近年来，为响应国家节能减排和绿色环保生产的要求，部分国内化工龙头企业的大型压缩机应用开始由汽驱改为电驱。电驱方式可以显著降低能源消耗、减少空气污染和温室气体排放，同时也能给企业自身带来显著的经济效益，但电驱的稳定性和可靠性问题始终困扰着用户。随着大容量高压变频器技术的迅速提升和日臻成熟，高压变频器调速控制方式在化工企业大型压缩机组里逐步得到有力推行。
某化学气化装置净化工序丙烯压缩机是气化装置的关键设备，对运行的可靠性和稳定性要求极高，设备故障将给装置本身及下游生产带来重大影响。原高压变频器采用进口品牌，近年来，其故障率呈上升趋势；如出现重故障，短时无法修复，将导致气化装置停车，对下游及部分石化装置造成不同程度的影响，带来巨大的经济损失。
经过深度调研和技术交流，用户最终选择上海能传高压变频器作为热备机。能传高压变频器冗余自动切换技术可以有效解决原进口变频器故障导致的气化装置生产停车等一系列问题，保障生产连续性。
为提升系统可靠性，本项目采用一套同等容量的能传高压变频器，与原进口变频器形成“一用一备”，实现整机冗余配置。即当原进口变频器故障时，能传高压变频器冗余切换技术会自动接管系统并继续运行，在此切换过程中，不会造成气化装置停车，转速快速止跌，负载波动变化小，满足现场生产工艺要求。
在正常运行工况下，由原进口变频器对电机进行变频调速，当其出现故障时，热备变频器需在200ms内完成接管，并做到转速快速止跌和转矩恢复。能传热备高压变频器可按工艺要求持续变频调速运行，待原进口变频器完成维修后，客户可以根据生产计划，回切至原变频器继续运行。如原进口变频器修复后回切失败，备用高压变频器可以自动接管，保障系统不停机，大大提高其可靠性。
变频器装置一次系统图如下：
图1 变频器装置一次系统图
为进一步提升备用变频器的系统可靠性，能传为本项目高压变频器配置了两个可靠性增强功能：
控制系统冗余设计和在线更换功能
主控板、控制电源、电压和电流采样、以及控制系统至功率单元的光纤皆采用冗余配置，真正做到了控制系统全套冗余。该设计可实现1ms内自动切换，故障不停机。此外，双冗余控制系统还可实现在线更换，从而大幅提高生产连续性。
图2 控制系统冗余设计框图
图3 控制系统冗余实物图
功率单元快速自动旁路功能
当某个功率单元故障或控制元件损坏时，功率单元旁路功能可以保障变频器不停机且连续稳定运行，满足本项目高靠性要求。在实际运行过程中，如功率单元发生故障，变频器采用功率单元快速自动旁路技术，旁路故障单元；同时，利用中性点偏移技术，调整中性点位置，保证三相输出电压平衡，故障单元的信息通过控制系统实时反馈给控制面板上的人机界面，便于设备检修时查找故障单元的问题。功率单元具体旁路过程如下：
① 变频器检测到任一单元故障后，立即封锁脉冲输出
② 脉冲封锁后，闭合故障单元的旁路接触器，物理旁路故障单元
③ 旁路接触器闭合后，变频器重新输出脉冲，电机恢复至正常运行状态
图4 功率单元旁路前 功率单元旁路后（A相一个单元故障）
根据电机铭牌和负载要求，能传备用变频器基本参数如下：
序号 | 名称 | 参数或描述 |
1 | 型号 | NC HVVF 10/10-7100 |
2 | 控制方式 | 无速度传感器矢量控制，DSP+FPGA+ARM三核控制 |
3 | 电压等级 | 电网侧10kV，电机侧0-10kV |
4 | 变压器 | 干式移相变压器，10600kVA/10kV，48脉冲整流 |
5 | 控制系统 | 主控板冗余，光纤冗余，控制电源冗余，电流/电压采样冗余（即单路控制系统任一故障不会导致停机） |
