论文 中压变频器在水泥厂的应用 精品.docx

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中压变频器在水泥厂的应用

前言

　摘要：

介绍利用美国A-B公司1557型中压变频器对某电厂送风机控制进行改造的实例，分析变频调速原理及特点和在送风机控制中实际运行效果。

实践证明，该中压变频器对于6000V、800kW的高压大功率电动机可实现稳定调整，并且运行可靠、节能效果显著，可在电厂中广泛推广应用。

1 问题的提出

   山东省某电厂210MW机组由于调峰任务重，常在140-170MW之间运行。

原设计采用2台定速电动机带动送风机，靠送风机挡板的开大、关小调节送风量，以适应机组负荷变化。

该系统在运行过程中存在诸多问题：

（1）挡板调节造成风道压流损失严重；

（2）在风速较大时，会产生挡板的冲击损耗；（3）挡板动作迟缓，手动时运行人员不易操作，而且操作不当会造成送风机震动；自动时，很难满足最佳调节品质；（4）送风机挡板执行机构为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，使送风系统—直不能投入自动运行；（5）送风机电机在启动时，启动电流一般为额定电流的6~8倍，因此启动机械转矩严重影响电动机的使用寿命；（6）电机容量比送风机额定出力大，这部分多余容量不能利用，白白浪费；（7）送风机运行多年，效率下降，造成锅炉氧量不足。

为此，决定对送风机控制系统进行改造，利用电机变频调速方法实现送风量控制，达到节能和实现稳定控制目的。

2 变频调速原理及方案选择

2.1 送风机变频调速原理

   交流电机的输出功率为p=Mz·ω，其中Mz为电动机的负载转矩，ω为电动机的旋转角频率。

而送风机的负载特性为：

Mz=∝Kω2，即：

p∝kω3，其中k对于一定的风机而言为一常数。

因此，对交流异步电动机实施变频调速，就可改变送风机的转速，从而改变送风量。

变频调速的基本原理是根据电机转速与输入频率的比值呈线性关系：

                                      n=60f/p（1-s）     r/min

   其中，n为电动机转速,f为电动机定子供电频率，p为电动机磁极对数，s为电动机转差率。

这样就可通过改变供给电动机电源的频率值达到改变电机转速的目的。

 2．2 高压大功率电动机变频调速方案选择

   送风机的电动机属于高压大功率电动机，额定参数为：

Ue=6000V，P=800kW，必须采用高压变频技术。

目前，国际上采用的高压变频方案有3种：

Y-△变换、高-低-高变频调速系统及直接高压变频调速系统。

前2种方案都采用变压器进行降压措施。

Y-△变换系统如图1所示，要求交流异步电动机必须采用三角形连接，虽然能满足电压、电流要求，但对dv／dt和共模电压的承受能力较差；高-低-高变频调速系统如图2所示，该方案虽然可选用价格较低廉的低压变频器，但用降压、升压2台变压器，降低了节能效率，而且变压器需要相应的启停和保护装置，成本有所提高，设备占地面积也会增大：

采用直接高压变频调速系统，无须经过其它中间环节，最为直接和方便，是目前高压大功率电机变频调速的最佳方案，其简单原理如图3所示。

美国A-B1557型中压变频器（2．3-6．9kV）能满足直接高压变频调速系统要求。

其额定参数为：

输入电压6000V，输入频率50Hz；输出电压6000V，输出频率0~75Hz；输出功率选用800kW，输出谐波分量<5％。

该变频器本身效率在98．5％以上，不会对电网产生谐波干扰影响，没有共模电压，不存在dv／dt问题，对电机无特别要求，不用更换原配套电机。

因此，为减少设备数量，降低设备维护费用，提高节能效率，选用A-B1557型中压变频器对该电厂送风机控制进行改造。

3．1 送风机变频控制系统

   送风机控制系统是锅炉燃烧控制系统一个重要组成部分，一般常采用图4所示的调节回路进行控制。

当锅炉燃料量变化时，必须相应地调节送风量，使它与燃料量配合，保证燃烧过程安全、经济地运行。

烟气中最佳含氧量是风、煤比配合好坏的一个指标，反映了锅炉燃烧的经济性，送风控制系统中常采用烟气含氧量信号校正送风量以保持一个较好的风煤比。

改造前，经执行器伺服放大器放大后的调节信号用于控制送风机挡板以调节风量；改造后，调节信号4-20mA直接送至变频器，对送风机电动机进行变频调速控制，改变送风机的转速以达到改变风量的目的。

