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变频器行业应用技术方案

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:306

  作者:党卫军单位:西安银海机电科技开发公司
  第一章 变频恒压供水
  一、产品系列简介
  VF系列变频恒压无塔供水系统采用国际上先进的交流电动机变频调速技术,对水泵进行调速以达到恒压供水的目的。该系统由以下几部分组成:
  (1)压力传感器将管网上压力信号变化量转化为电信号变化量,输给PID控制器。
  (2)PID控制系统将电信号经分析运算后,输出给变频调速器。
  (3)变频器按PID的信号控制水泵转速以调节水压。
  (4)用户根据实际情况在PID上设定所需压力值,该系统根据用户用水量的变化,随时自动调节水泵转速,以维持恒压变量供水,从而大幅度的节约电能,提高供水质量。
  1. VF系列:
  通过用供水专用控制器或PLC配套PID、压力传感器等来控制变频器按一定的顺序轮流驱动1台或多台水泵变频运行。变频器能根据压力闭环控制要求自动确定运行泵台数(在设定范围内)同一时间只有1台泵由变频驱动,当变频驱动的泵运行到设定的上限频率而需要增加泵时,变频器将该泵切换到工频运行,同时驱动另一台泵变频运行。(例如:如一套系统,3台15KW水泵,当打到自动恒压供水时,按启动开关开始工作,变频器首先起动第一台水泵;当单台水泵达到最高转速(即频率50HZ=工频时)仍达不到所设定的压力,这时PLC或供水控制器将这台水泵切换到工频运行,变频器带运下一台水泵启动并控制其转速;当第二台泵到最高转速(即频率50HZ=工频时)还达不到所设定的压力,PLC或供水控制器将第二台泵也切换到工频,变频器将带动第三台水泵运行并控制转速以满足供水压力。当用户用水量变小,变频器首先降低第三台水泵转速;当转速降到5HZ时接近停机时,管网压力仍然偏大时,PLC或供水控制器将前三台的某一台水泵停机,变频器继续对水泵进行转速调节,以此得到管网恒压。(见后VF10恒压供水主回路图)
  2. VF消防与生产生活系列:
  控制柜是具有宽范围恒压控制系统,适用于生产与消防用水共用一个管网,设定低恒压用于生活,高恒压用于消防。VF消防供水设备系列:
  3. 消防供水系列
  1号、2号为稳压泵,3号、4号为消防泵。平时1号、2号稳压水泵一直交替工作,始终保持管网系统压力,当出现火情打开消火栓时,水流指示器发出信号,通过控制系统自动启动水泵3号、4号。其中3号、4号互为备用。该设备采用微机控制,具有自动启动泵功能,也可用变频控制,根据用不同的消防压力要求,设定不同的消防压力。
  二、产品性能与特点
  1 VF系列恒压变量供水系统设计合理,操作方便,运行安全可靠, 无需水塔和高位水箱及气压罐就可以做到高质量安全供水。本设备占地面积小,只需水泵机组和一个变频器控制柜的位置。
  2 由于无需制造高位水箱和压力罐,节省了大量钢材,从而大大减轻了自重,便于运输和安装。
  3 由于该系统采用了闭环自动控制,可随时根据用户情况调节水泵转速,从而改变供水量。由于水泵耗电功率与水泵电机转速三次方成正比关系;所以水泵调速运行时节电效果非常显著,平均耗电较通常的供水方式可节电30%--50%。
  4 水泵电机采用变频器软启动方式,无大电流冲击。
  5 全部自动调节控制,无需专人值班。
  6 保护功能完善,具备故障自动诊断,及配有自动应急装备。
  7 压力自动显示,便于调试安装。
  8 用多台小泵代替大泵,电机单机容量降低了1/2—1/3。避免了大马拉小车的现象,减少了功率损耗。
  9 供水范围宽,可根据用户需求选择不同水泵及台数。
  10 本系统具有睡眠功能,在管道加装逆止阀门,管网保持压力在一定范围内时,整个系统将停止工作(睡眠),节约电能,将管网压力不够时,系统将自动恢复工作。
  三、变频调速恒压供水原理
  四、规格型号及使用范围
  VF10-15-2
  注:1. VF10代表变频无塔供水设备类型 2. 15代表水泵功率(KW) 3.2代表水泵台数
  五、安装调试与使用
  六、运行注意事项
  七. 应用范围
  ●高层建筑、生活小区等各类建筑中取代高位水池(水塔)、提供生活用水、消
  防用水。
  ●中小型水厂、加油泵站、污水处理厂站。
  ●工矿企业生产用水(例如化工、纺织、印染、钢铁等企业都需大量用水)。
  ●采暖、空调用的冷、热水循环系统。
  ●各种输油系统
  ● 特殊场合,如舰艇、军事基地、人事设施等。
  八.技术参数
  ●1、流量范围 0~4000m3
  ●2、压力范围 0~2.7Mpa
  ●3、电机单机容量 0.18~250KW
  ●4、系统效率 >95%η
  ●5、调节精度 5%或±0.02Mpa
  ●6、调节稳定时间 ≯40S
  ●7、控制方式 PID控制,模糊控制
  ●8、噪声 ≯水泵定额
  ●9、通讯接口 RS/232/485/422
  第二章 火电厂变频变频节能改造
  1前言
  目前,在我国电源结构中,火电装机容量占74%,发电量占80%;水电装机容量占25%,发电量占19%;核电仅占1%左右,因此火电机组及其辅机设备的节能改造工作是非常重要的。火电厂中的各类辅机设备中,风机水泵类设备占了绝大部分,蕴藏着巨大的节能潜力。由于火电机组调峰力度的加大,这些机组的负荷变化范围很大,必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节,由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗,而电动机的输出功率并没有多大改变,所以浪费了大量的能源。随着电力行业的改革不断深化,厂网分家,竞价上网政策的逐步实施,降低厂用电率,降低发电成本,提高上网电价的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济目标,要求越来越迫切。风机水泵类负载采用调速驱动具有非常可观的节能效果,这已是共识。
  另外,交流电机的直接起动(尤其是高压电机)会产生巨大的电流冲击和转矩冲击,在很短的起动过程中,转子笼型绕组及阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力,致使笼条的端环断裂。直接起动时的大电流还会在定子绕组的端部产生很大的电磁力,使绕组端部振动和变形,造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损,从而导致定子绕组绝缘击穿。直接起动时的大电流还会引起铁芯振动,使铁芯松驰,引起电机发热增加。在火力发电厂中,高压大容量交流笼型异步电动机的使用非常广泛,由于直接起动而造成的电动机烧毁和转子断条事故屡屡发生,给机组的安全经济运行造成很大的威胁。因此大容量异步电动机采用软起动方式,对于延长电动机的使用寿命,减少对电网的冲击,保证机组正常运行是非常必要的。由于电动机的变频软起动可提供高的起动转矩并可做到平滑无冲击,所以采用变频器实现软起动的效果也是非常突击的。同时,采用调速驱动,还可以有效地减轻风机水泵叶轮的磨损,延长设备使用寿命,降低运行噪声。还有运行工艺对辅机设备的控制性能的改善也是十分迫切的,例如锅炉风机和给粉机的调速控制,可以大幅度地改善炉内的燃烧工况,从而节煤、节水,并可节省这些物料的运输,处理能量等。工艺条件的改善可以创造巨大的经济效益,已不再简单地局限在节能的范畴,人们会很快地认识到这一点,并迅速行动起来。
  本公司针对发电厂各种高低压辅机电动机的实际运行工况,逐一地进行节能改造方案举例。
  2 风机
  风机是火力发电厂重要的辅助设备之一,锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的增大,电站锅炉风机的容量也在不断增大,如国产200MW机组,风机的总功率达7140kW(其中,送风机二台2500kW,引风机二台3200kW,排粉风机总功率1440kW),占机组容量的3%以上。因此,提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。
