变频器各种负载应用.docx
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变频器各种负载应用
变频器在各类负载中的应用
1.风机水泵负载类
风机水泵变频调速的节电原理：
如图示为离心风机水泵的风压、（水压）H-风量（流量）Q曲线
特性图：
ni-代表风机水泵在额定转速运行时的特性；
n2-代表风机水泵降速运行在n2转速时的特性；
R-代表风机水泵管路阻力最小时的阻力特性；
R2-代表风机水泵管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。
风机水泵在管路特性曲R工作时，工况点为A,其流量压力分别为Q、H,此时风机水泵所需的功率正比于H与Q的乘积，即正比于AHOQ的面积。
由于工艺要求需减小风量（流量）到Q，实际上通过
增加管网管阻，使风机水泵的工作点移到R2上的B点，风压（水压）
增大到H2,这时风机水泵所需的功率正比HQ的面积，即近比广BHOQ的面积。
显然风机水泵所需的功率增大了。
这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。
若采用变频调速，风机水泵转速由ni下降到n2,这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q,压力由H降到H3,这时变频调速后风机（水泵）所需的功率正比于H与Q2的乘积，即正比于CHOQ的面积，由图可见功率的减少是明显的。
风机水源节能的计算：
风机水泵流量变化量，如前所述，采用变频调速是节电之有效的措施。
如下的计算公式。
采用档板调节流量对应电动机输入功率PiV与流量Q的关系为：
2
RV〜[0.45+0.55（Q/QN）2]Pie
（i）
式中：
Pie――额定流量时电动机输入功率（kW。
Q――额定流量
变频调速时电机功率与流量关系为Pig（q/qn）3Pie需要注意的是水泵静压不为零时功率与流量不在保持比例而且为了保持最小需要的压力，转速不能随意降低，应该以最小需要的压力确定最低频率，防止频率过低引起的压力不足问题。
在串联风道的情况下，风机会被吹的自己旋转，启动过程容易过压保护，故变频器应设置成飞车启动模式。
在恒压供水系统中，功率只和流量的一次方成正比，不和转速的3次方成正比。
风机水泵并联运行风机水泵并联运行基本规律是并联后的总量等于并联各泵流量之和，并联后产生的扬程与各泵产生的扬程都相等
当并联水泵一台变频其余工频运行时，变频器应设最低运行频率，防止压力太小导致没有流量而白白消耗功率。
选择变频泵时应选择流量和扬程最大的一台。
如果变频带的泵太小容易引起喘振，即多启动一台工频泵压力太大，而少启动一台工频泵压力太小，造成频繁启停工频泵。
2.中央空调，在夏季的用电高峰，空调的用电量很大。
因而用变频装置，拖动空调系统的冷冻泵、冷水泵、风机是一项非常好的节电技术。
中央空调节能分析分解为水泵和风机节能分析不再叙述
3.破碎机类负载
冶金矿山、建材应用不少破碎机、球磨机。
破碎机具有负载冲击大启动转矩大地特点，变频器选型应加大一档。
变频改造后效益
1）节约能源
变频器控制破碎机与传统控制的破碎机比较，能源节约是最有实际意义的，根据所破碎的材料来调节电机转速工况是经济的运行状态。
2）提高破碎效果变频控制系统具有精确的转速控制能力，使电机的输出与负载相匹配。
用户可根据材料和所需出料粒度调节合适的速度，变频控制破碎机的输出力矩随着负载变化而改变，有效地提高了工况的质量。
3）延长破碎机的使用寿命变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。
球磨机的节能目前仅从两方面考虑，去掉液力偶合器使用变频器的节电率为8%，利用变频器的节能模式调节可有3%的节能，两项相加共有11%的节能，由此可见，对球磨机进行变频改造还是可以达到节能的目的。
需要注意球磨机是重载启动，变频器要加大一档，而且需配制动单元才能正常启动。
4.大型窑炉煅烧炉类负载冶金、建材、烧碱等大型工业转窑（转炉）以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串级调速或中频机组调速。
由于这些调速方式或有滑环或效率低，采用变频调速可大大提高系统可靠性减少维护时间，同时节约大量电能。
5.压缩机类负载
压缩机也属于应用广泛类负载。
低压的压缩机在各工业部门
都普遍应用，高压大容量压缩机在钢铁（如制氧机）、矿山、化肥、乙烯都有较多应用。
采用变频调速，均带来启动电流小、节电、优化设备使用寿命等优点。
6.皮带机类负载
皮带机驱动系统基本结构
启动停止方式
1）启动程序
制动器送电——松闸——电机送电——运行
2）停机顺序
电机停电——制动器停电——抱闸停机
1）.真正实现了皮带运输机系统的软起动
运用变频器对皮带运输机进行驱动，运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和皮带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在起动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。
