(fā)電機手冊［R］.ABB.

［3］ MB560-710三相感應電機安裝維護手冊［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變頻器拓撲圖