  2.1 风机的运行状况和节能效果
  我国电站风机已普遍采用了高效离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因:
  一.风机的调速性能差
  二.运行点远离风机的最高效率点。
  我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%,风压裕度分别为10%和10%~15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。
  电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离,从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下,采用调节门调节的风机,在两者偏离10%时,效率下降8%左右;偏离20%时,效率下降20%左右;而偏离30%时,效率则下降30%以上,对于采用调节门调节风量的风机,这是一个固有的不可避免的问题。可见,锅炉送、引风机的用电量中,很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此,改进离心风机的调节方式是提高风机效率,降低风机耗电量的最有效途径。
  2.2 风机调速节能改造方案分析
  (1) 对于常年带满负荷的机组根据生产状况,大部分所配置的风机及电动机在设计时考虑各方面因素,都加大容量。而电动机转速是恒定不变的,总是满负荷运转,这样风机产生的风量及风压需要安装一个放风调节阀来调节风量因而浪费电能,及产量和质量提高。同时产生很大的噪音,造成噪音污染。我们的方案如下:
  一、 当风量裕度在10%左右时,此时只要采用调节阀门调节即可,不必采用变速调节。
  二、 当风量余度大于10%时,采用变频调速非常经济,安装变频器来控制电动机转速则可不用调节阀调节风量,,风压基本保持恒定。所需风量大小由窑面操作人员根据情况随时调节变频器的运程控制器,即调节变频器输出频率(0~50Hz)大小达到控制风机转速快慢,最终控制风机产生的风量满足工作要求。或在风道安装压力传感器组成闭环系统,实现风机的自动控制。
  三、 优点:
  1、 安装变频器后,主要是采用软起动,消除起动时产生瞬间冲击力,对电动机和风机可起到保护作用,另风机发生故障时,变频器可以自动断电,对电机起保护作用。
  2、 在风机风量有富余放空情况下,安装变频器后,可保证节电效果在30%以上。一般在6~10个月回收成本。
  3、 降低噪音污染,提高电机功率因数,达到0.98以上,起到环保节电作用。
  (3) 风机的功率一般在1000~2000kW,在目前的功率器件耐压条件下,采用高压IGBT和IGCT的三电平中压变频器,是目前的最佳选择方案。这种变频器的功率器件不串不并,可靠性最高,逆变单元采用12只HV-IGBT或IGCT,使用的功率器件最少,成本最低,体积最小。输入采用12脉冲整流器,网侧谐波小;输出采用LC滤波器,电流波形好,总的谐波畸变率THD<1%,适合于任何笼型异步电机,且不必"降额"使用。输出电压等级有2.3kV,3.3kV和4.16kV,对于我国的6kV电机,可将电机进行Y/△改接,线电压为3.47kV,考虑风机一般均有设计余量,因此采用3.3kV的变频器,完全能满足要求。对于老设备的改造特别有利,是目前最为经济合理的改造方案。
  3 水 泵
  火力发电机组必须配备的水泵主要有锅炉给水泵、循环水泵和凝结水泵,其次还有射水泵、低压加热器疏水泵、热网水泵、冷却水泵、灰浆泵、轴封水泵、除盐水泵、清水泵、过滤器反洗泵、生活水泵、消防水泵和补给水泵等。这些水泵数量多,总装机容量大:50MW火电机组的主要配套水泵的总装机容量为6430kW,占机组容量的12.86%;100MW机组为10480kW,占10.48%;200MW机组为15450kW,占7.73%。100MW机组主要配套水泵的总耗电量约占全部厂用电量的70%左右。由此可见,水泵确实是火力发电厂中耗电量最大的一类辅机。因此,提高水泵的运行效率,降低水泵的电耗对降低厂用电率具有举足轻重的意义。
  3.1 给水泵
  与风机一样,由于设计中层层加码,留有过大的富裕量,造成大马拉小车现象之外,由于采用节流调节,为满足生产工艺上的要求,造成更大的能源浪费现象。一台200MW发电机组的给水泵,其电动机功率达5000kW,水泵的出口压力为25.0MPa,而正常运行时的汽包压力为16.5MPa。水泵的出口压力与正常的汽包压力之间的差别如此之大(8.5MPa)的原因有两个:
  (1) 考虑到锅炉检修以后打水压试验的需要;
  (2) 为给水调节阀前提供较大的压力,以提高调节系统的反应速度。
  由以上分析可知,当电动机定速运行时,为了维持汽包压力在正常值,必须在给水管道上加装给水调节阀,增加阻力,以至消耗大量的能源。若电机采用调速驱动,则可用改变电动机的转速来满足不同的压力要求,节省了因阀门阻力引起的附加损耗,达到节能的目的。同时以调速方法改变压力的响应速度远比改变阀门开度来得快,使锅炉汽包水位自动调节系统的反应加快,改善了锅炉给水调节系统的性能。
  为了降低水泵的能耗,除了提高水泵本身的效率、降低管路系统阻力、合理配套并实现经济调度外,采用调速驱动是一种更加有效的途径。因为大多数水泵都需要根据主机负荷的变化调节流量,对调峰机组的水泵则尤其如此。根据目前我国电网的负荷情况,大多数125MW机组已参与调峰,为扩大调峰能力甚至一些200MW机组也不得不参与调峰运行。为这类调峰机组配套的各种水泵最好采用调速驱动,以获得最佳节能效果。例如,有一台国产200MW机组配备三台DG400-180型定速给水泵,当主机负荷为180MW时运行两台泵,调节阀的节流损失高达2.2MPa,仅此一项每年浪费电能883.9万kW?h。如果改用一台全容量调速给水泵则可以节省大量电能(表1)。由表1可见,当主机采用定压运行方式时,可平均节电20%,当主机采用定-滑-定运行方式时可平均节电30%。以上是没有考虑给水焓升变化的计算结果,如果考虑调速泵中给水焓升较小,则平均节电率将下降3%~5%。
  从效率变化方面来看,节流调节法在工况改变时泵的效率曲线不变,因此随着流量减小泵的效率下降比较快,而转速调节法当水泵转速改变时,泵的效率曲线也相应改变。因此,可以保证泵始终在高效区范围内运行。
  如果管路系统的静扬程H0=0(例如水平开式供水的情况),那么管路系统阻力曲线近似于相似抛物线,泵的运行工况点近似于相似工况点。这样,泵在变速运行过程中性能参数的变化可用比例定律表示,由(1)式可得:
  因此,用转速调节法调节流量可以大幅度节约电能。譬如流量下降到额定流量的80%,轴功率将下降到额定值的51%;如果流量下降到50%,那么轴功率可以大幅度地下降到13%。当然,实际上还要考虑调速装置的滑差损失等因素,即使如此节电效果也是十分可观的。如果静扬程H0不太大,也可以近似用比例定律来估计调速节能的效果。
  以上叙述了一台泵单独供水时调速节能的原理,火力发电厂中单泵供单炉的单元制给水系统就属于这种情况。但是,单机容量100MW以下的火力发电厂基本上采用母管制给水系统,这种系统根据所需给水量的变化增减运行泵的台数,即所谓台数调节法。
  如果泵的台数比较多,采用这种方法也可以使各泵的运行工况点接近于高效区,所以运行经济性也比较好。有些给水系统还配备了流量大小不同的给水泵,根据负荷进行大小泵搭配运行,即所谓经济调度,这样运行经济性会更好些。但是,为了最大限度地提高运行经济性,最理想的方案还是转速调节,因为台数调节法仍然存在一些节流损失,而且在变负荷时泵的运行效率仍然有些降低,图3表示采用台数调节法与转速调节法时泵轴功率的差异。
  另外,与转速调节法相比,台数调节法不仅经济性差,而且安全性也差,因为它必须根据负荷经常起动和停泵,增加了不安全因素。
