变频调速技术在石化厂的应用（精选15篇）
变频调速技术在石化厂的应用
变频调速技术由于调节方便、节能效果显著,在石化厂应用越来越广泛,本文论述了流程离心泵调速的基本原理,近年来变频调速技术在石化厂的`应用,并对应用变频技术后产生的效益作了分析对比,同时根据实际情况提出了在变频器应用过程中应注意的一些问题.
作 者：罗建军 LUO Jianjun 作者单位：新疆克拉玛依市金龙镇,834003刊 名：中国化工装备英文刊名：CHINA CHEMICAL INDUSTRY EQUIPMENT年，卷(期)：4(4)分类号：F4关键词：变频调速 原理 应用效果 问题
近年来,莱芜钢铁集团生产能力不断扩大,冶金焦炭作为高炉冶炼的重要原料,需求量随之增加。莱钢焦化厂的来煤经过翻车机或人工卸车进入煤场粗配,然后通过皮带输送到配煤槽,配煤室配好的煤经过粉碎再用皮带输送到炼焦煤塔。皮带机在焦化厂8座焦炉的4套输焦系统中应用范围广、数量大,是焦化厂的耗能大户。因此,皮带机降耗成为了控制系统亟需解决的问题。
以莱钢焦化厂为例,介绍变频器和PLC配合调节皮带机电机的转速,根据负载的多少改变电机的耗能,进而大大降低整套输焦系统的能耗。
1 系统概况
1.1 二炼输焦2×110kW皮带机主要参数(见表1)
1.2 皮带机系统存在的问题
1)电机启动方式为直接启动,根据现场实测,该处的皮带机频繁启动,巨大的启动电流会对电机的使用寿命造成很大的影响。
2) 该运输系统并不是全天24h运行,需要根据现场情况进行自调节,频繁的启动对皮带机的传动装置有很大的冲击力。
3)无论皮带上是否有煤,皮带机均需全力运行,电能浪费严重。
2 控制工艺设计
改造皮带机的运行方式,由电机+减速机的运行方式改造为电机+减速机+变频器的运行方式,达到皮带机软启动和软停车的目的,减小因电机频繁启动带来的冲击,实现节电运行和减小设备磨损、降低运行成本的目的。
配置西门子MICROMASTER 440变频器,分别控制2台110kW/380V皮带机电动机。选择性能卓越可靠的变频设备,功率选择为2×110kW/380V,变频器间通过通讯进行协调控制,实现2台电机的速度同步和功率平衡。
系统应能够根据皮带机运煤量的大小实现自动和手动调频调速运行。将皮带秤检测到的上级皮带机运输量转换为4～20mA的控制信号,从而根据运输量调整变频器输出频率,调整电机工作电压和频率,使皮带机达到合理的出力,提高电机的功率因数。
2.1 设备选型
1)变频器。
西门子MICROMASTER 440变频器是适用于控制三相交流电动机速度的变频器。该系列中有多种型号供用户选用,额定功率范围从120W到200kW(恒定转矩控制方式),或者可达250kW(可变转矩控制方式)。MICROMASTER 440变频器由微处理器控制,并采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件,因此,具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的,因而降低了电动机运行的噪声,并对变频器和电动机提供了良好的保护。
该变频器的主要控制方式是矢量控制,矢量控制大大改善了转矩控制。矢量控制对于特定负载或所要求的转矩,根据电机的磁通在电机中施加所需的电流,获得适当的转矩。如果在一个连接有转子磁通的环形坐标系中来模仿定子电流时,它可以分成同转子磁通相平行的产生励磁电流的分量id 和同转子磁通相垂直的产生转矩的电流分量iq。利用它们自身专用的PID调节器去矫正这些分量,从而跟踪在电流调节器中的给定值,使之在稳定工作中是不变的量。矢量控制分为有速度传感器的矢量控制和无速度传感器的矢量控制。本次皮带机变频应用主要是矢量控制,信号由皮带秤提供。
2)皮带秤。
皮带秤选用唐山汇中仪表有限公司生产的ICS-10S型电子皮带秤。其SP-1型信号变送器和控制调节器能将称重传感器接收到的重量信号转化为4～20mA的电流信号输出,称量误差为±0.25%,标准RS-485通讯接口,传输线长度2km,适合该工程。
2.2 控制系统
1)控制方式。
上级皮带安装ICS-10S型电子皮带秤,皮带秤上的称重传感器采集煤的重量信号,通过配套的信号变送器和控制调节器转化为电流信号输出至PLC,然后由控制程序及算法控制变频器的输出频率。同时在主站PLC中写入两种控制程序,分别为平滑调速和分段调速。
平滑调速控制即采用单冲量的控制系统,该方案以皮带秤所提供的4～20mA信号为系统的冲量,以变频器的输出频率为调节量,来实现对电动机转速的实时调节。
分段调速控制即在不同的流量范围内实现多段速变化控制,该方案为在一定的流量范围内实现恒转速控制,即不同的流量范围段对应不同的转速。控制可分手动和自动两种状态:手动控制由控制箱上的速度调节开关控制低速、中速、高速;控制系统简图,如图1所示。自动控制根据皮带称秤的测量值对负载流量进行分段(分为三段),按照每一段对应一个频率(30Hz、40Hz、45Hz),进行皮带机变频控制。
2)变频器的通讯方式。
PLC主要作用就是接收皮带秤控制箱传送来的模拟量信号,将接收的模拟量信号通过通讯线传到PLC上的RS-485接口的中继器。在长距离信号传输过程中一定要避免信号衰弱,否则会影响主PLC的信号采集情况,导致变频器无法进行自动调速。
3)两台电机控制方式的选取及其他。
a.两台电机控制方式的选取。
由于此次节能改造的对象为两台110kW的电机,在380V输焦供电系统中,其额定电流在120A左右。为了达到节能的最佳结果,防止其中一台电机作负功,根据现场实际情况将1#变频器对应1#电机作为主变频器和主电机,2#变频器作为从变频器。主电机的作用是带动皮带的运转,从电机的作用是张紧皮带。为使现场的两台电机同步转动并且恒功率输出,所以不采取V/f控制方式,而采用矢量闭环控制的方式。
b.两台电机的同步运转。
由于选取的是矢量控制方式,2#变频器的扭矩输出由1#变频器控制,即用1#变频器的两个端子JX3:6和JX3:9(从机状态)与2#变频器的两个端子JX2:4和JX2:5(2#变频运行)相连接;且1#、2#变频器分别通过JX4:6、JX4:7和JX3:6和JX4:7送给PLC主控制箱一个模拟量输入信号(即电机功率),再通过PLC的内部计算输出模拟量即变频器频率给定信号。最终使两台变频器的输出功率之差≤5%,达到同步运转。
在莱钢焦化厂的皮带机配套应用中,对两台变频器的参数进行调整,该皮带机运煤量在20～80t/h运行时,变频器实测输出频率可以随负载的变化而变化,达到了节电的目的。
3 经济和社会效益分析
输焦皮带变频系统近1个月与生产系统配套运行,耗电量的统计表明节电效果很明显。
该皮带月生产时间为每天21h,每月按30d计算,一个月节省的资金约为=10866元。该皮带变频系统一年可为企业节约资金130394元。该项目的投资金额为35万元,预计回收期为2.68年。
由于焦化厂运输系统大多采用110kW的皮带电机,因此该变频系统的成功应用对于进一步推广应用具有实际意义。
皮带变频系统的应用减小了工人的实际劳动量,降低了事故的发生率,在一定条件下增加了电机安全运行系数。
4 结语
该项目自2011年12月5日开始,工期大约一个月。变频调速技术在项目中的成功应用,提高了皮带机的工作效率,节约电能,降低焦化厂生产成本,提高经济效益。从方案设计、设备选型及控制型号的选取等多方面为同类系统改造提供借鉴。
