变频驱动同步电机在国产压缩机组中的应用

　　为解决国家能源工业结构不合理、环境保护等问题，中国于2000年开始开展了西气东输等工程的建设。之后，长距离、大口径输气管道进入了建设的高峰期。为提高长输管道的输送能力，补偿输气管道上的压力损失，需要在长输管道中间设立压气站，而压气站的主要设备为压缩机组。传统的压气站压缩机组为燃气轮机驱动，它以较高的可靠性等优点在中国长输管道压气站中得到了广泛的应用。近年，电驱动系统由于其低投资费用、低维护费用、可遥控无人操作等优点，在国内长输管道压气站中开始得到应用，并在一定程度上有取代燃气轮机驱动的趋势。

　　当前，西气东输一线、二线全线在内的几乎所有压气站中的压缩机组为国外进口机组，极大地限制了中国管道行业的发展。为了打破这一技术垄断，近些年国内多家单位参与国产电驱动压缩机组的研制工作。

　　2011年12月份容量为20MW的国产首台套电驱压缩机组出厂。2012年11月16曰，该压缩机组72h现场运转测试在西气东输二线高陵分输压气站成功完成，并正式投产。这标志着中国天然气长输管线行业打破国外垄断，使中国天然气管道行业进入1个崭新的时代。

　　该国产电驱压缩机组由容量为20MW的单元串联多电平PWM电压源型变频器、同步电机、离心式压缩机等设备组成。本文将以该机组为背景，简要介绍以变频器和同步电机所组成的电驱部分的技术特点。

　　1压缩机组电驱系统的组成和特点**：郝星，1985年生，男，陕西西安人，2010年毕业于西北工业大学机械制造及自动化专业，助理工程师。

　　1.1系统结构该电驱系统主要由带阻尼启动的移相变压、单元串联多电平PWM电压源型变频器、同步电机及压气来自变压器I组次级线圈由功率单元逆变电路结构可知，每个单元存在4种不同的开关组合：VA和VD同时导通，输出正的母线电压为+Ud；VB和VC同时导通，输出负的母线电压为-Ud；VA和VC同时导通，或VB和VD同时导通，输出电压则为0；故每个功率单元输出电压为+Ud、0、-Ud三种电平。每相8个单元叠加，可以产生17种不同的电平，分别为+-7Ud、+-由于在接通变压器的初始瞬间，变压器的励磁涌单元串联多电平逆变电路采用多电平移相式站配套系统组成，其一次图见1.2主要特点该电驱机组采用单元串联多电平PWM电压源型变频器，2极防爆型无刷励磁高速同步电机，变频器和电机功率均为20MW，额定电压10kV，电机具有正压通风防爆系统，调速范围为3 4800r/min，*高转速可达5040r/mm，并与离心式压缩机直联驱动。

　　2压缩机组电驱系统主要设备2.1带阻尼启动的移相式变压器单元串联多电平PWM电压源型变频器输入侧由2个相同的一次侧10kV输入移相变压器组成，它们分别给12个功率单元供电。每台变压器有12个隔离的三相二次绕组，每个二次绕组的额定电压皆为660V，每2套副边绕组为1个相位角，互相之间错开10个电角度，其移向角如表1所示。

　　表1移相变压器移相角流会突变到变压器额定电流的4倍左石，导致10kV母线电压下降瞬时过大，对其他电气设备造成影响。

　　采取在10kV合阐时先通过一阻尼电阻给变压器次级预充电，供电约1s~10s后将电阻旁路，使在预充电时10kV母线电压降在5%以内，从而克服隔离变压器在接通初始瞬间产生的浪涌效应。电阻和断路器安装在同1个开关柜内并在室内安装。

　　2.2变频器2.2.1变频器结构及原理变频器每相分别采用8个额定电压为660V的功率单元串联叠加，一共24个功率单元组成，每个功率单元相同可进行互换且之间绝缘，三相构成Y型接法，输出相电压*高为660Vx8=5280V，线电压可达9144V.功率单元是1个由不可控二极管、电容、电阻以及低压IGBT功率器件组成的三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型变频器结构，其功率单元系统图见。每个功率单元由6只不可控二极管实现三相全波整流，与移相变压器组成输入侧36脉波整流，可以消除35次以下谐波。