  由于给水泵的功率大,一般在5000kW以上,采用变频调速虽然性能优越,但是成本太高,投资回收周期长,在目前还不能满足给水泵节能改造的要求,随着电力电子技术的发展,给水泵实现变频调速也是完全可能的。目前300MW机组的给水泵一般采用小汽轮机调速驱动,200MW及以下机组则大部分可采用液力耦合器调速。液力耦合器虽属低效调速方式,但是即使在低转速比时,相对节流调节而言,也有明显的节能效果,并且因其投资少,见效快,资金回收周期短,在老机组和中小机组节能改造工程中,不失为一种经济实用的改造方案。
  3.2 循环水泵
  循环水泵是为火电机组凝汽器系统提供冷却水的重要辅机设备,为大流量低扬程轴流泵。一般小机组为母管制,大机组为单元制。其运行方式为随机组长期连续运行。一般一台机组为两台泵,冬天一台泵运行、夏天需两台泵运行。为了运行的可靠性,也有设计三台泵的,一台运行,一台备用,一台检修。
  循环水泵目前大多采用动叶可调的轴流泵,但是由于是定速运行,因此很难适应季节和负荷的变化,造成冷却水的大量浪费。若采用变频调速改造,既可节能降耗,又提供了循环水的流量调节手段,使机组保持最经济的运行状态。
  循环水泵的电机功率一般在2000~3000kW,采用中压变频器改造比较合适,考虑到其运行方式,也为了节省改造经费,可采用一拖三方案,即用一台变频器分别拖动机组的三台循环水泵。冬季和低负荷时,一台泵调速运行;夏季和高负荷时,一台泵定速运行,一台泵调速运行。调速泵采集汽机调节级压力,大气压力,凝汽器真空及泵的出、入口水温等信号经控制系统处理后,给变频器输出4~20mA的速度给定指令信号,实现泵速自动调节,确保循环水倍率,提高冷却效果。
  3.3 凝结水泵
  凝结水泵属中低压冷水泵,其吸入侧为真空状态。一般一台机组设计2台泵,一台运行,一台备用,每台泵的出力均为110%额定流量;大机组采用3台泵,二台运行,一台备用,每台泵的出力均为55%额定流量。目前存在的问题是:
  (1)由于凝结水泵定速运行,靠出口电动调节门的节流控制,节流量大,出口压力高,经常发生泵的格兰大量漏水造成热量和水量损失,地面污染,导致不能正常运行甚至损坏泵。
  (2)电动调节门是电动机械结构,线性度差,存在调节滞后,调节品质差的问题影响了调节系统的稳定性。经常出现无水位运行状态,导致泵的严重汽蚀;因为是立式泵,水泵轴向窜动严重,电流晃动大,轴承损坏,疏水管道振动和泄露等故障,增加了泵的维护工作量,经常要倒泵,影响机组安全运行。
  (3)由于采用定速泵出口门节流调节方式,无法稳定控制凝汽器热井水位,热井水位时高时低,运行人员操作频繁,严重影响机组的安全经济运行。
  凝结水泵采用变频调速改造,除了节能效果外,还可收到良好的工艺控制效果,提高机组的安全经济运行水平。凝结水泵的功率一般为500~1500kW,采用中压变频器较为合算。对凝结水泵进行变频改造,采用一拖一方案。要求正常情况下,一台变频泵运行,另一台变频泵备用,当一名变频泵的开关因故跳闸时,另一台变频泵的开关自投,以确保机组安全运行。
  3.4 灰浆(渣)泵
  灰浆(渣)泵是将煤在锅炉中燃烧后冲到灰浆池中的灰浆、灰渣排到贮灰场的设备。一般两台机组共用,配置3台泵,每台泵的出力为110%额定流量。还要外加一台清洗水泵,用来冲洗灰浆(渣)泵及管道的积灰。
  其运行方式是三台泵轮流间断运行,因为如果某一台泵长期不运行的话,出口会被灰浆、灰渣堵死,再次开泵时会造成电机过载而烧坏;另外若一台泵开着,时间不长就会将灰浆池抽干,泵空转引起汽蚀,而停泵若超过半个小时,灰浆池又会溢出,如再次开启才停运的泵,则容易因为过热而引起电机损坏。因而操作频繁,泵和电机损坏严重。
  因此,灰浆泵是发电厂中最需要进行变频改造的泵,而又是进行变频改造经济性最差的设备。因为,灰浆泵的容量为300~500kW,为6kV高压电机,若采用6kV高压变频器,没有这个功率等级的设备,一般都在1000kW以上,设备的电流利用率低,投资高,不划算。且灰浆泵的调速改造主要是改善工艺条件和延长设备的使用寿命,减少维修量,节能效益不大。
  因此,可采用高-低-低方案,即用一台变压器将电压6kV降为380V或690V,用380V(或690V)低压变频器,将6kV电机换成380V或690V电机,较为经济合理。为了进一步节省投资,可采用“一拖三”方案,即用一套变频调速装置,轮流拖动三台泵运行。由于灰浆泵为间断运行方式,泵的切换可采用“冷”切换的方式:停泵--切换--启动另一台泵。
  其它还有低加疏水泵,热网水泵,清水泵,补给水泵和生活水泵等,均为低压电机拖动,可根据其运行状况设计合理的改造方案,这里不再一一赘述。
  4 燃料制备系统
  我国绝大部分火电厂是以煤为燃料的,在机组启动和稳燃期间也用油燃料(轻油、重油)。燃料制备系统主要有卸煤输煤设备,磨煤机、给煤机、给粉机、排粉机和供油泵等设备。
  4.1 磨煤机
  一般中间贮仓式制粉系统只采用钢球磨煤机,每台机组配备2台以上,出力储备系数>1.15。磨煤机的控制根据粉仓粉位信号采用台数调节法,磨煤机不必采用变频调速。若机组负荷变动大,磨煤机起动频繁的话,则要解决的是磨煤机的起动冲击问题,但是仅仅为了解决起动问题而采用高压电机软起动器的话,也不够经济,并且软起动器对于需要重载起动的磨煤机也作用不大,这时可进行给粉机的变频改造以改善燃料控制手段;或增加粉仓容量以减少磨煤机的起动次数。
  对于直吹式制粉系统,每台锅炉配备中速磨煤机或风扇磨煤机4~8台,其中必须有一台备用。当锅炉带额定负荷运行,须6台磨煤机工作时,允许有2台备用;对于双炉膛锅炉,每个炉膛宜各设一台备用磨煤机。直吹式制粉系统的燃料(煤粉)是靠排粉风机(对于负压送粉系统),或一次风机(对于正压送粉系统)送入炉膛燃烧的,为了改善进入炉膛的燃料的可控制性,可对排粉风机或一次风机进行变频调速改造,而磨煤机则根据锅炉负荷需要采用台数调节。
  4.2 给粉机
  对于中间贮仓式制粉系统,燃料(煤粉)是通过给粉机送入炉膛的,改变给粉机的转速即可改变给粉量。以前多采用滑差电机进行转速调整,存在许多问题,现在均用变频器来改变其转速。给粉机都是3kW的小电机,每台锅炉8~16台,实现变频调速主要是改善控制工艺,配合风量的变化改善锅炉燃烧控制系统的调节品质,有利于机组协调控制系统的投入,改善整个发电机组的控制性能。
  4.3 给煤机
  磨煤机所需的煤量是由给煤机输送的。由于煤种及磨煤机工况随时改变,给煤量也是要改变的。原来受技术条件的限制,给煤机存在调速不稳定,下煤不均匀,造成磨煤机存煤量变化频繁,导致磨煤机入口负压,出口温度大幅度波动,不利于机组安全经济运行,跑粉、堵煤严重。现在均用变频器调节给煤机的转速,改善了给煤的可控性,并作为制粉系统协调控制的子系统,为实现制粉系统自动化,降低电耗创造了条件。
  4.4 供油泵
  供油泵是在机组开、停机时或者低负荷时炉膛燃烧不稳定时为锅炉提供燃油的设备,一般两台机组共用一套燃油系统,配备三台供油泵,一台运行、两台备用。机组稳定运行时,锅炉的燃料是煤粉,理论上供油泵可以全部停运。但是为了应付由各种原因造成的锅炉燃烧不稳定的紧急情况,为确保机组安全运行,规程规定要有一台泵长期运行,以维持燃油的正常循环。这种运行方式的缺点是:除了浪费能源外,燃油长期高速流动,造成贮油罐温度升高,特别是在盛夏高温季节,油罐温度可高达50℃,造成严重的安全隐患,供电管路长期呈高压状态,管道阀门,活结等管件容易发生渗漏,增加了设备维护工作量,也影响了环境。若改用变频调速,正常情况下让油低速循环,就可免除上述隐患,又能在紧急情况时保证锅炉的供油。供油泵为低压电机,可采用低压变频器一拖三带工频旁路的方案,比较经济实用。
  5 结 论
  鉴于发电厂辅机电动机调速节能的巨大经济潜力,和面对厂网分家,竞价上网的严峻形势,发电厂辅机调速节能改造势在必行。各种调速方式在性能指标、节能效果、资金投入等方面各有其优缺点,因此在采用何种调速方案进行节能改造方面,也没有一个统一的章法。本文提出的一些改造方案,是根据一般电厂的情况提出的,仅供参考。各电厂应根据本厂机组的具体情况,如负荷情况(是否调峰),辅机电动机设计余量,场地位置,资金投入等情况全面考量,选择适合本厂具体情况的节能改造方案。
  考虑到发电厂生产的具体情况,在进行节能改造时应遵循以下几个原则:
  ① 安全第一的原则 辅机电动机作为发电厂的主要动力源,可靠稳定运行是最基本的,安全是前提。
  ②节能降耗的原则 调速改造的目的是为了节能降耗,系统节能率越高越好,至少达到30%。其次是改善控制性能,提高机组整体效益。
  ③ 投资回收期短的原则 节能改造,要求低投入,高回报,要求调速改造工程的投资回收期尽可能的短,最长不能超过五年。这对发电厂节能改造是个苛刻的要求,因为发电厂的上网电价要比一般工矿企业的电价低许多,一般为50%左右。因此在发电厂进行节能改造时更要讲求经济性。
  ④ 系统改动最小的原则 改造工程应尽可能避免更换原有电机,减少系统的改动。但是为了改善电源结构,消除原有系统的不合理因素或设备选型严重不当等原因,也可进行较大的改造,总之应遵循经济合理的原则。
  ⑤ 空间适宜的原则 改造工程应根据原系统安装空间允许的原则考虑,既要满足设备对环境的要求,又要尽可能安装在现有的厂房,机房或控制室等建筑物内,避免增加土建工程。
  对于随机组长期连续运行的重要设备,如送、引风机,进行变频调速节能改造时,都要采用一施一方案,即一台设备配置一台110%容量的变频器,并且要设计工频旁路系统,当变频器故障时将设备切换到电网运行。为了避免因设备的切换影响机组安全运行,还要设计同步切换(Bypass)控制功能,实现真正的平稳无扰动切换。对于可以间歇工作的设备,如灰浆(渣)泵等,为了降低改造成本,可以采用“一拖N”方案,但必须采用“冷”切换方式,以保证变频器和拖动设备的安全。
  变频器在火电厂给粉系统的应用
  1 概述
  火电厂大型煤粉锅炉的煤粉由磨煤机磨制。制粉系统分直吹式和储仓式二类。储仓式系统一般采用钢球式磨煤机,送粉采用乏气送粉或热风送粉。采用储仓式系统的锅炉,燃煤量应随负荷及工况变化而改变,而改变燃煤量的手段是通过改变给粉机的转速来实现的。采用直吹式系统的锅炉,当负荷及工况发生变化时,是通过直接改变给煤机的给煤量,即调节给煤机转速来改变锅炉的燃煤量。以往的煤粉锅炉一般采用直流调速、调压调速或滑差电机等调整手段,其中以滑差电机进行调速较为普遍,此种方法存在设备复杂、操作繁琐、运行可靠性差、调速精度及线性度差、能耗高、维护工作量大等缺点。近年来,随着变频调速技术的迅速发展,变频调速器以其体积小、重量轻、可控性可靠性高、通用性强、调速范围大、特性硬及节能等优点,倍受人们的青睐。本文就以变频器在邵武发电公司2×125MW机组锅炉给粉机上的应用及改进为例,阐述变频调速技术在火力发电厂中的应用及其发展前景。
  2 锅炉给粉机变频调速的工作原理及结构
  2.1 电动机调速原理
  由电动机特性可知,异步电动机输出轴转速(简称电机转速)为:
  n=(1-s)×60×f/p r/min
  式中,n—电动机同步转速
  f—电动机定子供电频率
  p—电动机极对数
  s=(no-n)/no—为转差率
  显然,改变公式中的参数f、p和s,便可改变电机的转速。
  以往的电机调速大多通过改变参数p和s实现的。由于给粉机所配用的交流异步电动机的转速与同步转速之间的转差率s极小,若将这一微小差别忽略不计,则上述公式可近似等同于给粉机电机的转速公式。变频调速就是通过均匀地改变定子供电频率f,平滑地改变电动机的转速,并且在调速过程中,从高速到低速均能保持有限的转差率,因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能,以及足够强度的机械特性。
  2.2 给粉变频调速特性
  (1) 调速范围
  理论上讲,采用变频器调速其范围为0~100%。但是,根据不同类型的锅炉及煤种,一般应将转速限制在30~1200rpm,这可通过设定变频器的V/f曲线来实现。
  3 给粉变频调速系统组成
  以邵武发电公司技改工程为例:给粉机采用通用型变频器,配用的电动机为Y 112-6、380V/2.2kW型,变频器选用VF102R2G3。该调速系统主要由变频器盘、手操器、电源盘、电机等组成,其系统结构如图1所示:
  由图1可见,变频器是该系统的核心部件。为了保证系统能安全可靠运行,操作、维护方便,本工程给粉机与变频器采用一带一的控制模式(即一台变频器带一台给粉机电机)。分三层布置共12台。
  4 变频调速应用过程中出现的问题及改进办法
  本变频调速系统在投运初期,由于给粉机运行工况较为复杂,其工作环境较为恶劣,而变频器内部保护功能又较强,因此,在现场应用过程中,多次出现内部保护动作而停运给粉机,引发MFT动作。究其原因分析存在以下问题:
  (1) 由于磨煤机入口处的木屑分离器分离间隙较大,仍有部分木屑,甚至铁丝等杂物漏网混入粉仓内,由于给粉机叶轮间隙较小,而导致出现给粉机被杂物卡涩的现象。在给粉机被卡后,由于给粉机电机仍在运转,其电流将会突然增大,而导致内部过流保护动作而停运给粉机。
  (2) 煤粉温度控制不当,使煤粉湿度较大时,粉仓内煤粉不易下滑,使给粉机进料口处形成空洞,随之造成粉仓上部煤粉垮塌而直接重压在给粉机圆盘上,从而使给粉机刮板无法将进料口处堆积过多、过厚的煤粉刮动,造成电机堵转,给粉机电机电流过大,导致变频器保护动作而停运给粉机。
  (3) 风粉混合器发生堵粉现象,使给粉机出口被堵,导致给粉机进料口产生煤粉堆积现象。而使给粉机刮板无法将进料口处堆积过多、过厚的煤粉刮动,造成电机堵转,给粉机电机电流过大,导致变频器保护动作而停运给粉机。
  (4) 变频器的过载能力与其适用电机容量不相配,导致变频器过载保护动作而停运给粉机。
  (5)所选用变频器无断电自复位功能,在厂用电切换或厂用电短时失压给粉机全停,引发MFT动作,造成事故的扩大。
  根据以上几个方面的原因分析,在机组投产后,我们采取了相应的措施及改进办法:
  针对上述(1)至(3)存在的问题,我们采用的措施是:A、对给粉机机械缺陷进行了彻底的处理,部分机械部件进行了更换,采用了可靠性较高的部件;B、调节磨煤机入口处的木屑分离器分离间隙,通过优化调整分离间隙,消除了漏入粉仓的机械杂质;C、加强煤粉温度的控制,保证了煤粉湿度符合要求;D、对风粉混合器进行重新的设计改造,以保证其下粉的流畅。
  针对上述(4)至(5)存在的问题,我们根据给粉机的运行情况,认真核对变频器的过载能力与其适用电机容量,以确保给粉机机械、变频器及电动机能最佳配合。经过综合考虑,变频器改进为带"转矩矢量控制"新型控制方式的LG IS4KW变频器(它具有七次失压自复归的功能);电动机改进为防爆式YB112-3kW/6 型(具有较好的抗高温性能)。
  经过以上改进后二年多来的运行实践证明,我公司的给粉机变频调速系统运行良好,维护工作量很小,深受广大运行维修人员的好评。
  5 结束语
  从我公司对变频器在给粉机上的应用及改进的成功实践表明:变频器取代以往的直流电机、滑差电机以及其他机械调速装置,不仅线性度好,灵敏度高,使得电动机调速系统运行可靠、维护方便,而且变频器能较好地与电厂DCS系统实现自动调节控制功能。上述我公司给粉机应用变频调速在解决好工艺系统运行工况中存在的问题后(如上面所提的五个问题),已确保了给粉均匀、锅炉燃烧稳定,从而进一步降低了火电厂的低负荷稳燃投油量,提高机组的运行安全性和经济性,取得了很大的经济效益和社会效益。在取得经验的基础上,火电厂的其他运行辅机设备,如:凝结水泵、疏水泵、给煤机、送风机、引风机等应用变频器来进行调速具有较好的前景,可以获取更好的调节品质和更高的节能效益。目前,我公司已在汽机的凝结水泵、疏水泵上应用变频器调速获得了很好的效果。可见,变频器在火力发电厂中有广泛的应用和良好的发展前景。
  第三章 水泥厂变频节能改造
  近一、两年我国大量引进变频调速器为各行各业进行节能改造,水泥厂的罗茨风机、立窑卸料机,供水泵等设备应用变频调速器,经过国内特别是广东的多个水泥厂的应用,长期测量的数据(如江门市水泥厂的统计数据)表明,节能效果是相当惊人的,每生产一吨水泥平均节约43%的电耗量。由此可见水泥行业使用变频器有明显的节能效果,是目前最为先进的设备,也是水泥厂今后技改的一个重要方向为了让更多的厂家认识这种先进的节能技术,大胆应用,在此将变频调速器节能的原理,以及安装调试,使用中的问题作一个综合报告。
  一、罗茨风机应用变频调速的节能原理