摘要：为了提升输焦皮带机的效率,将皮带秤提供的信号经信号变送器和控制调节器转化为电信号,输出至PLC,实现皮带机变频器调速,达到皮带机根据负载调整连速的目的。结果表明:成功运用变频调速技术可以提高皮带机的工作效率,节约电能,降低生产成本,提高经济效益。
关键词:起重机 起升机构 电气系统 变频调速 PLC
0 引言
起重机的主要机构有:主起升机构、副起升机构、大车运行机构和小车运行机构。对小吨位起重机(10t及以下)一般不设副起升机构。主、副起升机构和小车运行机构各由一台YZR系列绕线型电动机驱动，大车运行机构一般采用2台YZR系列绕线型电动机分别驱动。起重机对电气传动的要求有:调速、平稳或快速启制动、大车运行纠偏和电气同步、吊重止摆等，首当其冲的是调速要求，且以起升机构对调速要求最高，因为起升机构经常满载启制动、换向又要求准确停车。传统调速方案一般采用转子串多级电阻方式，另外还有变极调速，改变定子电压调速，电磁滑差离合器调速，串级调速等，但最先进的调速方案是PLC控制的变频器调速技术。
1转子串多级电阻调速方案
转子串多级电阻方式靠调节主回路参数实现调速，采用继电器、接触器逻辑电控系统，是有级调速。该方案有如下特点：①是有级调速，而且级数不能太多；②随转子电阻增大，机械特性变软，调速比很小(大约1：3)；③效率低；④是恒转矩调速；⑤冲击电流较大，当操纵手柄回到零位时，主接触器瞬时断开，机械制动器在高速情况下立即抱闸，机械冲击力大，结构危害严重。但这种方法简单实用，初投资少，因此常用于起重机类负载中。在设计电气线路总体方案时，根据各机构电动机的容量、电动机类型、接电持续率、通断次数期望的控制器工作寿命、机械特性的特殊要求等因素，分别确定其控制方案，再加上安全保护、照明讯号等进行综合考虑后，即可绘出整台起重机的电路图。
2变频调速
随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速系统主要由电动机、变频器和控制器组成。
2.1电动机变频调速并没有改变电机的硬特性，而是通过改变电机的旋转磁场的角速度来进行调速的，因此可采用结构坚固、维护简单的鼠笼型异步电机来取代原来的绕线型电机。普通三相异步电动机的转速是固定的，电机厂是根据电机的转速设计风扇，普通电机如果用变频器降速驱动，风扇的转速也会降低，风扇的风量就会下降，电机温度升高。另外，普通电机用于变频调速系统时，会引起较大的噪声，用于高频段还会产生附加发热，能耗高，必须降载使用，调速范围也因为特性较差而受到限制。在高频段，与转子同轴的风扇会产生较大的噪声，振动产生的附加载荷还会降低轴承和润滑脂的寿命。基于上述原理，起重机采用变频调速系统一般选用专用变频电机比较合理，改造时最好更换电机。变频电机是专门配合变频器使用的特殊电机，是用另外加配的电风扇散热，风扇不受电机的转速限制，变频电机可在保证力矩的情况下长期低速运行。国内推出的变频电动机是由普通电动机加独立风扇组成，国外生产的变频电机有奥托变频电机、先马变频电机。选择变频电机的基本原则如下:①所选电机的最小转矩能满足额定载荷下稳定运行的需要；②最大转矩能保证启、制动过程中加速、减速的需要；③温升不超过允许值。
2.2变频器变频技术在短短的10年间，已经从U/F比控制、电压空间矢量控制发展到无速度传感器的直接转矩控制(DTC)，功率开关器件从GTO，GTR，IGBT，IPM到IGCT。德国西门子公司、德国ABB公司、日本三菱公司的变频器在中国应用较多，其中西门子的ACC600型变频器为起重机专用变频器，其上装有专为起重机设计的应用软件CraneDrive。其优点是:首先提供了起重机常规操作所必需的控制端口，如零位端口、制动器应答信号端口、制动器打开命令端口、提升钢丝绳松弛检测端口、快速停车端口以及看门狗的保护端口等；其次对控制提供了操纵杆、电动机电位器控制、无线电遥控、总线控制等多种方式。因此专用变频器通常不需要加装PLC就可完成所有的操作。
变频器容量选择的前提条件是变频器的额定电流大于电动机的额定电流。起重机的起升机构最好选用专用变频器，其他机构可选通用变频器。调试时，变频器功能参数的设置非常重要，是关系到变频器与设备运行工况是否配合恰当的重要环节，需要在使用过程中结合设备运行情况不断摸索修正。另外，根据用户要求借助变频器编程软件进行恰当的编程，可使变频器功能超常发挥。
2.3PLCPLC的选用包括:①确定足够的输入/输出点数，选择合适规模的PLC；②根据被控对象的性质、系统的控制功能和要求，选择PLC的结构和型号；③根据控制系统中输入/输出信号的种类和要求，选择PLC输入/输出形式及负载能力。
PLC的主要生产国在美国、德国、日本，尤以美国A-B公司、德国西门子公司、日本三菱公司的产品在中国应用最多。
PLC为变频调速系统的中枢控制系统，一个PLC可控制多台变频器。变频器接受PLC运行指令，返回运行参数、集中处理操作信号和保护信号。
2.4主起升机构的PLC和变频器控制原理图
主起升机构PLC和变频器控制原理图如图1所示。
司机在联动台发出信号，操作手柄打到上升或下降某一个档位，通过中间继电器，PLC接受信号，执行程序，把上升或下降信号送给变频器，同时把档位速度信息送给变频器，变频器接收指令后开始工作。首先通过整流电路将交流整流为直流，然后再通过控制回路有规则地控制逆变电路的导通与截止，即令带有脉宽调制功能的逆变电路中的6个晶体管开关元件有规则地交替轮流切换导通，则在变频器输出端得到交流电压。通过改变晶体管开关元件的通断周期，使得变频器输出端交流电压频率得以改变，从而改变电机转速。电机加减速时间可以通过改变变频器的设定参数来调整。
电机主回路无触点，快速熔断器F02用于保护输入整流桥不因内部短路故障而损坏，电抗器L0可以抑制电网峰值电流，同时降低电机噪音。在位能负载控制回路中加入制动元件和制动电阻。
3 结语
对旧水泥混凝土板采用碎石化技术进行处理,是目前世界上一种较先进的方法.通过时碎石化技术的简单介绍,肯定其优点,提出最优的.机械搭配方案,最终利用试验可确定最佳的破碎参数、施工工艺及施工要求.
作 者：潘强 PAN Qiang 作者单位：河北省泊头市交通局地方道路管理站,河北,泊头,062150 刊 名：交通标准化 英文刊名：COMMUNICATIONS STANDARDIZATION 年，卷(期)：2009 “”(5) 分类号：U418.8 关键词：多锤头碎石化 水泥混凝土路面 改造 破碎参数★ 刍议GPS测绘技术在工程测绘中的应用
★ 虚拟现实技术在实验教学中应用的探讨
★ 水利工程相关的加固改造技术应用论文
★ 体外预应力技术在桥梁中的应用
★ 物流技术在库存管理中的应用
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★ VxD技术及其在实时反病毒中的应用
★ RTK技术在公路勘测中的应用
★ UG在钣金技术中的应用
高压变频技术在电弧炉除尘系统中的应用
在分析电弧炉设备的运行现状和研究电弧炉除尘系统特点的基础上,通过采用高压变频器在炼钢厂除尘系统改造中的.应用实例,介绍了高压变频技术在炼钢厂电弧炉除尘系统中实现节能降耗,提高自动化控制水平方面的应用效果.