该系

统线性好，可靠性高，调节方便，使送风系统很容易投入自动运行。

变频器控制部分主要由电源短路器、接人变压器、变频器装置、输出接触器和三相异步电动机组成，主接线如图5所示。

变频器装置由功率变换部分（电网换相式网侧整流器、直流环节电抗器、GTO模块组电机侧逆变器）、保护和监测装置、带控制和联锁装置的开关设备、控制和监视元件和操作显示面板组成。

3．2 变频器调节特点

   送风控制系统采用中压变频器改造后具有以下特点：

（1）采用CSI-PWM技术，适合于任何2．3-6．9kV大功率电动机，无需专门的变频电动机；

（2）调速稳定性好，调速范围大（频率控制方式下大于1：

10，转速控制下大于1：

100），采用全数字矢量控制单元，具有很高的精度；（3）即使在较低转速下也能保证良好平滑的起步加速特性，在实行转矩控制范围内采用脉宽调制方式；（4）程序设计提供多种参数组合，初启动方便、快捷，只需输入电动机铭牌参数，变频器就自动执行设定，完成自动参数化和自动最优化；（5）具有自动化网络通信能力，SCANbus网络可连接远程I／0到PLC及人机接口模块（HIM）；（6）具有全面的自我诊断和保护功能及装置；（7）可按用户要求配置内部电路，提供各种不同输入输出控制量，与外围电路实现极佳配合，实现最优化控制，广泛适用于新设备要求和老设备改造；（8）调速稳定性好，电机噪音低，牢固、可靠、效率高；（9）系统自动投入率和利用率都大大提高；（10）与原控制系统相比，改造后系统节能效果十分显著。

4．1 现场运行状况

   该电厂3号机组的送风机控制采用A—B1557型中压变频器后，从系统运行稳定性和经济性上有了很大改善：

（1）可以非常平滑、稳定地调整风量，运行人员对锅炉燃烧的调整控制更为稳定自如；

（2）大大改善了锅炉燃烧自动控制系统的工作状况，使自动装置的可靠性大大提高；（3）锅炉燃烧状况明显改善，锅炉烟气氧量由投运变频器前的2％增至4％以上；（4）投入变频器后，送风机风压明显提高（见表1）；（5）送风机单耗明显降低（见表2）。

4．2 经济效益分析

（1）直接经济效益（见表3）。

从表中可看出，机组低负荷时节电非常明显。

在低负荷时，年节电费用：

314x7200x0．3=67．8（万元）。

一般情况下，机组负荷在140-180MW之间运行，因此可取平均值计算，即年节电费用：

（584+653）÷2—（270+480）÷2245．5（MW），245．5x7200x0．3=52．6（万元）。

（2）间接经济效益。

送风机改用变频调速控制后，可彻底避免大功率电动机启动时的冲击力矩对电机的损坏，大大减轻了烟气对烟道挡板的冲蚀，延长了电机和烟道挡板的检修周期，减轻了检修人员的维护工作量；提高了机组自动装置的稳定性，为机组的经济优化运行提供了可靠保证；锅炉的运行参数得到改善，提高了锅炉效率。

   经过现场运行跟踪检测，充分说明中压变频器运用于送风机控制中能取得良好的运行效果和经济效益。

该装置具有安装简便、调试方便简易及现场工作人员非常容易掌握的特点，并且运行性能稳定可靠，节能效果十分显著。

在新机组建设和老机组改造中，变频调速装置将在节能降耗和提高机组自动控制水平方面广泛应用。

变频器原理介绍

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率

变频器选型：

　　变频器选型时要确定以下几点：

1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

3）变频器与负载的匹配问题；

　I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

　II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。

对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

　　4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。

因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

　5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

　　变频器控制原理图设计：

　1）首先确认变频器的安装环境；

　　I.工作温度。

变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。

在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

II.环境温度。

温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。

必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。

在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

　III.腐蚀性气体。

使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

IV.振动和冲击。

装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。

淮安热电就出现这样的问题。

这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。

设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

　　V.电磁波干扰。

变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。

因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。

所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。

如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

2）变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；

　　I.变频器和电机的距离应该尽量的短。

这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。

　II.控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为５００ｍｍ。

同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。

如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按９０度角交叉。

与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

　　IV.与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。

3）变频器控制原理图；

　　I.主回路：

电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。

虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。

可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

II.控制回路：

具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

　4）变频器的接地；

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率

变频器中重要参数的设定

1概述

 目前，变频交流调速已遍布冶金、电力、铁路、运输、化工、民用等各个领域。

在晋城煤业集团使用的采煤机中，也应用了变频器。

2几个重要参数的设定

2.1V/f类型的选择

 V/f类型的选择包括最高频率、基本频率和转矩类型等。

最高频率是变频器-电动机系统可以运行的最高频率。

由于变频器自身的最高频率可能较高，当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时，应按电动机及其负载的要求进行设定。

