1 前言
1.1 化肥厂概况
某化肥厂是全国四大氮肥生产基地之一，年产尿素120万吨，有两套现代化的生产装置。位 于乌鲁木齐市，其核心产品尿素获中国名牌产品称号。良好的质量信誉使产品远销到斯里兰卡、马来西亚、菲律宾、南非等国家和地区。
1.2 地质环境特征
乌鲁木齐市位于新疆中部，地处天山北麓、准噶尔盆地南缘。辖区东以恰克马克塔格至大河沿一线与吐鲁番市接壤；西以头屯河与昌吉市为界；南以喀拉塔格－克孜勒伊接南山矿区，突出部分折向东南，沿未日洛克－阿拉沟以东与托克逊县相连。在夏泽格山脊线3以南与和硕县毗连；西南与和静县为邻；北部沿博格达山脊与吉木萨尔县、阜康市、米泉市分界。
乌鲁木齐市境最北点在头屯河下游距五家渠镇3.5公里处，最南点抵阿拉沟以南夏格泽山脊，南北最宽处约153公里；市境最东点在高崖子牧场东边石窑子艾肯沟内，最西点在胜利达坂以西的天格尔山脊，东西最长约190公里。地理座标：东经86°3733"-88°5824"，北纬42°4532"-44°0800"。总面积11793.71平方公里，城市规划控制面积1600平方公里。1997年，城市建成区面积82.5平方公里。
地势地貌
乌鲁木齐地势起伏悬殊，山地面积广大。南部、东北部高，中部、北部低。最高点天山博格达峰顶，海拔5445米；最低处在猛进水库的大渠南侧，海拔490.6米。两地水平距离75公里，高差4954.4米。山地面积占总面积50%以上，北部冲积平原不及总面积的1/10，市区平均海拔800米。
乌鲁木齐市区三面环山，北部平原开阔。东部有博达山、喀拉塔格山、东山；西部有喀拉扎山、西山；南部有伊连哈比尔尕山东段（天格尔山）、土格达坂塔格等。辖区地势由东南向西北降低，大致分为三个梯级：第一级为山地，海拔2500-3000米或更高；第二级为山间盆地与丘陵，海拔1000-2000米；第三级为平原，海拔在600米以下。
化肥厂地区气象条件如下：
1. 环境温度
极端最高温度 42 ℃
极端最低温度 -41.5 ℃
年平均温度 7.2 ℃
2．环境相对湿度
累年年平均相对湿度 60 ﹪
月平均最大相对湿度 82 ﹪
月最小相对湿度 39 ﹪
3．多年平均大气压 950.2 mb
最低绝对大气压 924.4 mb
最高绝对大气压 988.7 mb
4．年平均雷电日 12.7 天
5．海拔高度 < 1000 米
6．抗震设防烈度 8度
2 氨压缩机工作现状
2.1 传动控制
化肥厂目前的MC3氨泵采用变频系统驱动，强制冷却的无火花电机型号为ANQK-710SD-04A ,电机数据如下：
数量：1
额定输出：3300KW
额定电压：2×950V
极数：4p
机械外型：IMB3
冷却方式：1CD151
启动方式：反向变频器
密封保护等级：IP55
设计基准频率：60HZ 60-63HZ输出电压不变。
额定转速：1793 r/m
额定电流：2×1160A
启动电流保证：2×7100(6.1In)A
启动转矩保证：13179N*M
额定转矩：17525 N*M (0.75Mn)
最大转矩保证：42172 N*M (2.4Mn)
配套变频器：配套变频器为德国loher电流源型变频器，型号为2J9DO1950-930
参数如下：
输入电压：3*950V 50HZ 2300A
输出电压：3*660-950V
输出电压：42-60-63HZ
输出容量：2*1900KVA
功率因数：＜0.85
运行情况：
系统设计运行频率：42-63HZ 最低不低于42HZ
电机的典型运行点输出功率：
2×950V 60HZ 3000KW
2×713V 45HZ 1265KW
2×475V 30HZ 375KW
系统实际运行输出功率：1980KW
电机拥有独立冷却系统
电机滑动轴承采用液压油泵润滑
2.2 泵安全控制
系统拥有一套独立的氨泵安全仪控系统，通过该系统保证氨泵在整个变频调速范围内可安全调节。该系统还可以有效的避免氨泵进入喘振区。
3 改造的目的
3.1 存在的问题
变频器的问题：目前MC3变频系统存在的主要问题是设备陈旧，故障率居高不下，且已基本无备件可供采购，设备的日常维护和保养需求无法保障。MC3氨泵是化肥厂的核心设备且无备用机，因此，设备的故障隐患直接影响整个化肥厂的生产安全。另外，由于设备本身的原因，其功率因数偏低（额定功率因数：＜0.85），电网谐波含量偏大（补偿电容基本无法投入），由此带来的设备附加损耗偏高，且直接带来经济损失（功率因数罚款）。