作 者：卫永锋 作者单位：山西太钢不锈钢股份有限公司装备部 刊 名：电工文摘 英文刊名：ELECTRICIAN ABSTRACTS 年，卷(期)： “”(3) 分类号： 关键词：高压变频技术 电弧炉 除尘风机 节能
［摘要］文章论述变频调速的原理、变频调速的优点和ABB调压装置的不足，并对变频调速取代转子串电阻调速的理论依据进行可行性分析。
［关键词］变频调速；变频器；恒转矩；天车
［作者简介］常海吉，安钢第一炼轧厂电气助理工程师，河南安阳，455004；杜奇超，安钢第一炼轧厂电气工程师，河南安阳，455004
［中图分类号］ TH16 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2007）09-0047-0001
目前，天车的调速是通过绕线异步电动机转子串电阻来实现，即不同的转子电阻，理想空载转速n1（同步转速）不变，电动机的最大转矩也不变，但临界转差率Sm却随着转子电阻的增大而增大，从而实现调速。这种调速控制简单，容易实现，投资少。但低速时损耗大，不能平滑调速。变频调速是取代接触器及电阻箱的模块化调速，具有故障自诊断功能，响应速度快，调速平滑，是一种比较理想的调速方法。
一、变频调速原理
异步电动机的转速 n＝60f（1－s）/p
其中：f――电源频率
S――转差率
P――电机极对数
可以看出，改变频率f可以改变转速n。
对异步电动机而言，电动机定子回路的电压平衡方程式为：
Ｕ≈Ｅ1＝４.44ｆｗ1φｍｋｗ1∝ｆφｍ
其中：Ｕ――定子电压
Ｅ1――定子电势
ｗ1――定子绕组每相串联匝数
φｍ――气隙主磁通
ｋｗ１――定子绕组的绕组系数
变频调速在改变f的同时，要求改变定子电压U，以保持气隙主磁通φｍ不变，从而保持电动机的过载能力不变；否则，将引起气隙主磁通的变化，当气隙主磁通增加时，会引起电动机磁路过分饱和，定子电流会急剧增加，影响电动机的负载能力。变频调速的理论依据正是在保证电动机的过载能力不变情况下，依据不同的负载，对f和U按一定的比例调节。天车中的负载是恒转矩负载，负载转矩与Ｕ和f的比值成正比关系，当f增加时，Ｕ增加，电磁转矩大于负载转矩，电动机加速运行；否则，电动机减速运行，当U和f的比值不变时，电磁转矩等于负载转矩，电动机匀速运行。
二、天车运行分析
以安钢第一炼轧厂200T天车主起升为例，采用ABB定子调压和转子串电阻相结合方式进行速度调节，电动机启动时低电压全电阻控制，低电压由ABB调压装置提供，启动后由ABB调压装置和转子切换电阻共同控制电动机速度，属于有级调节；运行中，通过对测速发电机信号的检测完成对电动机的失速控制。
系统提供对ABB调压装置限流保护的熔断器以及检测主回路缺相或断线的电压监测继电器。该控制方式的不足：（1）ABB调压装置属于可控硅调压调速，过载能力低，控制有死区，且不能单独完成调速过程，保护速度响应慢（需要经过测速发电机的反馈）。（2）转子串电阻回路没有保护与检测，当回路出现短路、断路、接地时，容易损坏电机。电阻切换是有级切换，速度调节不平滑，电流常发生突变，容易损坏转子滑环、炭刷和电器控制元件。
三、改造方法及优点
采用变频调速恒转矩控制方式，取代ABB调压装置，将转子短接，失速控制可以由转子上的失速开关直接控制。控制中，只对相关参数进行设置或修改，就能获得需要的速度。采用变频调速具有以下优点：（1）控制线路简单，调速平滑。（2）有故障自诊断功能，内部设置有过电压、过电流、短路、接地等保护，保证运行的可靠性。（3）控制元件采用IGBT，过载能力高、速度响应快。
在煤矿企业中,风机、泵类设备应用范围广泛;其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%,是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入,市场竞争的不断加剧;节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。
而八十年代初发展起来的变频调速技术,正是顺应了发展的要求,开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式,使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出,从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。
八十年代末,该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前,变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果,改善现有设备的运行工况,提高系统的安全可靠性和设备利用率,延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。
二、综述
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合,根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样,不论生产的需求大小,风机都要全速运转,而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短,设备维护、维修费用高居不下。
泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间,提水泵站、水池储罐给排系统、工业水(油)循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且,根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样,不仅造成大量的能源浪费,管路、阀门等密封性能的破坏;还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀,严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。
风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行,存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命,而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备,时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
近年来,出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求,加之采用变频调速器(简称变频器)易操作、免维护、控制精度高,并可以实现高功能化等特点;因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/p,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交一直一交电源变换技术,电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
三、节能分析
通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载,其转速n与流量Q,压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3;即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。
以一台水泵为例,它的出口压头为H0(出口压头即泵入口和管路出口的静压力差),额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1
在现场控制中,通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时,阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1,系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点;受其节流作用压力H1变为H2水泵轴功率实际值(kW)可由公式:P=Q.H/(ηc.ηb)×10-3出。其中,P、Q、H、ηc、ηb分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率,直接传动为1.假设总效率(ηcηb)1,则水泵由A点移至B点工作时,电机节省的功耗为AQ1OH1BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n,当流量从Q1减小50%至Q2时,那么管网阻力特性为同一曲线r0,系统工作点将沿方向Ⅱ来的A点移至C点,水泵的运行也更趋合理。在阀门全开,只有管网阻力的情况下,系统满足现场的流量要求,能耗势必降低。此时,电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制,显然使用水泵转速控制更为有效合理,具有显著的节能效果。
另外,阀门调节时将使系统压力H升高,这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏;而转速调节时,系统压力H将随泵转速n的降低而降低,因此不会对系统产生不良影响。
从上面的比较不难得出:当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时,采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小,节能率在75%以上。与此相类似的,如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量,同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。亦即,采用变频调速技术改变电机转速的方法,要比采用阀门、挡板调节更为节能经济,设备运行工况也将得到明显改善。
四、节能计算
对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果,通常采用以下两种方式进行计算:
1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量-负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。
以一台IS150-125-400型离心泵为例,额定流量200.16m3/h,扬程50m;配备Y225M-4型电动机,额定功率45kW.泵在阀门调节和转速调节时的流量-负载曲线如下图示。根据运行要求,水泵连续24小时运行,其中每天11小时运行在90%负荷,13小时运行在50%负荷;全年运行时间在300天。
则每年的节电量为:W1=45×11×(100%-69%)×300=46035kW.h
每度电按0.5元计算,则每年可节约电费8.883万元。
2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式:P/P0=(n/n0)3计算,式中为P0额定转速n0时的功率;P为转速n时的功率。
以一台工业锅炉使用的22kW鼓风机为例。运行工况仍以24小时连续运行,其中每天11小时运行在90%负荷(频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算),13小时运行在50%负荷(频率按20Hz计算,挡板调节时电机功耗按70%计算);全年运行时间在300天为计算依据。
则变频调速时每年的节电量为:W1=22×11×[1-(46/50)3]300=16067kW.h
挡板开度时的节电量为:W1=22×(1-98%)×11×300=1452kW.hW2=22×(1-70%)×11.×300=21780kW.h
相比较节电量为:W=Wb-Wd=96376-23232=73144kW.h
每度电按0.5元计算,则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。某工厂离心式水泵参数为:离心泵型号6SA-8,额定流量53.5L/s,扬程50m;所配电机Y200L2-2型37kW.对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下:
流量L/s时间(h)消耗电网输出的电能(kW.h)
阀门节流调节电机变频调速
47233.2×2=66.428.39×2=56.8
40830×8=24021.16×8=169.3
30427×4=10813.88×4=55.5
201023.9×10=2399.67×10=96.7
合计24653.4378.3
相比之下,在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1kW.h的电量,节电率达42.1%.