6 | 功率单元 | 660A/690V，含快速自动旁路功能 |
7 | 拓扑结构 | 每相8个单元串联，输出相电压17电平，线电压33电平 |
8 | 输出频率 | 0-180Hz（可调） |
9 | 冷却方式 | 强制风冷 |
图5 电机铭牌
图6 能传备用变频器现场图
该改造项目的基本要求是气化装置系统运行具备高可靠性，对于该现场的实际应用情况，特别是用户关心的可靠性问题，如主备变频器可靠切换和切换时间，能传备用变频器的可靠性功能和相关数据等做如下介绍。正常情况下，原进口变频器拖动电机运行，能传备用变频器上高压电后，处于就绪热备用状态。
热备用变频器切换过程如下：
① ITCC（压缩机综合控制系统）下发“热备变频器投入”命令至备用变频器
② 备用变频器上传“变频器热备中”至 ITCC
③ 在运行典型工况下断开原变频器柜内风机电源，模拟原变频器故障
（工况：输出功率4059kW，输出电压8591V，输出电流302A，电机转速1413rpm）
④ 原变频器故障，输出开关柜QF2分闸，并将“原变频器故障”信号发至备用变频器
⑤ 备用变频器接收原变频器输出开关分闸状态信号后，触发输出开关柜QF3合闸
⑥ 输出开关柜QF3合闸后，备用变频器立即启动并输出转矩
⑦ 备用变频器上传“备用变频器已运行”、“备用变频器切换成功”信号至 ITCC
⑧ ITCC对备用变频器进行调速操作
从下方所示切换波形中可以看出，切换过程整体平稳，原变频器故障到信号发出时间为138.6ms，原变频器和备用变频器输出开关柜分合闸时间为125.1ms，备机启动转速止跌时间为37.8ms，原变频器发出故障到切换完成的总时间为162.9ms（≤200ms，满足技术要求）。查看转速下降趋势，切换期间转速下降4.6%，切换后系统流量、压力、振动等数据均正常。
图7 变频器故障切换过程
注：C1(黄色)-主机故障信号（原变频器故障信息）；C2(红色)-备机转速（备用变频器驱动电机转速）； C3(蓝色)-备机输出电压（备用变频器输出电压）；C4(绿色)-电机电流
备用变频器带载晃电功能测试如下：
① 备用变频器带丙烯压缩机测试，控制系统冗余模式，主控板A驱动电机运行至 50Hz，主控板B处于热备状态
② 人为断开输入开关QF11，1.2s后合闸输入开关，进行低电压穿越（LVRT）测试
③ 备用变频器预充电投入工作，LVRT功能测试正常，电网电压恢复后，输出频率从电机当前运行频率开始升速，测得输出转速、电流均平稳，波形如下所示：
图8 备用变频器低电压穿越功能测试波形
注：C1(黄色)-变频器输入电压；C2(红色)-电机转速；C3(蓝色)-变频器输出电压；C4(绿色)-电机电流
图9 备用变频器热备状态（HMI显示）
基于丙烯压缩机对驱动系统的可靠性要求，该项目采用增加一套能传高可靠性高压变频器作为热备，实现冗余改造。本文对该热备变频器所独有的高可靠性特点和功能展开了详细描述。用户对现场实测功能和数据表示满意，认为能传高压变频器满足现场工艺控制和可靠性要求。能传高压变频器完善的系统自动切换控制方案不仅优化了丙烯压缩机组的工艺控制，为操作人员带来了便利，也为化工企业带来了较高的经济效益。
如原变频器也采用能传高压变频器，那么故障切换时间可以更短，回切至备用变频器运行后可以持续运行，无需担心没有热备变频器（系统自身可以做到主备变频器角色互换）；如工艺要求一定要切回原变频器运行，也可直接在线切换，无需等待生产计划停机。从系统的整体设计来看，能传高可靠性高压变频器的主备互换、冗余控制功能可满足用户对于系统稳定性极高的要求，避免停机带来的风险和损失。