电机的问题：目前的电机的冷却方式为：1CD151，由于其结构特点，每年柳絮飘飞的季节，散热孔都会被堵塞造成电机散热效果变差。需要人工清理。影响系统安全和正常生产。
3.2 解决方案
鉴于以上变频和电机出现的问题，最优的解决方案就是对氨泵的驱动系统进行整体的更换，用最新型的高性能高压驱动系统替换老系统。新系统包括变压器、变频器、电机电缆、电动机和新的就地控制箱等。
新系统采用6KV高压系统：
直接采用ABB 6KV高压无火花水冷电机；
更换现有的电机电缆，采用7.5-15KV阻燃高压电缆；
用变频器ABB ACS5000高压电压源型36脉变频器替换现有的LOHER电流源型变频器，不但可以高功率因数、还可以净化电网，提高可靠性；
用ACS5000 配套的36脉油浸式整流变替换现有的供电变压器。
3.3 预期效果
通过更新氨泵的驱动系统，实现以下目标：
1、 不产生附加的震动，不对氨泵运行产生任何不良影响；
2、 新系统预留后续升级接口，便于系统联网升级；
3、 大幅提高并保证系统的运行可靠性和可维护性。
4 主要设备介绍及容量选型
4.1 电动机
结合原电机的技术数据，经过ABB电机技术中心的计算，选定的6KV电压等级的新电机的数据如下：
Motor type code: AMA 500L4L BSNS
Rated output 3300 kW Power Factor 0.87
Voltage 6000 V Rated torque 17590 Nm
Frequency 60 Hz Relat. starting current 6.5
Speed 1791 rpm Relat. starting torque 0.7
Current 375 A Relat. maximum torque 2.5
Motor type code AMA 500L4L BSNS
Motor type Squirrel cage motor
Type of Ex-protection Ex nA II (IEC 60079-15)
Mounting designation IM 1001
Protected by enclosure IP 55
Method of cooling IC 81W
Insulation Class F
Standards IEC
Ambient temperature, max. 45 ¡ãC
Cooling water temp 32 ¡ãC
Altitude, max. 1000 m.a.s.l.
Converter supply ACS 5000
Duty type S1
Temp. rise Class B (RES)
Connection of stator winding Star
Rated output 0 - 3300 kW
Voltage 0 - 6000 V
Frequency 0 - 60.3 Hz
Speed 300.0 - 1800.1 rpm
Current 0 - 374 A
Power Factor 0 - 0.88
Efficiency 0 - 96.6 %
Relat. maximum torque 0 - 2.5
Rated torque 0 - 17506 Nm
Direction of rotation Clockwise
Weight of rotor 1750 kg
Total weight of motor 6060 kg
Inertia rotor Approx. 68 kgm2
Bearings Standard sleeve bearings, forced lubricated
4.1.1 电机的选型替换核心数据对比
序号 参数 原电机数据 新电机数据 比较结果
1 数量 1 1 OK
2 额定输出 3300KW 3300KW OK
3 极数 4 4 OK
4 机械外型 IMB3 IM1001 安装基础重新设计 OK
5 启动方式 反向变频器
DOL 变频启动
DOL OK
6 保护等级 IP55 IP55 IC81W(水冷)
7 设计基准频率 60HZ 60HZ OK
8 额定转速 1793 1788 OK
9 启动电流保证 6.1In 6.5 In OK
10 启动转矩保证 13179N*M 12313 N*M 变频驱动可保证100%MN即 17590N*M OK