五、结束语
1.1 变频调速的基本控制方式
异步电动机的同步转速即旋转磁场的转速为:nl = 60f1/ np
式中:nl-同步转速;f1-定子频率(HZ);np-磁极对数。
异步电动机的轴转速为: n=n1(1-s)= 60f1/ np(1-s)(1)
式中s-异步电动机的转差率,s=(n1-n)/n1改变异步电动机供电电源的频率P,则可改变同步转速,实现调速运行。
根据流体力学原理,水泵的流量Q、总扬程H、轴功率P有下列关系:Q/Qo=n/no(2);H/Ho= (n/no)2 (3);p/po= (n/no)3(4)
式中,n0為基准转速;n为运行转速;Qo为no时的流量;Q为n时的流量;Ho为no时的扬程;H为n时的扬程;po为no时的功率;p为n时的功率。
由以上4式看出,通过控制电机输入电源频率,可以实现控制水泵转速、出水量、出口压力、轴功率的目标,起到节水节能的效果。
1.2变频调速节能原理
对于实际的泵负载,通常存在一个与高低差有关的实际扬程,在进行变频调速运行时必须注意。根据泵的H-Q特性和P-Q特性,在实际的运行点应由管路阻抗曲线与H-Q特性的交点决定。例如,80%时的运转点不在高点,而是低点。轴功率也要考虑同样问题,即工作点不是转速立方曲线直接相交。亦即当实际扬程越大,在相同的转速下(此处为80%)流量减少的比例也越大,使转速调节范围变窄,从而使节电效果变小。
当流量从高点变为低点时,对于阀门控制通过关小阀门使阻抗曲线发生变化,则工作点由高点转移到低点。若改用转速控制,则在同一阻抗曲线上从高点转移到低点。在阀门控制时由100%速度的高点转移到低点;则减少很小的耗能。而转速控制时,在由实际扬程决定的功率特性上由高点转移到低点,与阀门控制相比可获得相当于高至低大小的节电效果。而泵采用变频调速时,轴功率随实际扬程变化的时。实际扬程越小,轴功率越接近理想的立方关系曲线,由于调速而产生的节电效果也越大。
2.变频调速技术在农业灌溉改造工程中的应用
2.1 变频调速技术在农业灌溉中应用的优势
2.1.1 传统农业灌溉方法的弊端 水泵和配套电机功率大小是根据所需灌溉面积和灌水定额来选择的,水泵运行后,电机就全速运转,不能进行电机转速调整和流量控制。在实际的农业生产灌溉中,田间(包括经济物旱地)的需水量是根据农作物生长时节的变化而不同的。在通常的农业灌溉中造成了能源的极大浪费。其次,作为农业灌溉的泵站根据田间灌溉种类的不同,水泵规格也就不尽相同。有轴流泵或离心泵灌溉,又分为水泵是无压渠道灌溉和有压管道灌溉,特别是在有压管道灌溉时,常规采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、液位、压力等信号控制。这样,不仅造成了大量的能源浪费和管路、阀门等密封性能的破坏,还加速了泵腔、阀门的磨损和气蚀,严重时损坏设备。农业灌溉多采用异步电动机三角皮带驱动或直接驱动方式运行,存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命,而且当设备出现机械故障时,不能瞬间动作保护设备,经常出现泵损坏,甚至烧毁的现象。
2.1.2 使用PWM变频调速技术的优势 采用PWM变频调速技术后,可根据实际灌溉需求进行电机转速控制,以满足农作物、经济作物不同季节,不同时段的供水需求,达到最大的节能效果。该技术采用软启动和软停机方式控制电机运行,减小了对泵腔、管路和阀门的损坏,从而延长其使用寿命。同时,该技术具有过流、过压、缺相、短路等多种保护功能,切实保护水泵和电机不受损坏和烧毁。
2.2 水泵变频调速的控制原理
2.2.1 变频控制功能在农业灌溉中有多种灌溉方式 不同的灌溉方式所需的压力是不同的,但在同一种灌溉方式中一般采用恒压供水系统。所谓恒压供水,是 在保持水泵扬程恒定的前提下,通过改变转速达到调节流量的目的。(流量恒定时,转速从高到低时,流量从某流量减少到相应的流量)。农业灌溉中,在供水系统中设置多压控制电路,控制电路可以按照农业生产对应的喷灌、微喷灌、滴灌等多个压力需求设定,在农业生产灌溉时,控制电路按灌溉方式要求不同,可以设定不同的压力值,压力值控制电路自动转换到相应工作压力,使系统达到恒压供水方式,达到节电节水灌溉的目的。
2.2.2 恒压功能根据不同的灌溉方式确定管网压力 当检测压力大于设定压力时,变频控制系统将输出电源频率下调减少,水泵转速降低,出水量减小,管网压力下降。反之,变频控制系统将输出电源频率上调增大,水泵转速升高。出水量增大,管网压力升高。通过PID调节使检测压力和设定压力平衡,即达到系统恒压运行。
多单元织物涂层机的工艺流程为：织物进给à上胶à焙烘à1轧à刀涂à2轧à锡林à成品卷取，整机由5台电动机拖动。生产要求车速在0 ~ 30m/min范围内连续调节，各单元同步运行，并保持一定张力。该机各单元均为恒转矩负载，要求起动平稳、低速起动力矩较大。通过分析比较，确定各单元均采用FTY系列三相永磁同步电动机驱动，由一台变频器控制，以确保各单元齐速运行。为弥补各单元由于机械磨损而造成的累积线速度误差，则通过装于各电动机轴上的齿链式无级减速器作速度微调。
1. 控制系统的组成
根据工艺要求，4个单元的驱动电机均选用3kW、380V；锡林的驱动电机选用7.5kW、380V。变频器选用三垦SAMCO - LF-37K型。
2. 控制系统的工作过程
(1) 工作单元的选择
根据生产品种和工艺条件的.不同，织物涂层时，有些单元不需运转，这可通过选择电路进行选择。选择只能在开车前进行，不允许在运行中投入和切换单元电动机，以防过压、过流保护动作，使变频器停止工作。开车前，继电器KM1的触点11-13为常闭状态，此时按SST1 ~ SST5中的任何一个起动按钮，就可使相应的接触器吸合，使预选的单元电动机投入。若投入有错，可按SSTP1，使电路复位，重新进行选择。当电动机起动后（K吸合后），KM1的触点11-13断开，11-33闭合，保证了在运行中任何单元电动机不能投入，也不能使选择电路复位进行单元切换。
(2) 起动过程
1 工作单元选好后，按下按钮SST6，接触器K吸合并自保，变频器电源接通。
1 按下按钮SST7，继电器KM1吸合并自保，使FR-COM1接通，调节电位器RP，变频器驱动各单元电机正转，外接频率计P，则显示频率，将频率调至工艺车速值，系统开始正常运行。
(3) 停车过程
1 正常停车：按下SSTP3（SSTP4），KM1失电，FR - COM1断开，系统按设定的减速时间降频停车。
1 自由停车：按下SST8（SST9），KM2得电吸合并自保，其触点43 - 45断开、MBS - COM1接通，变频器即停机，输出频率降为零，电机呈空转自由停车状态。
1 紧急停车：当任一电机过载，使其热继电器动作时，触点11-57接通，KM4吸合，ES - COM1接通，变频器则报警停机。
正常停车或自由停车后，再开车时，按下SST7，系统即按设定的升速时间升至工艺车速；紧急停车后，待事故处理完毕再开车时，应先按复位按钮SST10解除报警，再按SST7，系统亦将按设定的升速时间加速到工艺车速。
3. 变频器参数的设定
SAMCO - LF -37K变频器可供设定的参数有215个，根据工艺要求，只对其中的部分参数给于设定，其它参数可采用出厂时的设定值。我们只对下列参数进行设定。
(1) 运转指令选择 以外部信号控制运转。
(2) 频率指令选择 频率设定用电位器操作。
(3) 频率、电压和电流的设定 基准频率和最高频率均设定为50Hz，最高输出电压设定为400V，最大输出电流设定为额定电流的120% 。
(4) 加减速时间的设定 三相永磁电动机的起动
[1] [2]
摘要：通过对煤气鼓风运行工况的分析，为解决“大马拉小车” 的问题，应用变频调速装置和PLC构成风压闭环控制系统，实现对煤气鼓风机风量的自动控制，解决了“大马拉小车” 的问题，达到了节能降耗的目的。
叙词：可遍程序控制器 变频调速 节能 鼓风系统
1 引言
在电气拖动设备的运行过程中，经常遇到这样的问题，即拖动设备的负荷变化较大，而动力源电机的转速却不变，也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍，浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行，不仅可以满足生产的需要，而且还能降低电能消耗，延长设备的使用寿命。这里介绍的煤气鼓风机系统采用变频调，并应用PLC构成风压闭环自动控系统，实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量，即满足了生产需要，又达到了节能降耗的目的。