2）.实现皮带机多电机驱动时的功率平衡应用变频器对皮带机进行驱动时，采用主从控制，实现功率平衡。
3）.降低设备的维护量变频器是一种电子器件的集成，它将机械的寿命转化为电子的寿命，寿命很长，大大降低设备维护量。
同时，利用变频器的软起动功能实现皮带运输机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部份的检修量。
相应的降低了维修费用。
4）.方便皮带检修和使用采用变频调速后，可将皮带机运行速度降到很慢，解决了以前由于皮带机运行速度过快而难于检修皮带的问题，提高了皮带的检修效率。
具有启动信号，停止信号、紧急停止信号、供电电源开关信号、远方/就地切换开关、报警复位开关功能
5）.节约能源
通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。
由电机设计和运行特性知道，电机只有在接近满载时才是效率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的
电能损失。
这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。
采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大节省了无功功率。
采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力偶合器这个环节。
而液力偶合器本身的传递效率是不高的，并且液力偶合器主要是通过液体来传动，而液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率可提高5%-10%在变频运行中，在运煤量不大的下或空载的情况下，可将皮带机的运行速度降低，也可节约一部分电量。
7.卷扬机提升机类负载卷扬机类负载采用变频调速，稳定、可靠。
铁厂的高炉卷扬设备
是主要的炼铁原料输送设备。
它要求启、制动平稳，加减速均匀，可靠性高。
原多采用串级、直流或转子串电阻调速方式，效率低、可靠性差。
用交流变频器替代上述调速方式，可以取得理想的效果。
矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。
提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。
山西某煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用提升机将煤车拖到地面上来。
这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电机的转速一定规律变化。
斜井提升机的机械结构示意如下图所示。
斜井提升机的
动力由绕线式电机提供，采用转子串电阻调速
目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器一交流接触器控制。
这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。
提升机电控系统不足之处挡位调节，调速不连续，运行中机械振动大，矿车冲击大，制动不安全；
（2）启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的2-3倍,有时会更大，如果加速快，甚至会引起总开关跳闸；
（3）调速时大量的电能消耗在电阻上，不但浪费严重，也造成工作环境的恶劣，空间噪声大；
（4）维修量大，不方便。
由于操作时交流接触器频繁动作，易造成触点及线圈的烧坏，转子更换碳刷频繁；
（5）耽误生产。
矿井是连续24小时工作，生产量大，任务繁重，由于电控系统设计落后，制造工艺落后，即使是短时间的维修，也会给生产带来损失。
矿山提升机普遍用串电阻调速方式，大量能量消耗在转子串联电阻上，而且调速复杂，故障率高维修难度大，冲击电流大，对电网容量要求大，采用变频调速可减小电网容量要求，无极平滑调速可减小系统冲击，避免掉道等故障。
采用变频调速后可用行程开关实现自动减速自动停车等。
变频器加装制动单元或回馈单元防止再生发电引起的直流过电压故障。
8.辊道类负载辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。
可用一台变频带多台电机V/F控制方式运行，降低设备成本。
对频繁正反转的辊道需加大变频器容量而且要加装制动单元防止变频器过压跳闸。
9.运送车类负载煤矿的原煤装运车或钢厂的钢水运送车等采用变频技术效果
很好。
起停快速，过载能力强，正反转灵活，达到煤面平整、重量正确（不多装或少装），基本上不需要人工操作，提高了原煤生产效率，节约了电能。
10.搅拌机类负载搅拌机械在化工、制药、食品、水产业、塑料等行业的生产过程中应用很广泛，搅拌机械在设计时均是按使用工况的要求考虑一定余量，而搅拌机在实际使用过程中，则不一定要在最大转速下工作，有很多时间都可以工作在非满载状态；传统的搅拌机通常不进行调节或采用机械方式调速；机械方式调速会增大搅拌机的损耗，同时会使搅拌机工作在波动状态，也使搅拌机设备工作在“大马拉小车”的状态，很不经济。