11 额定转矩 17525N*M 17590 N*M OK
12 最大转矩保证 42172 N*M 43970 N*M OK
通过以上表格对比，可以确定新电机的负荷及启动特性能满足原有设备的各种要求。
4.1.2 电机静负荷计算
如右图，电机静负荷和动负荷按下式确定：（重力加速度取值10.0）
1、2点为静负荷作用点，3点为动负荷作用点。
1处的静负荷，N;
转子和轴的总重，N;
放有轴承座的底板部分的重力，N。当底板为整块底板时，此重力取整块底板的25%；
轴承座的重力，N;
电动机轴线至负荷作用点1和2的力臂，m； L1+L2=L;
由上式结合新电机的基础数据可以计算出1点的静负荷为
=17500×1/2+43100=51.85KN
=17500×1/2+43100=51.85KN
电机定子重力，N;
定子底板部分的重力，N。当底板为整块底板时，此重力取整块底板的25%；
=21.55KN
基础静压力=51.85+51.85+21.55=125.25KN
4.1.3 电机动负荷计算
3处的动负荷，N
电动机短路时的转矩额定转矩之比：对直流电动机K=10;对同步电动机K=4-6;对异步电动机K=3-6;
电机的额定功率，KW;
地脚螺栓之间的距离，M;
电动机的额定转速，r/min;
=66.2KN （K取最大值=6）
基础压力=静压+动压=125.25+66.2=191.45KN
分布在各点的基础压力=95.725N
在各地脚安装点的压力=48KN
4.1.4 冲击负荷计算
电机短路冲击系数按最大值6考虑时
冲击扭矩=17590×6=105.54N*M
基础力臂长：950mm,
基础承受的净冲击拉伸力=111.09KN
电机自重力=60.6KN
叠加到安装基础的拉伸力为111.09-60.6=50.49KN
分解到安装地脚的拉伸力为25.25KN
结论：经计算，新电机的基础静压力经过耦合底座的压力分解，分布到各安装点的静压力小于原基础承受的压力，无压馈的可能，替换是安全可靠的。底座承受的拉伸力小于原基础的拉伸力，无倾覆可能。原基础可以在新电机上继续使用。
4.1.5 散热计算
新电机采用水冷散热，用户自行敷设相关管道、阀门、并采取措施使冷却水的水质、流量、压力满足电机散热要求。相关数据如下：
水输入：DN50 DIN 2633 PN16 32度
水输出：DN50 DIN 2633 PN16 45度
入口水压：0.6MPa
流 量：0.2m3/h
水 质：净化中性水
4.2 变频器
4.2.1 变频器功率选型计算
变频器的容量选择依据是说拖动到负载电机的额定功率、额定电压、运行电流和运行频率及过载需求的综合需求。
本项目中电机功率为3300KW，6KV，60HZ，额定电流374A；根据原系统设计，60HZ以上为恒功率调速，因此，可以不用考虑其60HZ以上的富裕容量，结合ABB 6KV高压变频器ACS5000选型手册，能满足目前需求的最经济合理的型号为：ACS5060-36L70G-1S70-AX，该变频器额定输出电流410A综合过载能力为120%；参考原电机的冲击负荷理论分析，结合目前新电机的机械特性数据，为了满足以后可能的扩产及及充分发挥电机性能的过载需求，推荐考虑采用放大一档的ACS5060-36L70H-1a70-A3变频器，该变频器额定输出电流500A综合过载能力为150%；这样，变频保证了在42-63HZ调速范围内的恒转矩输出，并且有足够的过载能力用于日后的提产需求。
4.2.2 变频器的安装
变频器的尺寸如上图，目前变频器室足以安装新的变频系统。
4.2.3 变频器室的热容量计算
4.2.3.1 采用自然冷却时换气量需求
根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）地2.2.3条：
——换气量m3/h
——余热量kW
——排除空气的温度℃
——进入空气的温度℃
可由上式计算出每小时需要的空气量。
1、变频器室通风计算：
变频器最大功率损耗：Ps= Pn×(1－η2)= 3960kW×(1－98%)= 79.2kW，其他元器件功率损耗可以忽略不计。
1) 假设在夏天，室内环境温度25℃，排出温度50℃，则每小时需要空气量
= 2727×79.2/(50－25)= 8639m3/h
假设室内空间（长×宽×高=5.7×4.2×4.5=107.73 m3），则每小时换气次数