2 工况分析
鼓风机系统构成如下。
（1）风机型号：9-26，风量：8588 ~ 10735m3/h，风压：10020~9630Pa。
（2）电机型号：Y225M-2，功率：45kW，电压：380V，电流：83.9A，频率：50Hz，功率因数：0.89，效率：2970 r/min。
鼓风机的特性曲线如图1所示。
@gas_1.jpg
通过对鼓风机几年来的恒速运动实际情况的记录分析，鼓风机系统运行规律如下：最大负荷时的风量为1600 m3/h，电机的电流为38A，运行时间1个月；一般负荷的风量为950 m3/h，电机的电流为36A，运行时间9个月；最低负荷时的风量为500 m3/h，电机的电流为18A，运行时间2个月。由此可以看出，对于该鼓风机来说，最大负荷也不到额定负荷的一半，当风量下降时，用调节管道风门的方法来改变风道阻力，使功率下降不多，耗能仍很大，这由图1可以看出。
图1中曲线1为风机在恒速下调节风门时的`风压-风量（H-Q）特性，曲线2为恒速下调节风门时的功率-风量（P-Q）特性，曲线3为管网风阻（R-Q）特性。假设风机在设计时工作在A点效率最高，输出风量Q1100%。此时，轴功率P1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比（AH1OQ1为耗能），根据生产工艺要求，当风量需从Q1减少到Q2（例如50%风量）时，如采用调节风门的方法调整风量，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性由曲线3变到曲线4，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行，尽管此时风量由Q1减小到Q2，但风压反而由H1增加到H2，轴功率P2与Q2、H2的乘积面积BH2OQ2成正比，功率的减少并不多，可见耗能仍然很大。
采用电气传动调速装置来调节风机电动机的转速是实现经济地调节风量、有效节能的最佳方法。我们选用变频调速装置对原煤气鼓风机系统进行了改造，将电机恒速运行改为按负荷变化的变速运行，得到风机合适的功率输出，达到了节能降耗的目的。
3 风机变频调速节能原理
交流异步电动机的转速公式为
n = 60f / p (1- s ) （1）
由式（1）可以看出，电源频率f与转速n成正比。即改变频率可改变电机的转速。当改变风机的转速，由额定转速n1调整到某一转速n2时，理论上风量、风压及轴功率变化的关系如下：Q2 = Q1 (n2 / n1)，H2 = H1 (n2 / n1)2，P2 = P1 (n2 / n1)3。可见，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。由图1可以看出当风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，在转速n2下的风压-风量特性如曲线5所示。 可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率P3（相当于面积CH3OQ2）明显减小，节省的功率损耗 DP = P1-P2与面积BH2H3C成正比，节能效果十分明显。所以，采用改变风机转速的方法对风量和风压进行控制是最合理和经济的。
4 系统构成
对原有煤气鼓风机加装变频调速装置，并且在鼓风机系统出口的管道上安装压力变送器，测定管道的风量变化，通过PLC对管道压力信号的变换和处理，为变频调速装置提供参变量，实现对频率的自动调整，也就是说对电机的转速进行调整，以达到根据负荷变化调整输出功率，节能降耗的目的。
经过比较，我们选用日本富士变频器FRN45P9S-4，德国西门子公司可编程序控制器S7-200，组成风压变频调速自动控制装置，对原鼓风机系统进行改造。
4.1 硬件组成
系统构成框图如图2 所示。
@gas_2.jpg
各部分主要功能分述如下
（1）操作台。实现系统操作控制及参数的设定与显示。
（2）可编程序控制器。选用S7-200可编程序控制器及EM235模拟量I/O模块，完成风压信号和操作信号可输入以及PLC的控制输出。
（3）变频器。选用FRN45P9S-4变频器，具有手动和自动调速功能。
（4）切换装置。由继电器、接触器，开关等组成，实现1台变频器控制3台鼓风机的切换，以及在变频器故障时鼓风机的旁路工频运行。
（5）压力变送器。选用CECY型电容器式变送器，测定管道的风量变化。
4.2 软件框图
PLC软件采用梯形图语言，实现各种逻辑顺序控制，风压闭环控制等，程序框图如图3所示。
@g
as_3.jpg
在软件设计中利用PLC定时中断功能完成数据采样，数字滤波，PID运算及控制输出。
5 运行结果
变频调速装置安装投入运行后，风门全部打开，在压力为2200 Pa，风量为600 m3/h，即可满足生产要求。此时测得的系统参数如下：变频器输出频率为25 Hz，电压为189 V，电流为20 V；电机转速为1485 r/min。实际运行工况在以下几个方面有了明显改善：?噪声由80 dB降为40 dB左右；?风量（压力）控制自动化，降低劳动强度，故障率降低；?运行参数观测直观，可同时显示压力、频率、转速、电压、电流、转矩等运行参数；?管道阀门全部打开，节门损失大大降低。
6 节约电能计算
采用变频调速前全年总耗能为1.511×105kW・h，变频调速后全年总耗能为4.53×104kW・h。采用变频调速后全年节约电能为10.58×104kW・h。
另外在投运变频调速装置后，根据运行工况测算，可延长修周期1～2年，每年可节约大修费用约2万元。
7 结论
关键词：门座式起重机；单传动变频、多传动变频能量回馈系统；经济效益
引言
近年来，随着我国加入WTO以来港口经济的飞速发展，越来越多的先进技术在港口装备中得到广泛推广和应用，变频调速能量回馈控制技术也以其不可替代的优点得到推广，被应用在诸于门座起重机、卸船机和岸边集装箱装卸桥等大型设备上。
变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。
本文讨论的就是变频调速系统节能控制的变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项探讨无疑具有一定的现实意义。
1.通用型变频器工作原理
通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。三相交流電首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。
2.单传动变频系统
对于门机而言，起升机构下降减速时大量的势能通过电动机转化为电能，常规的方法是采用能耗制动，即利用挂在变频器直流母线上的制动单元和电阻将这部分转化过来的电能通过热量的形式消耗掉。该方法虽然简单，但也存在浪费能源等诸多缺点：①电能通过电阻消耗掉，严重浪费能量，降低了系统的效率。②电阻发热，对周围的电子元件造成影响。③能耗制动不能及时消耗大量回馈电能，只能通过延长制动时间来消耗掉。④单传动由于高开关频率的电子元件大量使用，势必造成高次谐波产生，对电网会造成污染。
3.多传动能量回馈系统
多传动能量回馈系统有以下一些特点：
（1）采用整流/回馈单元，逆变器共直流母线。
（2）通过整流/回馈单元及自耦变压器，可实现能量双向流动。
（3）通过LCL滤波装置，滤除高次谐波，对电网无污染。
（4）将重物下降及制动过程的能量回馈给电网，减少资源损失。
（5）提高整机功率因数约为1。
（6）投入成本高，比单传动设备成本提高约1.8倍。
变频调速能量回馈控制技术是采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动运行的。它极大的提高了系统的效率，因此必然会逐步成为大功率设备的首选控制方式。
4.经济效应
如果门机采用常规的串电阻调速系统，功率因数为0.6～0.65；如果是普通的变频调速系统，一般门机在起动、制动阶段，功率因数为0.7左右；在正常运行阶段，功率因数为0.8～0.85；而变频调速能量回馈控制系统的综合功率因数则为0.93～0.96，极大的提高了电能的利用效率。以一台门机1个月的用电为例，该门机的各机构均采用变频能量回馈控制方式，该门机实际用电为71280Kwh，功率因数按照0.94计算，实际损耗总电能为75830KVAh。①如果采用常规控制方式，功率因数按照0.65计算，实际损耗总电能为109661KVAh；在这一个月里这种控制方案比能量回馈方式多消耗的电能38381 KVAh，一年所节约的电能约为38381 KVAh×12月=460572 KVAh，以工业用电电价0.67元/ Kwh计算，一年就可以节约30.86万多元。②如果采用普通变频调速方式控制，功率因数按照0.8计算，实际损耗总电能为89100KVAh；在这一个月里这种控制方案比能量回馈方式多消耗的电能17820 KVAh，一年所节约的电能约为17820 KVAh×12月=213840KVAh，以工业用电电价0.67元/ Kwh计算，一年就可以节约14.33万多元。