  我国水泥厂较多采用立窑配备155~215KW罗茨风机,传统的风量控制办法是倚靠放风阀进行调节。由于罗茨风机的供风量较为恒定的,煅烧时根据窑的情况需要随时调节风量,当窑内需要少风量时,通过放风阀放走多余的风量,造成严重的能源浪费。怎样才能节省放风所浪费的能源呢?当然最根本的办法是控制罗茨风机的转速,进行风量调节,保证窑内需多少风量就供多少风,完全免除放风所造成的浪费。因此把风机的节能问题会聚焦点,成为风机无级调速的问题,针对155~215KW或更大功率电机、风机、无级调速的课题,专家们不懈的努力进行研究、攻关,最终是变频调速的方法,获得了成功。无论是造价、可靠性、改造周期是最为适合大面积推广使用的。直流电机调速的方法,如此大功率的直流电机造价很昂贵更主要的是在水泥厂大粉尘环境下,直流电机的电气寿命很短,因此无法应用。液力偶合器的调速效率较低,并需要改基础,改造周期一个多月。根据国内多个水泥厂应用结果表明,平均节能在5~10%,这个节能效果比起采用变频调速的方法节能在30~45%是无法比拟的,因此很多厂家纷纷放弃液力偶合器采用变频器。
  已经采用变频调速技术的厂家通过实践,实测对其可靠性,节能效果是毫不怀疑了。但是对于尚未使用过的厂家来说,会有这样的疑问,在其它厂使用也许有它的特定条件,因此有此效果,它是否适合自己的设备呢?不能下一个定论。在此我们在理论和实践上阐明,怎样估计未使用变频器的风机的节能效果。
  罗茨风机的风压是不受风机转速限制的,不论转速变化如何其风压可以保持不变。而风量则与风机转速成正比的,如公式(1-1)
  Q=KN(式1-1)
  Q:表示风量  N:表示风机转速 K:为系数因此风量调节,完全由变频器改变电机频率达到无级变速,起到调节风量的效果。根据现场应用工艺风机的最低频15HZ,通常在35HZ左右,有个别时刻50HZ满风量运行,由于立窑工艺基本是一致的,因此在不同的立窑风量调节量是基本相同的,凡立窑应用变频技术都可以获40%左右的节能效果。
  二、立窑卸料调速电机改造
  立窑卸料机是采用18?5~30KW的滑差调速电机,转速通常控制在300-1000rpm,这是工艺上根据窑的情况,对卸料速度进行控制的。采用变频调速的方法取代滑差电机经过多个厂家的应用结果表明,平均节能量40%左右、为什么对滑差电机进行变频改造会有如此大的节能效果呢,因为利用滑差调速方法是的一种耗能的低效调速方法,如公式(2-1)滑差电机主电机轴输出功率:
  P0∝M0*N0   式2-1
  P0:表示轴输出功率
  M0:表示负载转矩
  N0:表示主电机转速
  滑差头输出功率:
  P1∝M0?N1   式2-2
  P1:表示输出功率
  N1:表示滑差头转速
  滑差头损耗功率:
  △P=P0-P1∝M0(N0-N1)  式2-3
  由滑差头损耗功率公式(2-3)可以清楚看到,滑差电机的转速越低,浪费能源越大,然而卸料机的转速通常在400rpm左右运行,因此改用变频调速的方式会有50~60%的节能效果。在水泥厂中除了立窑卸料机是采用滑率调速电机,还有很多设备同样是采用滑差电机,要进一步挖潜应全面对低效耗能的滑差电机进行变频改造,节能前景大有可为。
  三、离心式风机、水泵类设备的节能原理
  有某些水泥厂是采用高压离心式风机进行供风的,该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对于离心式风机、水泵的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。我们通过沸腾式锅炉高压离心式风机应用变频调速的方法调节风量,实践证明其节能效果在30~50%。对于水泵的变频改造节能效果高达70%。为什么离心式风机,泵类设备通过调速调节风量或流量有如此惊人的节能呢?在此将其原理加以阐明。离心式风机、泵类设备的流量与转速成正比,如公式(3-1)压力与转速平方成正比,如公式(3-2)功率与转速的立方成正比,如公式(3-3)
  Q∝N  式3-1  Q:表示流量
  P∝N3 式3-3  H:表示压力
  P:表示功率
  将经上3个公式绘成一张图,如图3-1可以清楚看到,改变转速其流量线性变化的, 而功耗则是立方关系变化,因此在调节风量或流量时如降低20%的风量或流量,功耗 ,则会下降50%。但是必须注意,转速与压力是平方关系,当转速下降20%压力则会下降64%,因此必须要注意工艺要求压力范围不能象罗茨风机那样,不用考虑转速与P风压的关系。
  离心风机、泵类设备传统的风量、流量控制的,大量的能源耗在风门或截流阀的阻力上,如公式(3-4),风门或截流阀控制流量的功耗与流量关系:
  P=P0+K?Q 式3-4
  Q:表示流量  K:为系数
  P:表示功耗  P0:表示基本功率
  由此可以看到在流量变化范围,采用变频调速的方法具有很大的节能潜力,因此在
  水泥厂的供水泵或其它离心风机上进行变频改造同样会取得很大的节能效果。
  四、变频调速的基本原理及特性
  对于普通异步电机的无级调速,必须采用变频变压,同时进行的方法才能够实现,异步电机的调速如,公式(4-1)因此利用变频技术,调整电机的供电频率,使电机得到任意转速。
  N=60f(1-S)/P 式4-1
  N:表示转速 f:表示频率 S:表示滑差率 P:表示电机极对数从电机的设计特性,如单纯改变频率,会造成严重的磁过饱和或转矩变软,根据电机转矩特性公式(4-2)可知只要在频率F变化时,电压V跟踪变化,保持压频比V/F为常数,即可保证电机在变频调速的同时,保证恒转矩输出。如图4-1所示
  M=K(V/F)   式4-2
  M:表示转矩   V:表示电压   F:表示频率 K:为系数
  即可恢复生产。
  五、电机及水泵的变频改造
  滑差调速电机的变频改造:改造滑差调速电机有两种方法。
  首先是切换滑差电调速电机,改用普通异步电机,由变频器直接控制转速如图5-2,将原来的滑差电机拆除换上异步电机,将原调速控制改为变频控制,这种改造方案,在机械结构上需要换电机及电气改造,需要时间不多,可以让调速系统发挥最高效率。
  另外一种方法是无需更换滑差调速电机,用变频器直接控制滑差调速电机的主电机转速,将滑差头控制器设定在最大转速。这样减少了机械改造工作。但节能效果因滑差头有所损耗,会比直接用异步机调速的方法低10%左右。
  供水泵的恒压供水改造方案:
  在工业生产中,用水几乎是每一个工厂必不可少的,水泥厂同样不会例外,但由于工厂用水不是每时每刻都处于恒定状态。因此水泵的流量不加控制的话,在用水低峰期,泵口压力增加,浪费能源,根据上文论述的泵类负载的节能原理,利用变频器对水泵进行调速。即可达到节能目的。采用压力传感器PID调节器与变频器构成一个闭环自动控制回路,使整系统自动控制流量,保持压力恒定,从而使供水泵在最佳节能状态运行。
  六、成球预加水系统
  生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之一,其中,料、水比例直接影响成球好坏。变频器通过对成球预加水泵电机转速进行无极调速调节,时刻跟踪生料供给量,进行等比例加水,从而使半机械化、半手工加“人脑”(即凭经验)控制的落后工艺跨上了全自动化、电脑控制的新台阶。料水配合比较稳定,成球效果良好,水泥烧结质量得到提高
  七、生料均化给料系统
  为确保产品质量必须最大限度消除生料中石料质量的随机波动,实现均化是必要的。但螺旋给料机“堵料”、“亏料”现象时有发生,间断给料不仅影响生产,而且造成机械设备和电器设备的损伤。各生料仓下送料口的送料比例人为性较大,使均化效果受到影响,一直无法解决。此系统用变频改造之后,将所有送料口处的送料电机用变频器同步进行无极调速,等比例送料,操作人员只需观察螺旋给料机的总输料量,调整送料电机转速快慢即可。这样均化效果大大提高,非生产耽搁时间减少50%以上。
  八、水泥选粉系统
  根据水泥桔的不同,要求水泥成品粉粒细度不同,而老式选粉机要改变选粉细度,其过程相当麻烦,不单要停产,而且要将选粉机拆开,调速同轴上每组扇叶的数量和角度。这个过程又没有一定的标准,只能按照经验一次一次对比试验,每次都重复这样的过程:
  拆开机组→调整扇叶→装上机组→试选→检验细度
  直到选出的粉粒达到要求的细度为止。变频改造之后的选粉系统,只须按下提前预置的不同标号细度按钮,选粉机选出的粉粒就对应所需要的细度。做到了连续化、自动化生产,即节约了宝贵的时间又提高效率,降低劳动强度,综合效益明显。
  九、安装、调试、使用变频器应注意的几个问题
  1、变频器通常是安装在配电室内,环境温度不要超过40℃,灰尘要较为小,特别注意避免导电性、保湿性和腐蚀性,粉尘和气体的环境安装设备。
  2、电气安装时要特别注意,电源输入输出线绝对禁止错接,将电源输入线接上变频器的输出,如发生错误即马上损坏设备。
  3、远距离控制线必须采用屏敝线,并且在布线范围内必须与电力动力线相距一米,相交时必须转90°角,更不要将控制线与动力线放在同一个线框内,被免控制信号受到干扰。
  4、变频器开机调试前必须根据负载特点,将所有参数设定好,检查无错误方可开机运行,特别注意变频器输出电流,在起动过程中,恒转速过程中,减速过程中,认真观察,如果第一次设定的参数不是十分理想时,应逐步接近。具体调试规则请参看本公司的《变频器调试手册》。
  5、总结各家水泥厂在罗茨风机、立窑卸料机、水泵等设备应用,变频器所碰到的问题以及解决方法在此向各厂家作一个简介。
  ⑴、机械共振问题:有个别厂家在使用变频器前,无机械共振现象的。但利用变频调速之后,在某些频率,机械共振很强烈,有的甚至影响到整座建筑,其原因是原风机系统只是设计在50HZ市电下运行,改变频后,则在15-50HZ之间无级变化。因此在某些频率点上造成机械共振,调试时必须细心检查是否存在机械共振的问题,如果有应采用频率回避的方法,即在发生共振的频率范围,跳过该频率范围使变频器不输出发生共振的频率范围。
  ⑵、电机低速运行的散热问题:由于电机的散热是由电机转子带的风叶吹风进行的,电机的转速降低时,吹风量减小,低速时,散热风量不够,长期运行会造成电机过热,因此在长期低速运行时,必须另加散热风扇。
  第四章 空调变频节能改造
  中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域。据统计,中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上。
  中央空调主要是由风机和水泵组成,采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态,让人感到舒适满意,更重要的是其节能效果高达30%以上,能带来良好的经济效益。
  一、中央空调系统的构成及工作原理
  中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。其工作原理如图1示:
  制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换,将冷冻水制冷,冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中,由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量,与冷却循环水进行热交换,由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却,与大气之间进行热交换,将热量散发到大气中去。
  二、对中央空调的变频调速节能改造
  1.系统组成
  用变频器对中央空调进行改造,可以组成如下系统,如图2所示:
  在该系统中,冷冻泵、冷却泵、水塔风扇变频器采用开环控制,由维护人员根据季节不同和负荷的变化进行调节;风机采用温度闭环控制,可根据温度传感器的反馈值,调节风机的转速,从而使被控环境温度基本保持恒定。
  安川F7系列为风机水泵专用的节能型变频器,适用于风机和水泵的控制,能根据负载情况,自动实现节能运行。并且其内置PID功能,无需借助其它控制器便可完成温度等参量的闭环自动控制。
  F7系列变频器还提供了RS232/RS485串行接口,以便与中央控制室的微机联网,实现集中监控,使维护人员及时了解各变频器的工作状态。
  三、综合效益预测
  1.显著的节电效果,良好的经济效益;
  2.使室温维持恒定,让人感到舒适;
  3.操作方便,维护量小;
  4.变频调速使电机大多数时间运行在工频之下,减少了环境噪音,并减轻了电机轴承磨损。
  第五章 变频器在污水处理设备上的应用
  一、变频器在污水处理设备上的应用
  污水处理厂(活性污泥处理方式,日处理量为8000吨级)的设备是全天候运转的,而且曝气机和潜水泵是污水处理的核心设备,需要用变频器对曝气机的鼓风机和潜水泵进行调速。
  1、变频器在鼓风机上的应用
  鼓风机将压缩空气通过管道送入曝气池,让空气中的氧溶解在污水中供给活性污泥中的微生物。鼓风机在工频状态下起动时,电流冲击较大,容易引起电网电压波动,而鼓风机风压一定,风量只能靠工作台数及出气阀来调节,实际生产运行中往往是通过调节出气阀门来控制,即增加管道阻力。因而许多能量多浪费在阀门上。随着变频调速器的广泛应用,利用变频器的调速范围宽,机械特性硬等特点,在风机上应用了安川F7系列变频器。由于变频器的软启动大大的减小了电机起动时对电网的冲击,而且在正常运行的时候,将出气阀门开到最大,根据工艺和参数的要求,适当的调节(通过控制系统的电位器)电机的转速来调节管道的风量,从而来调节污水中的氧气含量。而且可以根据溶解氧传感器反馈的信号(4~20MA)很方便的实现闭环自动控制。免去了许多繁琐的人工操作,并且具有明显的节电效果,以下是风机的节电率统计。
  用三台变频器控制三台风机,其中两用一备,电机的功率P=55KW,设计风量为Q。空载损耗为10%,转速1250转/分。若风机正常在970转/分以下连续可调,污水处理每天所需的供风量为1.5Q。
  (1)一台工频运行,一台变频运行;则全速
  P0=(55-55*10%)=49.5KW
  P1=55KW
  P2=5.5+49.5*(50%)3=11.7KW
  总消耗的功率为67KW
  (2)两台变频运行时每台的平均供风量为75%Q
  P1+P2=5.5+(75%)3*49.5=26.4KW
  总消耗的功率为52.8KW
  (3)三台变频运行时,每台的平均供风量为50%Q
  P1=P2=P3=[5.5+(50%)]3*49.5=11.7KW
  总消耗的功率为P1+P2+P3=35.4KW
  可见三台风机全投入变频运行时效果最好。假定每月工作30天,每天工作24小时,按每度0.7元计,则方案三可以比其他两个方案多节省电缆8000元左右。
  2、变频器在潜水泵上的应用
  潜水泵起动时的电流冲击及调节压力/流量的方式与鼓风机相似。潜水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂,严重的可能造成电机的损坏,且电机起动/停止时需开启/关闭阀门来减小水锤的影响,如此操作一方面工作强度大,且难以满足工艺的需要。在潜水泵安装变频调速器以后,可以根据工艺的需要,使电机软启/软停,从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下,可以降低泵的转速,一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态,造成电机过早的老化,而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击。并且具有明显的节电效果。
  二、系统应用效果
  污水处理厂中的鼓风机和潜水泵在使用了安川F7系列变频器以后,不但免去了许多繁琐的人工操作,不安全隐患因素,并使系统始终处于一种节能状态下运行,延长了设备的使用寿命,更好的适应了生产需要。而且安川变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制。从半年运行情况来看,效果很好。因此,在污水处理厂或相似的系统中使用变频器应具有很好的推广价值。
  第六章 变频器在纺织中应用