n= 8639/107.73= 80.2次
2) 假设在冬季，室内环境温度10℃，排出温度40℃，则每小时需要空气量
= 2727×79.2/(40－10)=7199m3/h
每小时换气次数
n=7199/107.73= 66.8次
3）本项目设备的最高环境温度允许40度，当在40度时需要7.3m3/s的空气流量。
根据以上计算，在冬季环境温度较低的时候可以考虑采用一台2.2KW的通风机散热，以节省空调运行费用。
4.2.3.2 采用空调冷却时的制冷量需求
如果采用空调制冷，在考虑到夏天环境温度可能到35-40度，因此考虑极端的全功率散热，即Ps= Pn×(1－η2)= 3960kW×(1－98%)= 79.2kW，选择空调的能效比为3.0时，则空调功率需求为26.4KW,需要4台10匹的空调。
根据目前的实际需求功率，发热功率只有1980KW×2%=39.6KW，那么只需要两台10匹的空调。
如果冷却水容易取得推荐采用空水冷却器进行降温。可采用一套120KW制冷能力的空水交换机组。
4.2.4 变频器介绍
4.2.4.1 变频调速系统概述
4.2.4.1.1 隔离变压器
为了满足36脉冲方式的相位移，要求使用多绕组变压器。由隔离变压器的几个次级绕组向变频器供电。变压器的另一个目的是提供足够的阻抗将网侧谐波限制在 IEEE-519-1992所要求的限值范围内。对于36脉冲方式，隔离变压器有六个次级绕组，采用沿边三角形获曲折接法，满足36脉冲输入整流桥的要求。
4.2.4.1.2 ACS 5000 变频器
ACS5000 属于中压标准型交流变频器，适用于平方转矩负载和恒转矩负载，可驱动交流异步电动机、同步电动机和永磁电动机，其最高可直接输出6.9kV。ACS5000采用36 脉冲的二极管输入整流桥。ACS5000 变频器可以组合到大型过程控制系统中，并且具有多种现场总线接口，通过常规的硬线 I/O口来实现全面远程操作。另一方面，对于单一的传动系统， ACS5000可以用作不受操作系统控制的独立的传动控制器，同时提供对主断路器的全面控制，对隔离变压器和电动机的监视以及对来自工艺过程要求的“过程停止”和硬线连接的“急停”输入信号进行监控。
4.2.4.1.3 电动机
ACS 5000 设计成能够给标准的交流电动机供电，对电动机无特殊要求。其输出端设有一个正弦波滤波器，消除了通常由于电压振荡和共模电压所引起的所有问题。因此，对电动机的绝缘无特殊要求，高频轴电流的问题也没有了。由于输出电压波形中的谐波含量较小，电动机无需降容使用。
4.2.4.2 ACS 5000高压变频器系统说明
ACS 5000 变频器的拓扑结构为电压型九电平无熔断器（VSI-MF）设计逆变器。基于新一代功率半导体器件IGCT技术和电压源型九电平无熔断器设计使得ACS 5000变频器具有与生俱来的高可靠性。基于直接转矩控制(DTC)技术的ACS 5000变频器根据工艺的需求可提供精确的速度和转矩控制。
4.2.4.2.1 IGCT功率半导体器件
新型功率半导体器件 IGCT(集成门极换流型晶闸管)是ABB公司专为高压变频器市场研制开发的。IGCT 具有IGBT(绝缘门极双极性晶体管)的高开关频率特性，同时还具有GTO（可关断晶闸管）的高阻断电压和低导通损失率特性。因此IGCT是无须串联即可直接应用于高压电网的高速低损耗的功率半导体器件。IGCT继承并超越了IGBT技术和GTO技术。
IGCT技术参数：
瞬时开关频率高达： 20kHz
开关时间（关断）： 1 μs
电流变化率： 4kA/ μs
电压变化率： 10-20 kV/ μs
交流阻断电压： 5.5kV
直流阻断电压： 3.6kV
IGCT的故障率FIT：100
IGCT特性：
与IGBT相媲美的快速开关特性
低开关损耗
低通态损耗
均质开关特性
无需缓冲电路集成续流二极管
高可靠性
4.2.4.2.2 DTC控制技术
直接转矩控制(DTC)是交流传动的一种独特的电机控制方式。逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。
集成转距控制器和调制器
距控制周期为25μs ，其响应速度是目前最好的交流传动的10倍，直流传动的100倍
高动态精度和静态精度
快速的转矩响应
DTC <3.5ms
矢量控制 10~20ms
开环PWM >100ms
零速满转距的高启动转距特性，适用于传送带设备和挤压机应用
