姬帥-變頻調(diào)速器的應(yīng)用.doc

變頻調(diào)速器的應(yīng)用 電氣自動(dòng)化071 姬帥【摘要】化工廠的設(shè)備負(fù)荷是多變的。如果風(fēng)機(jī)、水泵按照固定的轉(zhuǎn)速，不能隨化工負(fù)荷的變化而變化，必將造成浪費(fèi)電能或化工負(fù)荷突變而燒毀或損壞機(jī)械設(shè)備。 本設(shè)計(jì)利用變頻調(diào)速器，使風(fēng)機(jī)、水泵隨時(shí)都將隨化工負(fù)荷的變化而變化，改善設(shè)備的起動(dòng)和運(yùn)行特性，減少機(jī)械磨損，提高經(jīng)濟(jì)效益?！娟P(guān)鍵詞】變頻器 風(fēng)機(jī) 節(jié)能一、指導(dǎo)思想和依據(jù)（一）指導(dǎo)思想培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和技術(shù)應(yīng)用的能力，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，能使學(xué)生靈活、正確地應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際獨(dú)立地完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作，以全面檢驗(yàn)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。（二）依據(jù)本設(shè)計(jì)依據(jù)南化氮肥廠合成氨車間二臺(tái)氮?dú)夤娘L(fēng)機(jī)，它是合成氨系統(tǒng)中補(bǔ)充氮?dú)獾闹匾O(shè)備。正常情況下一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。只有大檢修、停車置換時(shí)才兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。年運(yùn)行時(shí)間8760h，年平均負(fù)荷率不足30，因此大大浪費(fèi)了能源，本設(shè)計(jì)利用變頻調(diào)速器對(duì)鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，可以提高經(jīng)濟(jì)效益。二、變頻調(diào)速器的原理及其構(gòu)成（一）變頻調(diào)速器的原理變頻器的基本原理就是將工頻交流電源通過整流變成直流電源再通過逆變輸出生產(chǎn)所要求的頻率的交流電。鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)電原理就是用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板控制風(fēng)流量，這是一個(gè)節(jié)電的有效途徑。因此，通過對(duì)變頻器輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，最終達(dá)到對(duì)傳動(dòng)負(fù)載的精確定量控制。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由電控設(shè)備、變頻器、交流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)械及傳感器等部分組成。變頻控制系統(tǒng)可進(jìn)行開環(huán)控制，也可進(jìn)行閉環(huán)控制。三相工頻交流一一整流部分一一平滑回路一一逆變部分一一電動(dòng)機(jī)（二）主回路1.整流部分將工頻電源變換成為直流電壓。2.平滑回路部分把整流部分中整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，為了抑制電壓波動(dòng)采用直流電抗和電容吸收脈動(dòng)電壓。3.逆變部分把直流電功率變換成生產(chǎn)所需頻率的交流電功率。（三）控制回路1.運(yùn)算回路將外部速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)回路的電流電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓頻率。2.電壓/電流檢測(cè)回路與主回路隔離檢測(cè)電壓、電流等。3.驅(qū)動(dòng)回路驅(qū)動(dòng)主回路元件的導(dǎo)通和關(guān)斷。4.保護(hù)回路檢測(cè)主回路的電壓、電流等。當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)為防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞使逆變器仃止工作或抑制電壓、電流值。保護(hù)回路分為變頻器保護(hù)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)。5.變頻器保護(hù)（1）瞬時(shí)過電流保護(hù)（2）過載保護(hù)（3）再生過電壓保護(hù)（4）瞬時(shí)仃電保護(hù)（5）接地過電流保護(hù)（6）冷卻風(fēng)機(jī)保護(hù)。6.