　　变频器功率单元的额定输入电压为660V，经整流后直流母线电压Ud为900V左石，为了使系统更加稳定，在母线上并联35个起滤波作用的容量为1100uF电容，以及2个能耗电阻。逆变侧由4只额定电压为1700V的IGBT组成H桥式单相逆变电路。主控系统由DSP主控板、PLC和相关电气元件组成。DSP通过光纤实现对每个单元进行SPWM控制，使其输出为单相0V660V的交流电压，输出频率与同步电机相匹配*高可达84Hz. PWM技术，所谓‘移相式’是指同一相各功率单元的载波信号错开一定的电角度，使得叠加以后输出电压的阶梯数增加，等效开关频率提高，电压波形更加接近于正弦波，电流谐波非常小。

　　2.2.2变频器设计优点a）该设计在减小谐波分量方面有很大进步，不需要单独设置滤波器，不存在由谐波引起的转矩脉动及电动机发热、噪声等问题；b）功率单元串联，不存在器件均压的问题，每个功率单元承受全部电流，仅承受1/8的输出相电压和1/24的输出功率；c）各功率单元采用模块化设计具有相同的结构及参数，可以进行互换，每个功率单元与系统的联系仅为3个交流输入线排，2个交流输出线排排和2根光纤插头，方便单元维修。该系统具有单元旁路功能，在个别单元故障时可在旁路控制板的控制下将该单元短路，系统仍能正常或降额运行，*多每相可旁路2个功率单元。

　　2.3高速同步电机采用防爆型无刷励磁高速同步电机，额定功率为20MW，额定电压10kV，Y型接线，级数2级，额定转速4800r/min，*高转速5040r/min，功率因数高达10.励磁机定子Y型接法，转子双绕组Y接法，与主电机转子采用直接连接，中间装有由12只不可控二极管组成的旋转整流盘，以给主机转子提供可调的直流电，示意图见。该电机具有正压通风、空-水冷却和高压顶升等辅助系统。

　　旋转整流器同步电机原理图a）正压通风防爆系统：在启机前先用洁净压缩空气对电机腔内气体进行吹扫置换，防止电机机壳内存在危险气体，机组运行时保持机腔内50Pa左石的正压力，使可燃气体或粉尘不能进入电机内部；b）空-水冷却系统：同步电机顶部安装有功率500kW的空水冷却器，其内部配有漏水检测装置，空冷器两侧分别装有2组共4台功率为22kW的风机，它使热空气与空水冷却器内的冷却水进行充分的热交换，并按照正确的方式使冷却风吹入电机的定子和转子以起到冷却作用；c）高压顶升装置：同步电机两侧安装1对电压380V，功率15kW的顶升油泵，它在同步电机低速运行时给滑动轴承提供1个公称压力20MPa，公称流量2.5L/min的润滑油，使转子被润滑油顶起来，进而确保转子在低速运行时与轴承良好运行。

　　3机组建设和运行中应注意的事项结合西气东输一线压缩机组建设和运行的经验，该机组在建设和运行中应该注意以下几个方面：a）变频器采用去离子水冷却，防止水结冻，造成设备损坏。为保证在冬季气温低时停运机组去离子水不结冻，变频器室温不得低于5°，可在室内配备空调等供暖，同时配备外电突然停电等情况下的应急保安设施；b）变频器和电机均采用循环水冷却，建议选用不生锈的管材，露出地面段设置保温和电伴热、系统设置低点排污、高点排气、管道外循环、电机内的水排放及空气吹扫设施。冬季机组停运时应将冷却水排干，防止将管道冻裂；c）从西气东输运行故障的历史统计看，因辅助系统原因引起机组故障所占比例达7成以上，因此需要对关注辅助系统的运行状态了如指掌。例如：确保机组内部温度、压力，机组外部润滑油、循环水系统的温度、流量、压力，满足机组运行要求；确保压缩空气内不含水、油及固体颗粒等物，使压缩空气质量合格。

　　西气东输二线高陵分输压气站于2012年11月16曰正式完成该机组现场72h运转测试，标志着国产化压缩机的在天然气长输管线上的正式投产使用。首台套自主研发20MW电驱压缩机组是使用在天然气长输管线上功率*大、转速*高的国产化电驱压缩机组，该系统复杂而庞大，凝结了国人无数的聪明智慧，它使中国天然气管道输送行业迈向了新的台阶，开拓了中国民族工业发展的新方向。