由于泵类设备的电动机在变频调速方式下运行时的功率与其转速（频率）的关系可知：
变频器调速方式的节能效果很高，胜过以往的任何一种调速方式，并可通过节能在较短的时间里收回投资。
因泵类负载与液体搅拌机负载相似，故通过在搅拌机设备上加装变频调速节能装置,则可一劳永逸的解决好传统搅拌机在使用过程中存在的很多题目，并可通过变频节能收回投资。
搅拌机变频方案
根据搅拌机配置及运行转矩大的特点，通常是在搅拌机上加装设一套变频器（选型比电机功率放大一档）调速装置；保存搅拌机原工频系统，并与搅拌机的变频系统互为备用可相互切换使用，工频与变频之间设互锁。
在实际工作的过程中，可以根据搅拌物料的特性以及加进其它化学物质的时间不同，可以采用变频器的程序运行功能，可以设定多段不同速度，不同时间的自动程序运行模式，大大减轻工人的劳动强度，进步生产效率。
利用变频器的通讯功能，配合工控机和组态软件等，还可实现与主控室进行联网控制，便于监控职员自动化治理。
为确保系统可靠性，建议在变频系统上增加工频软启动旁路装置，订做工/变频一体柜。
搅拌机改造变频调速装置的优点
1）.软启动/软停止方式可减小启动冲击电流；
3）.变频器带有智能保护，故障时可自动停机；
4）.可根据不同的工艺采用不同的转速；
5）.通过变频调速实现节能：
由于搅拌机的电动机在变频调速方式下运行时的功率与其转速的特性与泵类负载相似，即其运行功率与其转速（频率）的三次方成正比，粘度高的该比例会有所下降（一般会介于二次方与三次方之间）。
故使用变频器方式调速时还会获得很可观的节电率。
系统改造后的性能
（1）采用变频器控制，在满足使用要求的条件下达到了最大限度的节能。
（2）由于降速运行和软启运，减少了振动、噪音和磨损，延长
了设备维修周期和使用寿命，进步了设备的MTBF（均匀故障维修时间）值，并减少了对电网冲击，进步了系统的可靠性。
（3）系统具有各种保护措施，使系统的运转率和安全可靠性大大进步。
（4）变频调速控制系统与工频控制系统可设定互为互锁，不影响原系统的运行，且在变频调速闭环控制系统检验维护或故障时，原工频控制系统照样可以正常运行。
11.特种电源类负载
许多电源，如实验电源、飞机拖动电源（400Hz）都可用变频
装置来完成，好处是投资少、见效快、体积小、操作简单。
12.磨床等机械类负载
磨床主轴惦记转速很高，需要电源的频率也高，有200Hz、
400Hz甚至800Hz。
以前主轴电机的电源多由中频发电机组拖动。
中
频机组体积大、效率低、噪声多、精度差。
13.注塑机类负载注塑机是塑料加工成型的关键设备，数量多，耗电大。
过去的节电方式多为通过△型（三角型）转换成丫型（星型）来节电的，效果一般。
采用变频调速不改变注塑机原来的结构，控制油泵几个过程的压力或流量（如锁模、合模、射胶、保压、脱模、退模等），可节电20%〜52%较好的取代了过去的比例阀节流调速方式，大幅度降低能耗，改造注塑机时，要注意合模加速，否则产量降低，注意输入端和输出端的谐波干扰。
注塑机工作原理：
电动机带动油泵从油箱吸油并加压输出，经各种控制阀控制油的压力、流量和方向，以保证工作机构以一定的力（或扭矩）和一定的速度按所要求的方向运动。
从而实现注塑的各过程。
耗能所在：
定量泵注塑机油泵速度不可调，多余的油经溢流排入油箱
—
十油泵电机定量裁E）®
传统定量泵注塑机通常在需要改变负载流量和压力时，用阀门调节,这时输入功率变化不大，大量能量以压力差的形式损耗在阀门上，生溢流。
变频器可根据注塑机当前的工作状态，如锁模、射胶、熔胶、开模、顶针等阶段以及压力和速度的设定要求，自动调节油泵的转速，调节油泵供油量，使油泵实际供油量与注塑机实际负载流量在任何工作阶段均能保持一致，使电机在整个变化的负荷范围内的能量消耗达到所需的最小程度，彻底消除了溢流现象，并确保电机平稳、精确地运行。
根据注塑机的工艺过程，画出系统油压p与时间t的关系图如下图：
注射一燥压,冷却
合模
脱檯开模
间隙期
4
一个周期工作流程
►
系螃柚压与时闻关系
由图可见，合模和脱模，开模系统所需油压较低，且时间较短；而注射，保压，冷却系统所需油压较高，且时间较长，一般为一个工作周期的40%~60%，时间的长短与加工工件有关；间歇期更短，这也与加工工件的情况有关，有时可以不要间歇期。
以上的图只是一种简单的近似表示，实际上，如果注射的螺杆用油马达驱动，注射时的系统油压会高一些。
注塑机加工工件的重量，从数十克到数万克不等，最大注塑机已到92000克。
因此，注塑机就有中，小型和大型之分，加工数十克的小工件和加工数千克的大工件一个周期的时间也是不相同的；就是对同一台注塑机，加工工件的原料不同，各段工艺流程中所需的压力和时间也是变化的。
这些工艺参数的设定，是由现场技术员根据经验数据和试验的情况制定的。
从上图可见，一个周期工作流程中，负载的变化导致系统压力变化比较大，但油泵仍在50Hz运行，其供油量是恒定不变的，多余的液压油经溢流阀流回油箱，做无用功，白白地浪费了电能。
对油泵进行变频调速，将定量泵改变为类似变量泵的特性。