5.结束语
1) 调速效率高。当电动机频率发生变化之后, 变频调速仍能保障电动机保持额定的转速差, 不产生转速损失或额外补偿, 电动机仍然保持在该频率的同步转速附近正常运行。因此, 变频调速具有高效调速的优点;2) 变频装置与启动设备的兼用。当原有变频装置产生故障时, 可以退出运行或直接更换电动机, 将电动机转换到主电路上, 由主电路直接供电, 然后再由工频电源把电动机逐步加速至全速。这样既完成了对原有电动机的调速改造工作, 又不影响泵与风机的正常运转;3) 调速范围大。变频器能够在整个调速范围内产生比较理想的调速效率。其调速范围可以纵深至1%~100%之间的任意阶段。而且当调速范围低于30%时, 变频器效率仍然可以达到90%。因此, 变频调速方式可以满足那些调速范围较宽又时常处于低负荷状态下运行的设备。
2 变频调速节能原理
采用挡板控制, 改变挡板开度, 减少风量是鼓风机和引风机采用定速电机时调节风机风量的常用方法。然而这种方法在减少风量的同时却额外的增加了风阻, 增加了电量消耗, 并没有实现真正意义上的节能。采用变频调速的方式来调节泵与风机的流量, 通过电机转速对风量进行调节。在调节流量过程中管道系统阻力不产生变化, 电机转速降低, 耗电量相应减少, 几乎没有节流损失, 达到了良好的节能效果。
3 变频调速技术在供热锅炉房的应用
3.1 在补水泵、循环泵上的应用
补水控制是为了补充供热锅炉系统的泄漏水量, 从而维持系统补水点的压力在理想范围内。补水泵与循环泵的使用情况基本一样, 两者都处在恒压工作状态。改变电源频率就可改变电机给水泵的转速。采用变频调速技术, 在系统的固定位置安装压力传感器, 对水泵压力状况狂进行反馈。由变频器输出的信号控制水泵的控制器, 由调节器控制变频器的输出频率, 通过改变转速的方法来实现给水流量的调节, 当单泵满足不了系统超额补水需求的情况再启动备用泵, 将调节阀开到最大开度, 切除循环支路。这样既降低了系统运行的能源消耗, 又满足了流量方便调节的要求。
3.2 在锅炉鼓、引风电机上的应用
国内多数供暖公司均在采用异地控制方式。这种方式将设备的使用地与控制地分开, 将电机的主要运行参数 (电流、电压、频率等) 与锅炉主要运行的参数 (炉膛温度与负压、出水与、回水温度等) 引到控制室。控制室的管理人员可以清晰地掌控锅炉的运行情况, 从而作出较为客观、准确的调整。基于这种控制方式, 根据用户的要求, 变频调速本身具有一套应急备用方案。当变频器出现了用户无法排查的状况时, 变频器会自动转换至另一种工作方式上运行。两种方式相互互锁, 保证了供热锅炉系统的安全可靠运行。
3.3 变速泵的并联运行探讨
在我国北方的冬季供热的过程中, 由于季节与昼夜的变化较大, 锅炉供热负荷经常处在不稳定的状态。由采暖初期的锅炉逐台递增到高峰期后的锅炉逐台递减。此时, 锅炉要求的流量需求必然增加, 一台或几台泵或风机已经很难满足流量需求, 这就需要增开或停开并联台数以实现大幅度调节流量。但上述的锅炉运行方式必然会造成能源的瞬间的极大浪费。两台变频调速泵并联运行可以有效地缓解此时的状况。当并联运行所需求的压力或流量给出之后, 两台泵可以通过改变转数来改变各自泵的压力或流量, 并且允许两台变频调速泵同时调整至高效工作区, 使运行性能参数向目标值靠拢, 进而达到高效供热、有效节能的双重目标。
4 节能效益分析
变频调速技术具有优异的性能, 由于其较短的投资回收期, 逐步降低的价格, 逐步提高的性能, 为变频调速技术的推广和应用奠定了良好基础。供热锅炉系统采用变频调速技术后起到了较好的节能效果。通过实际运行参数的记录, 我们发现采用变频调速技术以后, 系统节电率通常都在22%~31%左右, 最高时可达到42%左右。采用变频调速技术以后, 供热锅炉系统的流量大小直接由变频调速器控制, 泵出口压力大幅度降低, 消除了节流产生的噪音, 减少了机械磨损, 设备维护量大大减少。供热锅炉系统采用变频调速技术改变电机转速的方法, 提高了自动化程度, 调节精度得到显著提高, 增加了设备的可靠性, 有效地改善了工作环境, 设备运行工况也得到了显著的改善, 比采用阀门、挡板调节产生了更多的节能与经济效益。
5 结论
变频调速技术是电力电子技术和微电子技术有机结合的产物。凭借其有两的调速特性和理想的节能效果, 变频调速技术在我国的国民经济的各个领域中逐渐得到广泛的推广和应用。如今, 变频调速已成为交流电机转速调节的最佳方法。当前, 我国的多数中小型供热锅炉系统普遍存在诸多问题:工作人员操作管理水平尚待提升, 机械自动化程度尚待提高, 锅炉技术安全措施尚待加强。采用变频调速技术, 实现由人工控制到仪表自动控制系统压力的转变, 能够在很大程度上提高锅炉运行的可靠性, 保证系统在最佳工况下运行。达到既减少不必要的能源能耗, 减轻环境污染, 又有效地降低运行成本, 产生较好的经济效益和社会效益的目的, 实现供热锅炉系统运行状态实质性的飞跃。
参考文献
[1]梁厚升.变频调速应用技术研究[J].石油工业出版社, 2010, 8.
[2]吴成东.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社, 2009, 7.
近几年塑料行业发展越来越迅速，其中注塑行业也正迎来一个飞速发展的机遇，但同时同行业间的竞争也日渐激烈，各厂家除了重视产品质量、品牌竞争外，也越来越重视生产成本的控制，从注塑机工艺过程知道，在注塑成型产品成本中电能量消耗成本占了很大的比例，因而能否有效减少电能损耗受到各注塑机厂家和用户关注。随着变频调速技术的推广，变频调速在传动控制和节能领域已日渐得到广泛应用，尤其在泵类负载场合采用变频控制节能效果显著，本文以康沃注塑机专用变频器为例介绍了注塑机变频改造可行性和改造中常出现的问题及处理方法，举例说明了注塑机变频改造节电效果及收回情况。
2 注塑机变频改造可行性
2.1 节能改造的提出
目前市场上的各类注塑机约90%以上是采用液压传动和电液比例控制方式，事实上采用电液阀控(即高压节流)控制模式注塑机工作时存在很大的能量浪费，一般一个产品的注塑成型过程如图1。
各个过程所需的速度和压力因不同工艺而不同，即所需的液压油流量不同，因而注塑机整个动作过程对油泵电机来说是个变负载过程，在定量泵注塑机液压系统中，油泵电机始终是以恒定转速提供恒定流量的液压油，各个动作中相应多余的液压油则通过溢流阀回流，从而造成电能的浪费，据统计由电液阀控模式造成电能损耗高达36~68%，根据注塑机设备工艺油泵电机耗电占整个设备耗电比例高达65~80%，因而对阀控电液模式进行节能改造具有很大潜力。
2.2节能改造原理
泵类负载工作特性可知泵的流量与转速成比例关系，泵的扬程与转速成平方关系，泵电机轴功率与转速的立方关系,如下公式所示:
其中:q为流量; n为转速; h为扬程。
原有注塑机系统采用阀门控制，当流量由qa减少到qb时由于管阻特性，工作点由a点转移b点，消耗的功率与0qbbhb成正比，若采用变频控制这时因阀门全开，其管理特性不变，工作点由a点转移到c点，消耗的功率与0qbchc成正比，从图2可知采用变频调速比采用阀门控制节能，且随着转速的降低电机功率成立方关系减少，如果能根据注塑工艺适时地调节油泵电机转速即可达到节能目的。
目前三相异步电动机大多采用变频调速，由电机同步转速公式：
n=60(1-s)f/p
其中:s为转差率; f为供电频率; p极对数
由上式知当改变电源频率便可改变电机转速,因而采用注塑机比例流量阀及比例压力阀的控制信号同步控制油泵马达的变频器，使油泵电机的转速与注塑机工作所需的压力、流量成正比，从而使溢流阀的回流量减到最小，液压系统输出功率与注塑机生产所需功率相匹配，便可达到节能目的，据统计其单机节电率可达 25%~65%。
3 康沃变频器的应用
3.1康沃注塑机专用变频器的特点
康沃注塑机专用变频器(cvf-zs系列)是在通用变频器(cvf-g2系列)的基础上根据注塑机工作特性专门设计的变频调速器，通过对阀控电流、电压信号的采集，经cpu处理后对油泵电机进行相应的调速，从而满足注塑机工艺要求，它具有以下特点:
(1) 具有适合注塑机专用的频率给定信号通道