  近年来随着纺织机械机电一体化技术水平的不断提高,交流变频调速已成为一种趋势。在大多数新开发的纺织机械产品中几乎无一例外地应用了交流异步电动机变频调速装置。
  1 交流变频调速的特点
  1.1 减少功耗降低成本
  纺织厂离不开空调设备。当空调电机使用变频调速器控制后,降低了功耗,大大节省了用电支出。据某公司提供的数据,全年12台空调机可节电24余万元,空调用电单耗平均下降了6、7个百分点。
  1.2 简化了机构提高了性能
  通过PLC可编程序控制器或工控机的控制,再经变频调速器实现多电机的同步协调运转。根据生产工艺曲线控制各机构的运动,进而简化了机构。比如粗纱机利用交流变频调速,去掉了锥轮变速机构,从而克服了锥轮变速皮带打滑变速不准的问题。
  而对于细纱机来说,由于利用变频调速器去掉了成形机构中的成形凸轮,进而克服了由于成形凸轮所造成的桃底有停顿、桃顶有冲击的现象。使得细纱卷形状良好。以便于下一道工序的高速退绕。同时利用变频调速器控制三十九主电机的变速来控制锭子的转数,使得细纱在大中小纱时转速在变化,以减少纱的断头率。
  2 交流变频技术的应用
  变频器控制的纺织机械山个的交流电机主要氛围两类。一类就是常用的Y系列的交流异步电机。这种电机主要应用于调速精度要求不高、调速范围不大的纺机上。而另一类为交流变频调速专用异步电机。主要用语调速精度要求高、调速范围大的机器上。
  下面介绍一下不同形式的变频器。
  (1)用变频器开环控制异步电机调速称为V/F形式。这种方式电路简单、可靠。但调速范围在10:1范围以内,调速精度较低2%~5%,并且低速性能不理想。因此多用于针织机或要求不高的纺织机械上。
  (2)采用无速度传感器矢量控制变频器。其有优良的低速特性。电路结构简单,可靠性高。同时还具有较好的加减特性、转矩特性以及电流限制特性等。调速精度可达0.5%~1.0%。调速范围在20:1范围以内。较适合印染机械的调速等。
  (3)采用带速度反馈的矢量变频控制异步电机,闭环变频调速,又称交流伺服电机。调速范围可达100:1。为了提高变频器开关频率,应用功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代一般的大功率管(GTR)。可实现高频响应、高精度、智能化。适用于调速要求较高且恒张力、恒线速的分条整经机、浆纱机、热定型机以及化纤长丝纺纱设备等。
  在一些设备上,如巴马格告诉的卷绕头以及DLENES告诉的热辊等不见,将所需电气元件与变频器及控制面板与卷绕头机械部分合为一体,更是减少了体积,增强了可靠性。
  3 变频调速器在纺织中的应用实例
  变频调速器应用于纺纱机械中,可以说几乎各个工序的机械上都应用了。包括开清棉机、梳棉机、条卷机、精梳机、并条机以及粗纱机、细纱机和洛简机等。对于织造机械则有浆纱机、整经机等。另外针织机、无纺布、化纤机械、印染机械上也大量适用了交流变频调速器。下面重点介绍一下粗纱机机浆纱机。
  3.1 FA491高速悬粗纱机
  此种为我国近年来开发出的新型粗纱机。采用工控机、PLC及变频器控制4台电机,分别转动锭翼、罗拉、简管及龙筋升降,去掉了锥轮变速装置、成型装置等,简化了机构。效率高、可靠性高,低噪音,便于操作及维护保养。工艺适应性好,减少断头。最高速可达标1500r/min,实现了人机对话、停车翼自动定位等新技术。是一种高水平的粗纱机。
  3.2 GA308型浆纱机
  本浆纱机为交流分布传动。其中上浆槽、下浆槽及烘筒为交流变频电机传动,而织轴及拖引辊为交流伺服变频电机单独传动。共适用了5台变频器、2台伺服控制器以及压力、温度、回潮率等传感器。由工控机和可编程序控制器PLC控制。构成了一分布控制系统。其中PLC用来整机的动作以及回潮率、烘房及浆槽的温度及压浆辊压力等参数控制。整机受工控机的控制。此机控制精度高,性能稳定,故障率低。是一种高质量、高水平的设备。
  4 对变频调速器在纺织种的应用展望
  我国纺织业国际化迈进的进程正在加快。但与国际先进水平比还有很大的差距,为了缩小差距,我们应在纺织机械的机电一体化的水平上不断提高。把交流变频技术更好地应用于纺织机械的控制之中。
  要不断开发有我国自主知识产权的高质量、高水平的变频器以及交流伺服电机控制器。积极推广智能化技术、现场总线技术,实现网络控制。通过数显仪表及触摸屏实现人机对话。使防止进行真正处于先进水平。
  第七章 桥式起重机变频改造
  前言
  随着电力电子技术的发展,变频技术普遍应用于电力拖动领域,特别是众多的热电厂纷纷采用变频器、对一些耗能较大的设备(如引风机、送风机、给水泵、循环泵等)实行变频调速,取得了明显的节能效果。而“桥抓”采用变频调速,取代传统的电机转子回路串阻调速控制方法,近几年才开始应用的新技术,是一个新的探索和尝试。本文简述了无速度传感器矢量控制的变频技术在“桥抓”传动系统中的应用。
  1 负载的特点
  “桥抓”在运行过程中负载的变化十分复杂,在拖动过程中对转矩要求高,特别要求变频拖动与调速系统在低速包括零速时应能输出较大转矩(150%额定力矩),动态响应快,能承受四象限力矩的变化,“桥抓”在运行过程中,电机处于频繁的正反转切换运行,起动时冲击力大;“桥抓”的抓斗是提升负载,当抓斗由下至上运行时,电动机工作在电动状态,当抓斗由上至下运行时,电动机工作在发电状态。
  传统的“桥抓”电气传动系统采用转子串电阻的方法起动和调速,抓斗的卷扬、开闭电动机在使用过程中反复承受无数次的倒顺转操作,经常受强电流、大力矩冲击,对电机和机械部件损伤较为严重,交流接触器、电阻箱、滑环碳刷使用寿命短,严重影响生产。要从根本上解决“桥抓”故障率高的问题,只有彻底改变绕型电机转子串电阻的调速方式,应用变频器其优越的软启及调速性能与完善的保护功能,为“桥抓”的传动系统可靠运行提供有利的条件。
  2 改造方案
  由于抓斗两台电动机的运行状态是可逆的,所以采用的变频器也应是可逆的,而用于“桥抓”的日立J300(SJ300)系列变频器能实现是象限运行,它能将电网的电力输送给电动机,拖动“抓斗”上升,而当“抓斗”下降时,通过自动放电单元,将电动机的再生能量消耗在放电电阻上,并起到“能耗制动”的作用。
  2.1 动力回路
  进线交流接至“桥抓”操作台空气开关柜内,大车、小车电机保持原有接线方式。加装HRS-200刀熔开关作为主吊,开闭调速电动机变频器的断开点。刀熔开关的上端接至拖缆端子盒,下端接变频器的输入,变频器输出接电动机。变频器的过压过流、短路等保护功能作为电动机保护,刀熔开关及电源总空气开关作为变频器的后备保护。
  2 控制回路
  “桥抓”操作台的运行指令,外部动作要求信号通过控制单元与变频器连接,变频器对外的动作要求信号通过控制单元与外部执行单元连接。控制转速点数由主令控制档数设定。继电器及相应其他元件,都选择采用优质品牌的欧姆龙或富士产品。
  3 主要技术参数
  在桥抓上应用变频器,因为其特定的工况要求及特殊的负载特性,也就决定了如何使用变频调速装置的型号、功率、保护等技术参数的合理配置,必然要结合现场生产设备具体情况慎重考虑选择。
  以下简述一下我单位在改造旧“桥抓”采用变频调速时,进行分析选择的几个主要技术参数。
  3.1 驱动电机
  传统的交流起重机用绕线式异步电机,其输出外特性与转子电阻有关。而改用变频调速,通过保持电压/频率(V/F)基本恒定条件下,改变频率来实现调速,因此可用结构简单,维护方便的鼠笼式异步电动机来取代。但必须满足功率、转矩、散热等要求。
  3.2 变频调速器
  考虑到“桥抓”工况可变性大的因数,所以选用比电机功率升一级的变频器。例如:用37KW的鼠笼式异步电动机,应选用45KW的变频器。投入资金虽然要增加一点,但变频器功率模块承受频繁起动电流冲击的能力及设备的可靠性却大为增加。
  3.3 拖动转矩
  日立J300系列变频器具有无速度传感器矢量控制技术,当变频器有0.5Hz输出时即有150%以上的高起动转矩,保证悬空起动及低速运转时的电机力矩,并可在10:1的速度范围内(6-60Hz/5-50Hz)以100%转矩连续运行。速度调速偏差小于±1%。并利用一个高速微处理器和装备DSP来提高响应速度,在提升设备中对防止“滑落”很有效果,转矩响应时间约0.1秒便可达到100%的转矩。