高过载能力，适用于窑应用
4.2.4.2.3 网侧友好性
ACS 5000的输入侧采用36脉冲二极管整流，对电网具有友好性。对电网侧的谐波完全满足IEEE-519-1992和GB/T 14549谐波标准。其网侧电压和电流波形如下图所示。
4.2.4.2.4 无熔断器设计
ACS 5000 是一种无需熔断器保护的中压交流变频器。其关断时间为25微秒，比传统的快速熔断器快100倍。可以有效的故障控制在设备本体内，不会对上级电网或更高一级电网造成影响。
4.2.4.2.5 功率硬件
输入整流桥
输入整流桥向直流母排提供直流电压和电流，包括三套独立的串联12脉波整流桥它们以串联方式连接，输入整流桥由与变压器原边相串联的主断路器来保护。
标准的12脉冲整流器由两组三相二极管整流桥。三组12脉冲整流器构成36脉冲二极管整流桥。所有整流桥都有RC缓冲器以提供瞬态电压保护。
当电源刚刚接通时，充电电流通过预充电电阻向直流母排中的电容充电，限制了充电电流，一旦充电结束，IGCT进入导通状态，尽管预充电电阻仍保留在电路中，但它们已不起任何作用。
安全接地开关
此开关正如它的名字那样，是为了确保运行维护人员对变频器进行维护时的人身安全。所有带高压电的柜门都与安全接地开关联锁，确保在进行维护之前供电电源已经切断而且所储存的电能(例如直流母排上电容组的电能)已经释放掉。安全接地开关闭合时，将直流母排上的正端、中性点和负端的母线接地。
直流母排电容器
在直流回路中，使用了先进的、自愈式且环保的金属箔电容器，这种电容器是按照长寿命设计的。与不可靠且维护量大的电解式直流电容器设计相比，ABB利用该技术使其明显与众不同。直流母排电容对整流桥的输出进行滤波，使整流母排成为低阻抗的电压源供逆变器工作。其结构除了直流电压被两组串联的电容器等分之外，其余类似于任何电压型逆变器，由上端和下端的电容器组构成了三电位逆变器所要求的直流母排的三点结构(+，N，-)。自愈式电容器设计寿命20年。
di/dt 电抗器
变频器中有两个电抗器，用来限制输入到逆变器电路中相应的上、下两部分电流的上升率，以防止IGCT承受过高的 di/dt。当直接接在直流母排上的一个 IGCT 导通时，从直流母排上吸取的电流迅速增加，在很短的时间内(几微秒)，电抗器产生一个反电势阻止电流的增大，从而有效地限制了di/dt。
与每个电抗器相关的二极管、电阻和电容器组将电抗器在上述过程中储存的能量释放掉，并且，当逆变器中IGCT在关断时，防止过高的电压加到IGCT上。
IGCT 逆变器
IGCT 逆变器是ACS5000变频器的心脏。它以脉宽调制的方式来控制输出频率和输出电压的幅值； 由于DTC技术在控制上的应用，不需特殊的脉宽调制器。在逆变器中有三个电位：(1)直流母排的正电位，(2)中性点N，(3)直流母排负电位。在逆变器工作的某一时间， 每一桥臂上中间的两个 IGCT 会产生中性点钳位作用。 因此，ACS5000 采用的是两相、三电位、中性点钳位的逆变器电路结构。这种三电位结构产生很好的输出波形，有这样三套逆变器构成了9电平的逆变器拓扑结构，使得输出波形得到进一步改善。
正弦波滤波器
逆变器的输出直接接到一组正弦波滤波器上，该滤波器对逆变器的输出进行滤波并消除高频电压成分。这样大大地减少了加到电动机的电压的谐波含量，允许使用标准的电动机。
4.2.4.2.6 控制硬件
辅助电源
ACS 5000 的辅助电源为三相380VAC，50Hz，辅助电源用于风机和辅助变压器。
控制电源
ACS 5000 的控制电源为单相230VAC，50Hz，来自于用户的UPS系统。辅助隔离变压器产生27VDC和20VDC电压给变频器中各种不同类型的电子控制板供电。
电子控制装置
ACS5000为全数字智能型变频器，其控制核心主要由两块电子线路板来完成：AMC-33电机与应用控制板和INT系统接口板。AMC-33负责逻辑运算、DTC电机模型计算以及与DTC算法相关的控制环的处理。INT负责产生IGCT门极触发信号和处理传动系统控制和保护的电压和电流信号。
AMC-33主控板和INT接口板均采用DSP数字信号处理器(主频150MHz)和ASIC特殊应用集成电路，以满足高速和可靠的控制技术的工艺要求。 系统采用光纤通讯以确保高水平的噪声抑制。
I/O接口板
ACS 5000变频器采用S800模块作为I/O接口，标准配置5个I/O模块，包括数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出等模块。