通用变频器的频率给定信号标准为0~10v电压信号或4~20ma电流信号，但注塑机专用变频器的具有0~1a/10v信号接收通道，康沃zs系列变频器可接入0~1a电流信号，而不需要另外加装信号转换电路。
(2) 过载能力强、响应速度快
一般注塑产品的周期相对较短，从10几秒到几分钟，一个成型产品从开模到合模各个过程动作要求迅速，采用变频控制时油泵电机负载频繁变化，这就要求变频器有很强的过载能力，康沃zs系列变频器根据阀控信号进行快速升降速，加减速时间可达0.5s~1s。
康沃注塑机专用变频器根据注塑的工艺要求设计，已在海天、震雄等品牌注塑机改造中得以成功应用。
3.2 变频改造电路
注塑机变频改造时采用:变频 工频控制方式，其控制柜主电路由电度表、zs变频器和工频旁路接触器等构成，控制电路由工频/变频切换开关、启动、复位开关、指示灯等构成。
(1) 变频控制柜主电路
如图3示，采用工频旁路目的是为了在变频器出故障时可直接切换到工频运行，而不影响生产，
图3中zd为断路器，k1、k2、k3为接触器，sb3为故障复位按钮。在改造注塑机时仍保留注塑机原有控制电路中的星-三角转换电路，这样可方便改造同时保持注塑原来的控制特性。
(2) 变频控制柜控制电路
如图4所示。
图4中sb1为工频/变频转换开关，选用三级开关;sb2为变频器启动按钮;l1为总电源指示灯;l2为工频运行指示灯;l3变频运行指示灯，l4为变频器故障指示灯，其故障信号由变频器ta、tc输出;km1、km2变频运行接触器;km3为工频运行接触器。
3.3 变频主要参数设置
以康沃cvf-zs-4t0150变频器在注塑机中应用为例，采用比例流量 比例压力信号两路信号控制，主要参数设定如表1所示。
康沃第二代注塑机专用变频器在第一代机型的基础上增加了两路信号比较、信号放大等功能更加满足注塑机不同的工艺要求。
4 调试中常出现的问题及处理方法
4.1调试前注意事项
注塑机变频节能电气改造相对比较简单，但在改造前应详细了解注塑机工况，熟悉注塑机工艺流程，调试时应注意以下事项:安装前查清注塑机原有电路接线方式，包括主电路和控制电路;仔细观察注塑机工频运行是否正常，油泵马达是否经常处于过载状态;根据注塑机的模具及注塑工艺观察注塑机节电改造的潜能;控制信号线路注意正负极性不要接反;信号线与主回路线要分开布线等。
4.2调试常见问题及处理方法
由于注塑机工艺的特殊性，在改造中会遇到各种故障，以下为在注塑机变频改造中常遇到的问题及处理方法。
(1) 变频器频率无变化
由于变频器采用注塑机阀控电流信号进行调速，变频器运行后出现频率显示为0.0(有的变频器显示为0)现象，其主要原因为信号极性接反;信号取错;信号接线端口与参数设定不符;注塑机辅助电源故障等，出现这种故障应先查明注塑机阀控制的类别是电流信号、电压信号还是脉冲控制信号(部分机型)，及信号正负极性是否与变频器控制端子对应。
(2) 油泵噪音大
变频器运行后有些注塑机会发出异常的噪音，这时应判断噪声源在何处，是来自电机还是油泵，若为油泵的噪音则可能原因有:注塑机液压油过少，有空气吸入;注塑机滤油器或油路阻塞;注塑机油泵叶片磨损较严重;遇到以情况应先检查注塑机油泵，排除故障后方可运行，另外当注塑处于低速高压工作状态时，也会出现油泵噪音异常情况，这时适当提高速度信号。
(3) 温度控制干扰
注塑机变频器改造中常遇见的问题是改造后因干扰注塑机不能正常运行，注塑机加热单元采用热电偶检测温度，这种检测元件容易受谐波干扰，从而造成注塑机温度显示和控制不准确，这时可从以下方面排除干扰:尽量缩短变频器与注塑机电动机之间的连线，动力线用金属软管套装，动力线与温度检测线不要靠近走线;在变频器近端主回路线缆加装电抗器或磁环;变频器可靠接地;或给注塑机内部温控电偶供电电源加阻容滤波电路，如图5所示。
其中a 为热电偶端;b 接温度控制板，处理时即在温度检测(热电偶)线路中对称地加入以上阻、容元器件以消除干扰。
5 节能实例及收回
深圳横岗镇某电子厂主要生产吸尘器，其吸尘器外壳采用亿利达e-140品牌注塑机注塑成型，注塑机油泵电机为三相异步电机，其功率为15kw，采用康沃cvf-zs-4t0150变频器进行节能改造，经测试其节能情况如表2所示。
表2 cvf-zs-4t0150变频器节能情况
以每天工作22h，每月工作28天计算，每月节电1478.4kwh，该电子厂所在工业区电价为0.7元/kwh，一台变频节能控制柜投资为9300元，使用约9个月后便收回投资，同时采用变频改后实现电机软启动;减少机械冲击;降低液压油温等，该厂自去年初改造以来系统运行稳定。
6 结束语
一、磕头机的工作原理
目前，在油田抽油设备中，以游梁式磕头抽油机应用最为普遍，数量也最多，但是，传统的磕头机普遍存在着启动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题，加之油井情况复杂，稠油、结蜡、沙卡现象较多，断杆、烧电机等现象经常发生，对电动机没有可靠的保护功能，设备维修量大，为此，急需对现有的抽油机设备进行改造。
当磕头机工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量。在下冲程时，抽油机杆柱转而对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的载荷极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动机付出部分能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的一个工作循环中，有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时，其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。
游梁式抽油机的变频改造主要有以下3个方面
(1)大大提高了功率因数(可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上)，大大减小了供电电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支.这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。在前期井中，由于刚开采，储油量大，使用变频器运行至65HZ，频率提高了1/3，相应地电机转速提高了30%，其采用油量也相应提高，其综合采油率可比工频情况下多采油20%，工效提高了1.2倍，很受油田采油工的欢迎。
(2)以节能为第一目标的变频改造，
这点较普遍，一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为 20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。另一方面，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，也会造成电能浪费。为了节能，提高电动机工作效率，需进行变频改造。在中、后期井中，由于井储量减少，电机若仍工频行，势必浪费电能，造成不必要的损耗，因而我们采用降低转速的方式，减少冲程，一般将变频器的频率运行至35-40HZ之间，这样电机转速下降了30%，加之采油设备一般负荷较轻，节电率可达25%左右，而且提高了功率因数，减少了无功损耗。
(3)变频器具有软启/软停功能，在电机启动时，减少了对抽油杆的机械冲击，对稠油、结蜡、沙卡、等都能效地进行保护停机，以保护电机及机械设备，减少维修量，防止断杆，变频器对过压、欠压，过载、短路及电机失速都能可靠地保护，对延长电机的寿命，减少机械设备的磨损等，都具有很好的作用。
由于实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。以提高电网质量和节能为目的的变频改造。这种情况综合了上面两种改造的优点，是应用中的一个重要发展方向。
二、抽油机的技术发展
第一代：最先的抽油机主马达主要是采用三相异步电机启动，三相异步电动机启动运行缺点就是没有调速功能，只能保持一个恒速，严重影响产油量。这种不带保护的抽油机电机控制方式已经退出了历史舞台。
第二代：由于直流电动机的面世，也加快了直流电机在抽油机上的应用，从而替代了异步电机的使用。采用直流调速的方法明显的优胜三相异步电机，产油量也高了许多;但直流电动机成本比较高，其调速性能也不是很理想。
