中压变频器串级桥联及冗余并联技术在化工厂大型压缩机上的应用研究

0 引言：

在化工行业低碳转型背景下，大型压缩机作为能耗占比达 0%-50% 的核心设备，其驱动系统面临双重挑战：1. 能效瓶颈：传统液力耦合器调速效率低（轻载工况效率不足 60% ），节流损失显著；2. 可靠性风险：单台变频器驱动存在单点故障隐患，非计划停机可能导致年产值千万级损失。串级桥联技术通过多机并联突破单机容量限制，实现超大功率驱动；冗余并联技术则通过 N+1 热备份、均流控制等机制提升系统容错能力。本文结合两种技术优势，构建“功率扩展-可靠性强化”双目标驱动的综合方案，通过工程案例验证其工程价值。

1、串级桥联与冗余并联技术协同架构

1.1 串级桥联技术核心原理

（1）功率扩展机制：通过输入移相变压器（多绕组隔离）与输出电抗器，将 2-4 台中压变频器（如 3150kW×2 ）并联驱动单台电机，突破传统单变频器容量限制（如单台最大 5000kW 瓶颈）。

（2）控制策略：主从模式下，主变频器接收 PLC 速度指令，从变频器通过光纤同步跟踪主变频器输出，转矩分配误差 <3% 。

1.2 冗余并联技术可靠性增强

（1）N+1 热备份架构：在串级桥联系统中配置1 台冗余单元（如 3+1 模式），单台故障时，冗余单元0.1 秒内切入，系统持续运行。

（2）关键技术融合：

① 动态均流控制：基于 DSP 算法实时调整各变频器输出电流，负载分配

误差＜5%（传统并联误差可达 15%））；② 毫秒级故障诊断：集成电流 / 温度传感器与故障录波功能，定位时间

<10ms ；③ 双电源冗余：控制电源采用双路UPS，避免因供电波动导致的停机风险。

2、技术优势的协同效应

典型优势：（1）节能 - 可靠平衡：在 70% 负载工况下，串级桥联系统通过变频调速实现 35% 节能，叠加冗余设计后，系统可用率从 95% 提升至 99. 5% ；（2）谐波抑制：移相变压器 + 均流电抗器组合使 THD 从 12% 降至 3% 以下，满足IEEE 519 标准；（3）维护效率：模块化设计支持热插拔，单单元更换时间 <30 分钟，较传统整机维护节省 80% 时间。技术优势的协同效应见表1.

表1 串级桥联和冗余并联的技术优势

3、工程应用与性能验证

3.1 某石化厂60 万吨/ 年乙烯压缩机改造（串级桥联 + 冗余并联）

（1）原系统方案：5600kW 离心式压缩机，液力耦合器调速，年均故障停机120 小时，THD=11% ；

（2）改造后系统方案：① 采用 2 台 ABB ACS5000（3150kW ×2 ）串级桥联，配置1 台冗余单元（（N+1 模式）；② 增加输入移相变压器（12 脉波整流）与输出滤波电抗器；③ 控制系统升级为光纤同步的主从冗余架构。（3）改造后运行数据：① 节能性：70% 负荷时，小时节电量 850kWh ，年省电费 300 万元（0.5元 /kWh）；② 可靠性：投运2 年无非计划停机，故障切换测试中系统扰动时间 <20ms ③ 维护成本：液力耦合器油品更换费用全免，年均维护费降低 150 万元（降幅45%）。

3.2 某油田海上平台压缩机项目（冗余并联独立应用）

（1）系统配置：3 台施耐德 ATV1200C-S（2500kW ×3 ）采用 N+1 冗余，驱动10kV/6300kW 压缩机；

（2）关键技术：

① 功率单元旁路技术：单模块故障时自动隔离，系统降额运行（保留 80%

负载）；

② 双冗余通信网络：100Mbps 光纤 + 硬线备份，通信延迟 <50μs

（3）效果：非计划停机率从 5 次 / 年降至 0.5 次 / 年，节能率 35% ，年省电费200 万元。

4、技术挑战与解决方案

4.1 环流抑制与谐波控制

存在问题：串级桥联系统中，变频器载波相位差可能引发环流（峰值可达额定电流 20%））；

解决方案：1. 输入侧采用 12 脉波移相变压器，抵消 5、7 次谐波；2. 输出端配置均流电抗器（电感量 50μ H），将环流抑制在额定电流5% 以内。

4.2 多机协同控制延迟

存在问题：传统RS485 通信延迟达ms 级，无法满足同步要求；

解决方案：1. 升级为光纤环形网络（传输速率 100Mbps），同步周期＜100μs ；2. 主从控制中加入预同步算法，切换时电流冲击 <10% 额定值。

4.3 冗余配置成本优化

策略：1. 采用“基础串级桥联 + 可选冗余模块”的模块化设计，初期按 N配置，后期按需扩展为 N+1 ；2. 共享冷却系统与柜体结构，使冗余单元成本较独立配置降低 25% 。

5、经济效益与行业适配

5.1 经济效益

经济效益通过初期投资、年节能收益和维护成本分析，串级桥联投资回收最快2.5 年，串级桥联投资回收最快3.2 年，具体见表2 成本- 收益模型分析

表2 成本- 收益模型

5.2 行业标准适配

（1）可靠性要求：GB/T 50770-2013 规定 SIL2 级系统需冗余配置，本方案满足三重化冗余要求；

（2）能效标准：符合GB 18613-2020《电动机能效限定值》，变频器效率 > 96% （满负载）。

6、发展趋势与技术展望

（1）智能化融合：引入AI 算法（如LSTM 神经网络），基于振动、油温等数据预测变频器故障，预警准确率达 95% ；

（2）绿色化升级：采用碳化硅（SiC）功率器件，开关损耗降低 50% ，效率提升至98% 以上；

（3）即插即用架构：模块化设计支持“带电热更换”，维修时间从4 小时缩短至30 分钟；

（4）工艺协同控制：与 DCS 系统深度集成，根据生产负荷动态调整压缩机转速与冗余配置，实现“工艺- 设备”协同优化。

7、结论

串级桥联与冗余并联技术的融合，为化工行业大型压缩机提供了“大功率驱动 + 高可靠运行”的双重解决方案。节能层面，通过变频调速与多机协同，轻载工况节能率可达58%，年均节能 35% 以上；可靠层面，冗余架构将非计划停机率降低 80% ，满足连续生产需求；经济层面，典型项目投资回收期2-3 年，全生命周期成本较传统方案降低 40% 。未来，随着电力电子技术与工业互联网的发展，该技术将向“高集成、自优化、零停机”方向演进，成为化工行业绿色化、智能化转型的核心驱动力。