通讯接口
支持MODBUS-RTU通讯协议，使用RS485物理通讯接口。
4.2.4.2.7 特殊功能
电机辨识
基于电机铭牌上的数据，ACS 5000内部DTC电机模型的所有参数将自动计算。此程序通常在调试时只需运行一次。然而，如果需要(例如，ACS 5000变频器驱动其它的电机)可以随时进行电机辨识运行。
主电源失电跨越
当输入主电源丢失时，ACS 5000利用旋转的电机和负载的动能继续维持运行，但没有转矩输出。只要电机在旋转并向ACS 5000提供足够的能量，ACS 5000就可以保持正常运行。当供电恢复后，电动机自动地加速至原来设定的速度值并回复到正常工作状态。根据负载惯性，失电跨越的时间最长可达5秒，失电跨越的时间最小可达1秒。
磁通优化
当电机负载未饱和时，ACS 5000自动优化电机磁通，降低总体能耗和电机噪音。依据负载转矩和速度，总体效率(变频器和电机)可以提高1-10％。
跟踪启动
处在惯性旋转状态的电机可以切至ACS 5000的输出侧。ACS 5000自动检测电机的运行状态并重新启动电机。
临界转速
当电机在调速过程中需要避开某些电机速度或速度带时，例如机械振动问题，可采用临界转速功能。ACS 5000最多可以设置5组不同的在运行过程中需要跨越的速度或速度带。
保护功能
ACS 5000提供完善的保护功能，包括：
● 电机绕组温度 ● 整流桥短路
● 电机堵转 ● 充电故障
● 电机欠载 ● 电源缺相
● 电机超速 ● 过电流
● 欠电压 ● 逆变器短路
● 电机缺相 ● 接地故障
● 过载 ● 通讯故障
● 过电压 ● 测量信号丢失
● 电池检测 ● 冷却回路检测
4.2.4.2.8 结构设计
防护等级
风冷型ACS 5000标准配置提供IP42保护等级的柜体。
电缆进出线
功率电缆和控制电缆的进出线方式均可以采用下进出线的方式。
柜门机电联锁
功率单元的柜门与接地开关以及主电路断路器机电联锁，从而保证只有在断开主电源，直流电容放电结束并且接地开关接地后，功率单元的柜门才能打开。同样，只有在关好柜门并且接地开关处于断开状态，才能闭合主回路断路器给变频器上电。
4.2.4.3 技术数据表
4.2.4.3.1 变频器配置
4500kVA
MC3压缩机变频器 36脉冲整流输入9电平输出的多电平无熔断器设计 (VSI-MF)的电压源型逆变器，变频器型号：ACS5060-36L70H-1a70-A3
• 3组12脉冲二极管整流
• 3组直流回路中压电容器 (自愈式)
• 自换流5电平电压源型逆变器：
- IGCT功率半导体元器件
- 接地故障检测
- 正弦波输出滤波器
• 空冷型 变频器所带风机为变频风机
• 变频器设有两路4~20mA隔离模拟量调速输入端口（其中1路作为备用输入）。
• 可接收2路隔离脉冲加减速指令，并可实现模拟量速度指令和脉冲量速度指令的切换。
• 16路DI隔离输入、16路DO隔离输出。
• 5路模拟量隔离输出。
• MODBUS-RTU,RS485物理接口
4.2.4.3.2 单线图
4.2.4.3.3 电气参数
电机额定轴功率 3300 kW
变频器最大持续输出功率 5200 kVA
变频器最大持续输出电流 500 A
变频器额定输出电压 (Unominal) 6000 V
变频器输入电压 2×3×1920 V
输入电压波动范围 + 10 / -10%
安全运行范围 至75%的额定电压时，可降容运行
最大电压不平衡度 2%
供电频率 50 Hz
频率波动范围 ± 2%
总体输入功率因数 > 0.95 (20 ... 100% 负载)
4.2.4.3.4 性能参数
输出电压范围 0... Unominal
输出频率范围 0... ± 75 Hz
控制精度 额定转速的 0.1% (无脉冲编码器)
短时过载能力 110%的额定负载，过载周期为每10分钟 允许1分钟
转矩阶跃响应时间 < 3.5 ms
额定负载下的总体效率 > 98% (包括辅助电源的总体效率)
转矩脉动 < 2% motor fn < 50Hz
<3% motor fn < 60Hz
4.2.4.3.5 冷却系统
冷却方式 空冷型
冷却空气流量 7.3m3/s
4.2.4.3.6 辅助和控制电源
辅助电源电压 380 VAC, 3相, 50 Hz
辅助电源电压波动范围 ± 10%