系统所需压力较高时，油泵电机50Hz运行，所需压力较小时，变频器降频运行。
电机输出的轴功率与油泵的出口压力和流量的乘积正比，油泵电机转速降低后，输出轴功率降低，就可以达到有效节能，一般节电率在20%~50%。
使用变频器同时可使注塑机油泵电机实现软起动，提高电机的功率因数，动态调整注塑机马达的输出功率等达到节能的目的。
14.石油钻机负载
石油钻井采用交流电机变频调速要比直流调速好得多，尤其是在风沙、灰尘大的地方，因为交流电机可靠。
钻井过程分为起落井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。
主要分为绞车，转盘和泥浆泵等。
绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成，用来起落井架，提升和下方钻杆、套管。
随着井深的增加，钻具越来越长，重量迅速加大，绞车的负载也越来越大。
我国目前已有7000m深的油井，其钻具近600t重。
由于每转进约9m就要提升下放钻杆1次，因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。
为降低成本，希望在野外或海上的作业时间越短越好，这不仅要求绞车宁高速运行，平稳起停，以保证不损坏钻井设备并提高井的质量，还要求驱动设备具有良好的动态特性。
如果在内线井区作业，电源可与井区电网相连，下放钻杆时电机工作在发电状态，能量可回馈电网，节能效果显著。
转盘和绞车可共用同一套驱动系统和电机，钻杆加长后，驱动部分切换到转盘，由转盘带动钻具旋转，实施钻进作业，司钻工通过调节转盘转速和压力来改变钻进速度。
转盘正常工作时为正转，处理卡钻时需反转以收回钻头，为防止钻杆正转时折断或反转时脱扣，要求电机输出转矩平稳，调节灵活且设定限幅值，同时电机的刹车部
件也是必不可少的。
泥浆泵相当于整个钻井设备的心脏，它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。
泥浆从钻杆内部自上而下注入，流过钻头后，再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出，在这一过程中，泥浆协助钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑，而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力，以避免井喷，象血液在人体内循环，运送营养，带走废物。
泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。
15.潜油电泵类负载
潜油电泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。
由于潜油电泵的机组与泵是在地面以下两千多米的井底工作，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），传统的供电方式全压、工频
使它故障频繁，运行成本大增。
潜油电泵损坏后提到地面上来修理，仅工程费一项就达五万元，价值十万元的电缆平均提上放下五次就须更换，潜油电泵平均每十个月就须维修一次，维修费用约八万元。
传统的供电方式危害甚多，例如：
启动电流过大，会损坏电机绝缘
产生冲击扭矩，损坏机泵结构；
泵突然产生较大吸力，容易吸入沙子，造成卡泵。
且无稳压系统和井下液面波动较大，造成电压、电流不稳定，使潜油电机过励磁和欠励磁，引起故障。
潜油电泵全速运转，当井下液量不富余时，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，则损失惨重。
两千米的井下电缆带来了150V左右的线路损耗，由于这部分损耗无法补偿，从而影响了电机的正常工作。
潜油电泵专用变频器的应用潜油电泵在工频启动时，启动电流大，电机电缆的压降较大，使得电机电缆在启动过程中的反压较高，使绝缘性能降低，每次开机都会使电泵寿命大打折扣，大大影响了潜油电泵的使用寿命。
潜油电泵在正常工作时，普遍存在着电机负载率较低的情况，“大马拉小车”现象严重。
潜油电泵的功率因数都较低，无功损耗较大，耗电量多。
根据油田开发方案的要求，潜油电泵应根据地质情况的变化，调节抽油量。
传统的调节方式是靠更换油嘴来调节产量，这样既造成能量损失又不能精确地控制。
有时使得电机与泵长期在高压状态下运行；有时使得油井出沙严重，使设备寿命缩短，不能符合开发方案的要求。
要解决以上问题，只有采用变频控制系统，调节油压、调节产量。
潜油电泵用变频器调速有以下特点：
1、可实现电泵软启动、软停车，延长电泵的使用寿命，保护电机、电缆，节约维修费用。
2、提高电泵系统的功率因数，节电效果明显。
3、提高管网的品质，可实现电泵系统的闭环控制，增加电泵系统的工作安全性。
4、可靠性高，操作方便，可以实现输出电压、电流的连续调节，以达到输出功率连续可调的目的，使电泵采油系统处于最佳工作状态。
5、提高生产效率，便于整体管理及调度，可实现电泵系统的集散控制。
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