第三代：采用变级电机调速，就是改变电机极对数来达到调速的目的，常采用4/8/32极多速电机实现。但其装置比较复杂，占用空间也比较大，设备寿命短，稳定性不太好。
第四代：变频调速技术，由于变频调速技术已成为节能及提高产品效益质量的有效措施，油田中变频器应用在游梁式抽油机已经非常广泛。由于油井的类型和工况千差万别，井下渗油和渗水量每时每刻都在变.抽油机的负载变化是无规律的，故采用变频调速技术，使抽油机的运动规律适应油井的变化工况，实现抽油系统效率的提高，达到节能增产的目的。
根据多年来从事矿井电气传动的经验及在矿井进行变频调速的应用实践, 在矿井应用变频调速技术对于提高矿井生产设备的效率, 节约电能都是至关重要的。
1 变频器在地下矿井中的应用
1.1 变频调速技术在矿井提升机中的应用
矿井提升机是地下矿井运输的主要设备。它是用一定的装备沿井筒运出矿石、废石、升降人员及材料、设备等运输环节。
矿井提升是地下矿井生产的咽喉, 所以, 无论哪种提升机, 对电气传动的要求都很高, 因为电气传动系统性能的优劣, 可靠性的高低, 都直接关系到矿井生产的效率和矿井生产的正常进行。对矿井提升机电气传动系统的要求是:有良好的调速性能, 调速精度高, 四象限运行, 能快速进行正、反转运行, 动态响应速度快, 有准确的制动和定位功能, 可靠性要求高等。
目前, 我国地下矿井矿井提升机的电气传动系统主要有:对于大型矿井提升机, 主要采用直流传动系统, 有采用直流电动机—直流发电机系统和晶闸管变流器—直流电动机系统;这两种系统都存在着直流电动机固有的缺点, 如效率不高, 维修工作量较大等。对于中、小型提升机, 则多采用交流电气传动系统, 如采用交流绕线式电动机, 使用电机转子切换电阻调速, 这种电气传动系统虽然设备简单, 但它是有级调速, 调速性能差, 效率低, 大量的电能消耗在电动机转子电阻上, 而且可靠性也差。
将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。我国已有几台大型矿井提升机采用交—交变频调速系统, 取得了很好的效果, 但其缺点是功率因数不高, 谐波大, 需加谐波和功率因数补偿装置。随着变频调速技术的发展, 交—直—交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。例如国外已有矿井将有源前端三电平变频器应用于矿井提升机上, 据介绍, 采用这种变频调速的交流提升机可以克服直流调速系统和交—交变频调速系统的缺点, 是提升机电气传动的发展方向。
1.2 变频调速技术在空压机中的应用
空气压缩机是地下矿井生产的重要设备之一, 它生产压缩空气, 用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其它风动工具, 其耗电量在矿井总耗电量中占有相当大的比重。深入分析空气压缩机的电能消耗情况, 找出节能潜力, 实现空气压缩机的节能运行, 将会降低矿井生产成本, 提高其经济效益。
1.3 变频调速技术在矿井通风机中的应用
矿井通风机是地下矿井生产的主要用电设备之一, 其节能运行在矿井节电中占有重要的地位。矿井通风机一般采用异步电机或同步电机拖动, 恒速运转, 一般容量大, 电机供电电压高 (6k V或10k V) 。
矿井建设的特点是:巷道逐年加深, 产量逐年增加, 所需的通风量逐年上升。但矿井通风机在设计选型时, 往往是按最大开采量时所需的风量为依据的, 一般都留有余量, 因此矿井在投产后几年甚至十几年内, 矿井通风机都是处在低负载下运行。此外, 通常矿井井下作业不均衡, 一般夜班工作人员少, 所需风量也小, 在节假日时, 可能只有泵房等固定的井下场所的值班人员工作。尽管井下人员少, 但也得照常向井下送风, 矿井通风机一般不调节风量, 若要调节风量时, 传统的方法是调节档板。这种办法虽然简单, 但从节能的观点看, 是很不经济的。采用同步电机直接高压变频器, 节电效果十分显著。
2 选择变频器应注意的事项
2.1 根据工艺要求选择变频器
2.1.1 电机调速虽是风机、水泵节能的有效途径, 但并非凡是风机、水泵都能采用调速节电。
对于工艺参数基本稳定, 不需要调速的风机、水泵可以采用高效节能电机和高效节能风机, 以提高系统效率。对于已建成而配置不合理的风机可以通过采用更换电机, 调节叶片角度等方法达到节电的目的。选择调速节能时应注意:风机、水泵的转速变化范围不宜太大, 通常最低转速不少于额定转速的50%, 一般调速范围在100%~70%之间为宜, 因为当转速低于额定转速的40%~50%时, 风机、水泵本身的效率明显下降, 是不经济的;调速范围确定时, 应注意避开机组的机械临界共振转速, 否则调速至该谐振频率时, 将可能损坏机组。
2.1.2 进行可行性分析。
在选择要进行的变频调速的设备对象以后, 应从提高效率或提高产品质量的需要情况, 从节约电能的情况进行分析、计算, 并与变频器的投资进行比较, 计算出变频器的投资回收期。一般来说, 如能从节约的电费或从提高产品质量、提高效率等方面所得的收益中, 在两年内偿还变频器的投资, 都应认为是可行的。同时还应分析外部条件是否满足变频器的使用要求。
2.1.3 变频器的可靠性。
变频器的可靠性如何, 直接决定了变频器能否成功地应用于生产。这是选择哪种变频器的首要条件。有的矿井所购买的变频器可靠性不高, 加之自身的维修技术力量不强, 变频器出了故障, 只好停下, 甚至弃用。造成损失, 同时也为变频器的继续推广应用带来负面影响。
2.2 主要应考虑的技术规格和技术参数
2.2.1 型号。各厂家生产的变频器的型号多是
系列号和容量的组合, 通过对型号和规格得了解, 可以确认该厂家生产的品种, 对用户来说, 不一定会使用到全系列的变频器, 但可以从型号、规格、所采用的功率元件、控制技术等方面判断厂家的实力和生产态势, 甚至可以从一个方面判断其产品质量。产品品种齐全, 容量覆盖范围大, 功率元件及控制技术先进的厂家, 一般来说其实力强, 生产态势好, 产品质量一般来说也会有较好的保障。
2.2.2 效率。
变频器效率的高低, 直接关系到变频器调速节能的多少, 因为在变频器运行时, 变频器本体也要消耗一部分电能。一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97~0.98, 而高—低—高式高压变频器由于多一个变压器的损耗, 使其系统效率有所降低。
2.2.3 功率因数。
在整个调速范围内, 功率因数的变化是一项重要指标。最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上, 以使其符合国家标准GB3485-83的标准, 这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。而电流型变频器较难满足这项要求。
2.2.4 谐波。
国家对电网谐波有严格要求。限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流, 是限制电网电压正弦波畸变的关键。所用的高压变频器的谐波 (即装置对电网产生的谐波) 必须符合国标GB/T14549-93“电能质量、公用电网谐波”的规定, 在国际上要符合IEEE-519标准的规定。
2.2.5 输出容量和额定输出电流。
变频器输出容量以k VA或k W表示, 它代表可以供给电动机的输出功率。用k W表示时, 一般以四极标准电机为基础考虑;用k VA表示, 需进行核算。额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。在以输出容量为标准选择了变频器以后, 还应对额定输出电流进行核算, 以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。
2.2.6 电源容量和允许电压变化范围。
供给变频器的电源容量应足够大, 电源电压变化范围应在变频器允许的范围。用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况, 对变频器进行选择。
结束语
《中华人民共和国节约能源法》第39条, 已将变频调速技术列为通用节能技术加以推广。在矿井推广应用变频器节能是重要目的之一, 如风机、水泵;同时也有提高生产效率、降低维修工作量、提高产品质量等目的。建议有关科研院所、变频器生产厂家和矿井用户共同合作, 开发我国矿井设备使用的变频器。
参考文献
[1]采矿手册[M].北京:冶金工业出版社, 1991 (6) .
[2]张永惠.高压变频器的选择[J].变频器世界, 1999 (6) .