辅助电源消耗 12 kW
控制电源电压 220 VAC, 单相, 50 Hz
控制电源电压波动范围 ± 10%
控制电源消耗 3 kVA
噪音级别 < 85 dB (A) （额定负载下）
4.2.4.3.7 机械参数
表面处理 表面为带涂层的防腐处理，遵循EMC标准
颜色 柜门RAL 7035浅灰
柜门联锁 柜门机械电气联锁系统保障人身安全
防护等级 IP 42
电缆进出线方式 底进底出
维护方式 正面维护，无需两侧和背面维护
重量 4000 kg
尺寸(宽×深×高) 3700×1100×2863 mm
4.3 变压器
原配套变压器因不能与新变频器匹配需要更换。
4.3.1 变压器容量计算
变压器的容量计算只要用于满足电机的实际运行需求
电机额定轴功率：P1= 3300 kW
电机效率：η1= 96.6%（工作频率60Hz时）
电机输入功率：P2= P1/η1= 3300 kW/96.6%= 3416 kW
所选变频器效率：η2= 98%
变频器输入功率需求50HZ时：P3= P2/η2= 3416 kW/98%= 3485 kW
根据变频器选型说明中的计算，对变频器的容量进行了冗余放大，最终推荐的变频器额定电流为500A，4460KW。
变压器有功损耗：ΔP＝P0＋KT*β*PK
P0 ——空载损耗，6.8 kW
KT ——负载波动损耗系数，这里取1.05
β ——平均负载系数，这里取1
PK ——额定负载损耗，60.7 kW
ΔP= 6.8 kW＋1.05×1×60.7 kW= 70.5 kW
变压器实际有功功率需求P= P3＋ΔP=3555.5 kW
变频器的输入功率因数0.98，按实际需求则应选变压器容量
S≥ 3555.5kW/0.98= 3628kVA
根据变频器冗余容量，结合变压器的最佳运行负荷，变压器容量按1.25备系数进行安全容量冗余。
故：所选变压器靠档容量为4500kVA，符合上述计算结果，负载能力可靠。
4.3.2 变压器技术数据
变压器数量 1
连接组别 Y/延边∆
整流器脉冲数 36-脉冲
高压绕组额定容量(IEC 61378-1) 4500 kVA
高压侧额定电压 6000 V
电压波动范围 +10 / -10 %
额定频率
波动范围 50
± 2 Hz
%
低压侧额定电压 6x 1920 V
负荷周期 ISN 连续工作
电源系统最小短路容量 84 MVA
变压器阻抗电压 8.0~10.0 %
变压器类型： 油浸式(IEC 76-2)
外部冷却介质
- 冷却介质最高温度
42
[°C]
海拔高度 1000m a.s.l.
高压绕组分接:
- 断电模式分接、无载分接或有载分接
低压绕组分接 ±2x2.5%
断电模式
n.a.
高压绕组与低压绕组之间的屏蔽接地层 有
设计、制造及试验标准 GB 6450
安全防护标准 IEC 529
噪声水平 70 dB(A)
绝缘等级 A
防护等级 IP00
绕组温升(HV/LV) 绕组温升63k,油顶层温升53k
变压器损耗及其他偏差应符合IEC 76 和 IEC 146
- 空载损耗
- 负载损耗
6.8
60.7
[kW]
[kW]
变压器附件 压力释放阀、气体继电器、信号温度计、过电流保护继电器、油位计、1组PT100感温元件
变压器冷却方式 自冷式设计，增加强制风冷风扇
尺寸（(宽×深×高)） 2900×3100×2900 mm
重量 11000 kg
4.3.2.1 采用自然冷却时换气量需求
根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）地2.2.3条：
——换气量m3/h
——余热量kW
——排除空气的温度℃
——进入空气的温度℃
可由上式计算出每小时需要的空气量。
1、变压器室通风计算：
变压器最大功率损耗：70.5kW。
1) 假设在夏天，室内环境温度42℃，排出温度50℃，则每小时需要空气量
= 2727×70.5/(50－42)= 24032m3/h
室内空间（长×宽×高=5.7×4.2×4.5=107.73 m3），则每小时换气次数
n= 24032/107.73= 223次
2) 假设在冬季，室内环境温度5℃，排出温度50℃，则每小时需要空气量
= 2727×70.5/(50－5)=4272m3/h
每小时换气次数
n=4272/107.73= 40次
3）本项目设备的最高环境温度允许42度.