  3.4 能耗制动单元
  “桥抓”在操作抓斗下落时,变频器将受到较高电势的能量释放过程,为保证变频器不过压跳闸不被击坏,增设能耗制动单元来保证变频器的正常工作。进行制动时放电电阻与电机内部的有功损耗部分结合成制动转矩,大约为电机额定转矩的20%。制动电阻的计算如下;
  RBO=UC2/0.1047(TB-0.2Tm)n1 (1)
  式中:UC——直流回路电压;
  TB——制动转矩;
  Tm——电动机额定转矩;
  n1——开始减速时的速度;
  由制动单元和制动电阻构成的放电回路中,其最大电流受制动单元的最大允许电流IC的限制。制动电阻的最小允许值Rmin为:
  Rmin= UC/IC (2)
  因此,制动电阻应满足以下选择范围Rmin RB RBO (3)
  制动电阻所需功率PBO(KW)计算如下:
  PBO=0.1047(TB-0.2Tm)(n1 + n2)*10-3/2 (4)
  3.5 功能参数
  变频器调式投用时,功能参数的设置,直接关系到变频器与设备运行工况是否配合恰当的重要环节。比如F2输出额定频率的设定,F6加速时间的设定,F7减速时间的设定,A0转矩控制方式的设定等等。特别是电机参数的测定,均需通过“桥抓”使用过程中结合设备运行情况不断摸索修正。否则,由于某参数设置不合理,也可能使变频器工作不正常或造成电机过热等未能预想的异常情况发生而损坏电气设备。
  3.6 运行环境
  由于变频器应用与桥抓上,工作环境差。如粉尘多,振动大,雨天空气潮湿等。因此,运行中应注意变频器的紧固与防潮以确保变频器的安全运行。
  4 应用效果
  经过多放面调研和技术咨询最终采用日立J300系列矢量控制变频器,对桥抓主吊开、闭两台37KW电机进行变频调速改造,经一年多的运行基本达到预期目标,取得了良好的使用效果,并归纳总结如下:
  4.1 由于省去了切换转子电阻CJ12-100A交流接触器、滑环碳刷架、碳刷、串联电阻等电气元件因而大大减化了电气控制线路。不仅节约了电气检修费用并且提高了设备安全稳定可靠性。
  4.2 变频调速电机的软起动,避免了机械受大力矩冲击的损伤和破坏,减少了机械维护及检修费用,尤其明显减少了更换钢丝绳的工作量及检修费用。
  4.3 最主要的受益体现在设备健康水平提高,根本性地解决了没有频繁故障的老大难问题,提高了设备的运行效率。
  4.4 与原桥抓的调速方式相比,由于减少了交流接触器、碳刷、串联电阻等电气元件的能量损耗,一定程度地收益到节电的效果,经测算全年节约各项费用3万多元,预计投资回收期约三年。
  (由于“桥抓”的稳定可靠,运行、带来的社会效益和间接效益是无法估计的)
  4.5 主令控制器的控制电流大大减小,从而提高了操作的可靠性。
  5 结论
  从以上桥抓变频调速的应用及成效证明:变频技术在桥式抓斗起重设备上的应用技术上是切实可行的,效果也较为显著,基本达到预期目标。相信通过不断总结经验,不断完善改进,变频调速技术在桥式起重机上的开拓应用,必然成为将来发展的方向。
  第八章 变频器在拉丝机中的应用
  一、引言
  拉丝机是电线电缆行业主要加工设备之一,主要是将铜线加工成各种规格细线,一般由放线、水冷、收线及排线等部分组成,其中电气传动部份主要由放线电机和收线电机及排线电机实现。随着变频技术的不断推广,变频器正日益被用于拉丝机设备。
  二、变频控制原理及实现
  1、拉丝机的主要电气构成
  车一般拉丝机主要由放线电机与收线电机及排线电机构成驱动部分,随着收线卷径不扩大收线电机的转速应相应的减小,以保证线速恒定,在控制中常采用张力反馈装置来调节收线电机的速度。随着变频器功能不断增强、性能不断稳定,变频器也被使用于拉丝机,其中利用变频器控制收线电机与放线电机,而排线电机由于功率较小直接由电网电压来控制。变频控制示意图如下:
  2、基本控制原理:
  放线电机与收线电机分别由两台变频器控制(见图1),放线变频器通过外部电位器转速,收线变频器由放线变频器的模拟AM输出信号、张力平衡反馈信号经信号经PID调节器后控制收线变频器(见图2)。随着收线筒卷径的变化张力平衡杆的反馈信号也随着变化,张力杆反馈信号(由精密变阻器构成)经信号转换电路板转换为0—10V,这个信号与放线变频器模拟AM、AM-输出信号构成PID两路输入信号,经PID调节后控制收线变频器,使丝线保持一定的线速度。
  放线变频输出
  变频器启动后由放线变频器OC输出控制信号启动排线电机,排线电机功较小直接通过两个接触器控制其正反运行,使铜线均匀地绕在收线筒上。
  3、变频器参数设定
  深圳康沃电气技术有限公司是一家集变频器研发、生产、销售为一体的公司,主要生产的变频器有通用型:G1/P1与G2/P2系列;高性能单相变频器S1系列;及注塑机专用变频器ZS、ZC系列(一体机)。根据拉丝机负载特性选用康沃通用恒转矩型G2系列。以CVF-G2-4T0370 及CVF-G2-4T0110型为例,电机功率分别为37KW、11KW,4极。如图1
  (1)放线变频器参数设定:
  (2)收线变频器参数设定:
  三、调试注意事项
  在调试过程中主要应注意起动阶段与停车阶段应保持放线电机与收线电机同步起动。
  1、启动阶段
  变频器运行前将张力杆置于中间稍偏上位置,启动变频器缓慢升速,如启动时出现断线现象说明收线电机启动过快,可相应地调整收线电机的启动频率b-7、启动频率持续时间b-8及放线、收线变频器的加减速时间b-7、b-8几个相关参数。
  2、停车阶段
  停机时放线、收线电机由当前运行频率按减速时间减速,减速到设定频率时收线变频器的OC输出信号启动电磁刹车装置,使得放线、收线电机准确停车,这样便不会因为放线电机过快停车造成铜线拉断。如果在停机过程中出现断线可相应地调放线、收线变频器减速时间b-8,若接近停机时出现断线则可调整收线变频器的OC输出信号
  四、结论
  拉丝机采用变频器控制可以根据产品的不同规格调节放线电机的速度,提高了产品精度和系统的稳定性。另一方面变频器实控制实现了电机软启动延长电机使用命,也减少了电气维护量。
  第九章 锅炉变频节能的应用
  变频调速的节能意义
  风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型,实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态,由于交流电机调速很困难。常用挡风板、回流阀或开/停机时间,来调节风量或流量,同时大电机在工频状态下频繁开/停比较困难,电力冲击较大,势必造成电能损耗和开/停机时的电流冲击。采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法,当电机在额定转速的80%运行时,理论上其消耗的功率为额定功率的(80%)3,即51.2%,去除机械损耗电机铜、铁损等影响。节能效率也接近40%,同时也可以实现闭环恒压控制,节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软停、软起,避免了启动时的电压冲击,减少电动机故障率,延长使用寿命,同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。
  阀门特性及变频调速节能原理
  阀门的开启角度与管网压力,流量的关系示意图如图当电机以额定转速n0运行,阀门角度以a0(全开),a,a1变化时管道压力与流量只必须减小阀门开度到a1,能是沿A,B,C,点变化。即必须减小阀门开度到a1,这使得阀前压力由原来的P0提高到Pq,实现调速控制后,阀后压力由原来的P0降到Ph。阀前阀后存在一个较大
  的压差△P=Pq-Ph。
  如果让阀门全开(开度为a0),采用变频调速,使风机转速至n1,且流量等于Q1,压力等于Ph,那么在工艺上则与阀门调节一样,达到燃烧控制的要求。而在电机的功耗上则大不一样。风机水泵的轴功率与流量

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