基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线，应按电动机的额定电定电压设定。

转矩类型指的是负载是恒转矩负载还是变转矩负载。

用户根据变频器使用说明书中的V/f类型图和负载的特点，选择其中的一种类型。

我们根据电机的实际情况和实际要求，最高频率设定为83.4Hz，基本频率设定为工频50Hz。

负载类型：

50Hz以下为恒转矩负载，50~83.4Hz为恒功率负载。

2.2如何调整启动转矩

 调整启动转矩是为了改善变频器启动时的低速性能,使电机输出的转矩能满足生产启动的要求。

   在异步电机变频调速系统中,转矩的控制较复杂.在低频段,由于电阻、漏电抗的影响不容忽略，若仍保持V/f为常数，则磁通将减小，进而减小了电机的输出转矩。

为此，在低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩。

可是，漏阻抗的影响不仅与频率有关，还和电机电流的大小有关，准确补偿是很困难的。

近年来国外开发了一些能自行补偿的变频器，但所需计算量大，硬件、软件都较复杂，因此一般变频器均由用户进行人工设定补偿。

针对我们所使用的变频器，转矩提升量设定为1%~5%之间比较合适。

2.3如何设定加、减速时间

 电机的运行方程式：

 式中：

Tt为电磁转矩；T1为负载转矩

 电机加速度dw/dt取决于加速转矩（Tt,T1），而变频器在启、制动过程中的频率变化率则由用户设定。

若电机转动惯量J、电机负载变化按预先设定的频率变化率升速或减速时，有可能出现加速转矩不够，从而造成电机失速，即电机转速与变频器输出频率不协调，从而造成过电流或过电压。

因此，需要根据电机转动惯量和负载合理设定加、减速时间，使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调。

检查此项设定是否合理的方法是按经验选定加、减速时间设定。

若在启动过程中出现过流，则可适当延长加速时间；若在制动过程中出现过流，则适当延长减速时间；另一方面，加、减速时间不宜设定太长，时间太长将影响生产效率，特别是频繁启、制动时。

我们将加速时间设定为15s,减速时间设定为5s。

2.4频率跨跳

 V/f控制的变频器驱动异步电机时，在某些频率段。

电机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运行，甚至在加速过程中出现过电流保护使得电机不能正常启动，在电机轻载或转动量较小时更为严重。

因此变通变频器均备有频率跨跳功能，用户可以根据系统出现振荡的频率点，在V/f曲线上设置跨跳点及跨跳点宽度。

当电机加速时可以自动跳过这些频率段，保证系统正常运行。

2.5过负载率设置

 该设置用于变频器和电动机过负载保护。

当变频器的输出电流大于过负载率设置值和电动机额定电流确定的OL设定值时，变频器则以反时限特性进行过负载保护（OL），过负载保护动作时变频器停止输出。

2.6电机参数的输入

 变频器的参数输入项目中有一些是电机基本参数的输入，如电机的功率、额定电压、额定电流、额定转速、极数等。

这些参数的输入非常重要，将直接影响变频器中一些保护功能的正常发挥，一定要根据电机的实际参数正确输入，以确保变频器的正常使用。

3结语

 综上所述，虽然制造商在开发、制造变频器时充分考虑了用户的需要，设计了多种可供用户选择的设定、保护和显示功能。

但如何充分发挥这些功能，合理使用变频器，仍是用户需要注意的问题，一些项目的设定值仍需摸索，以便用好变频器，充分发挥其在生产中的作用。

变频调速技术在应用中的节能分析

一、引言

在工业生产和产品加工制造业中，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，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，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-直-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。

流量-转速-压力关系曲线如下图所示。

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得出。

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（ηc·ηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2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由原来的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，从图中还可以看出：

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

W2=45×13×（95%－20%）×300=131625kW·h

W=W1＋W2=46035＋131625=177660kW·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：

W