根据以上计算，在冬季环境温度较低的时候可以考虑采用一台26800 m3/h（约2.2-3KW）的通风机散热，以节省空调运行费用。
4.4 系统改造中其它相关问题的说明
4.4.1 电机的震动与脉动波纹
新的电机设计数据表明，该电机的机械固有机械扰动区在20%额定转速以下且已经采取2mm的基础垫进行吸纳消除，本项目的最低转速在42Hz（相当于70%额定转速），因此无额外震动产生的可能；原变频系统为电流源型变频器，电机采用2套独立绕组电机，该电机在42-60Hz时的转子自然磁动势峰值周期为6-4ms（正向最大到负向最大值的时间跨度），理论上电机在负载情况下的输出转矩每6-4ms才能得到一次转矩修正。ACS5000变频器采用DTC直接转矩控制，通过定子磁链直接控制电机，每秒刷新转子状态40000次，并且刷新次数与输出频率无关，因此新电机上的转子自然磁动势峰值周期为0.025ms即25us（正向最大到负向最大值的时间跨度）。峰值周期为0时表示转矩恒定无脉动，是最理想的状态，因此，新电机的脉动周期的240 -160倍，可见，脉动波纹远好过原系统。
4.4.2 安装底座与电机对接
原电机为950V电压等级的低压电机，中心高710mm，新电机为6KV电压等级的高压电机，中心高为500mm，两中心高之差为210mm，经结构计算，制作如附图所示的过度基座与原安装基础对接后，其负荷能力足够承载目前电机的各种正常的和冲击的负载。
电机轴伸与联轴器的对接有两种方案：1、如附图，采用ABB非标轴伸，保持和原电机一致，这样靠背轮连接器无需更换或加工，该方案价格稍高；2、采用ABB标准设计电机，电机轴会比原电机的轴直径小，这时需要另行加工轴套或重新制作靠背轮连接器。
4.4.3 电机的防爆等级满足现场需求
新的电机参考原系统的防爆等级，依然采用Ex nA II防爆防护，满足现场要求。
4.4.4 连接电缆问题，原来的电缆有12根单芯电缆
新的电机采用6KV高压电机，原电缆因绝缘问题不能继续使用，需要全部更换，更换成2条3×150或2条3×185的阻燃高压铠装电缆。
4.4.5 通讯协议
新系统配置MODBUS通讯模块，可以与现有上位机组网。
4.4.6 风机的冗余与连锁问题
选配的ACS5000变频器配置3套风机，已考虑冗余。
4.4.7 停机方式问题，是否有可能有回馈
ACS5000可以选择自由停车，停车即封锁输出，无回馈可能。
4.4.8 变频器的过载能力（原电机1.1倍，自由停车）
ACS5000额定过载能力为110%，根据本次选型所拖动的电机，本系统的过载能力为150%。
4.4.9 变频器的输出电缆长度
ACS5000输出端标准配置了输出滤波器，输出波形完美，无额外输出损耗，所以变频器本身对电机电缆长度无限制，考虑到电机电缆过长可能造成的线路损耗，建议在700米以内，如果需要更长的电缆，可以通过提升变频容量来抵消线路损耗造成的负载能力下降。
4.4.10 变频器房的噪声、冷却问题
目前变频器房的噪声主要来自循环风机，以后新系统推荐了三种冷却方案，其中噪音最低的是空调方案，其次是空水交换器方案，噪音最大的是通风机方案。
5 地面工业场地及其它
5.1 工业场地平面布置
变频器和变压器分开独立安装在室内，变频器采用空调或空水交换器冷却，变压器采用通风冷却。
5.2 消防
该项目为改造项目，消防设施无需新设，可保留原消防设置。
5.3 给、排水
该项目为改造项目，给排水设施无需新设，可保留原给排水设置。如果变频器室采用空水交换器冷却，需要考虑安装冷却循环水管路。
5.4 防冻
该项目为安装在室内，室内建筑设计有供暖设备。
5.5 防洪排涝
该项目为改造项目，防洪排涝设施无需新设，可保留原防洪排涝设置。
5.6 环境保护
本改造设备为环保节能设备，无任何环境污染。
6 技改工期
6.1 技改竣工标准
参考
GBJ147-90 电气装置安装工程 高压电器施工及验收规范
GB50150-2006 电气装置安装工程电气设备交接试验标准
6.2 技改建设工期
该项目订货时间另行商定，在所有设备到货后，施工合同签订生效之日起改造施工周期为15天。
7 附图：电机安装基础对接图
附后
说明：因电机功率未变、自重减轻、负载特性未变、安装基础未做更改，因此无需对构筑物基础部分的承载力、耐冲击力等重新计算。原基础完全满足现有设备需求。