異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)（1）過載保護(hù)（2）超頻（超速）保護(hù)。7.其它保護(hù)（1）防止失速過電流（2）防止失速再生過電流三、變頻器的應(yīng)用設(shè)計(jì)：（一）工藝系統(tǒng)圖閥1：出口檔板；閥2：旁路閥 閥1、閥2均由計(jì)算機(jī)控制，開路大小取決于系統(tǒng)需要。系統(tǒng)需氮量由閥1進(jìn)行調(diào)節(jié)，余氣由閥2返回鼓風(fēng)機(jī)入口。為了防止煤氣返回氮?dú)庀到y(tǒng)，在不需要氮?dú)鈺r(shí)也不能仃車，氣體全部通過閥2進(jìn)行循環(huán)，鼓風(fēng)機(jī)效率在40，而電機(jī)則滿負(fù)荷運(yùn)行。（二）風(fēng)機(jī)的H一一Q特性 圖一 A為100風(fēng)量曲線 B為50風(fēng)量曲線圖一為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓一一風(fēng)量曲線（H一Q）。圖中曲線1為恒速時(shí)圖中曲線1為恒速時(shí)的H一一Q曲線；圖中曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線（檔板開度全開）；假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)為額定工作點(diǎn)，輸出風(fēng)量Q1為100，軸功 率P1與Q1、H1的乘積即AH1OQ1的面積成正比。根據(jù)生產(chǎn)工 藝的要求，當(dāng)風(fēng)量需要從Q1減少到Q2（50）時(shí)，如采用調(diào)節(jié)檔板的方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線變?yōu)榍€（3），系統(tǒng)由原來的工作點(diǎn)A移到新工作點(diǎn)B運(yùn)行。從圖中可以 看出流量減少，風(fēng)壓反而增加。軸功率P2和Q2、H2的乘積即面積 B H2O Q2成正比，很顯然P2較P1減少不多。如采用轉(zhuǎn)速控制方式 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2如圖中曲線（4）所示，工作點(diǎn)移到C點(diǎn)， 可見在滿足同樣的風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H2大幅度降低，軸功率 P3也顯著減少。曲線：（1） 恒速時(shí)H一一Q特性曲線（2） 管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線（檔板全開）（3） 管網(wǎng)阻力特性曲線（檔板50開起）（4） 轉(zhuǎn)速控制曲線（三）風(fēng)量、轉(zhuǎn)速一一所需功率特性曲線： 風(fēng)機(jī)最大的特點(diǎn)是：流量與轉(zhuǎn)速成正比； 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。 圖二為風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖中曲線（5）為理想曲，從該曲線中可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出額定量（100）工作在A點(diǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速也為額定轉(zhuǎn)速，這時(shí)需要的軸功率為額定功率。當(dāng)輸出風(fēng)量為50（工作在B點(diǎn)）時(shí)，其轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的50，這時(shí)所需要的軸功率為額定功率的12.5。（四）幾種調(diào)量方法的比較： 圖二中：曲線（1）為出口檔板控制曲線，曲線（2）為入口檔板控制曲 線，從圖二中可以看出： （1）采用出口檔板控制和入口檔板控制時(shí)，當(dāng)檔板開度關(guān)小時(shí)，風(fēng)阻增 加，在低風(fēng)量區(qū)軸功率減少不多。從節(jié)能的角度來看，不適合風(fēng)量控制 （2）曲線（5）效率是100的調(diào)速裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時(shí)所需的功率， 實(shí)際的調(diào)速裝置，根據(jù)控制方式的不同效率也是不同的。曲線（3）為電 磁滑差電機(jī)調(diào)速控制曲線。曲線（4）為變頻調(diào)速控制曲線。顯然，兩種 調(diào)速控制曲線比較，還是變頻調(diào)速控制效率高，更接近于理想曲線。 一一 表一列出幾種調(diào)量方法所需的功率： 功率%流量%調(diào)量方式出口檔板入口檔板電磁調(diào)速變頻調(diào)速30705218105085583022709565494090100827975 變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)、泵上的運(yùn)用：1.性能曲線及比例定律：（1）流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比：（2）揚(yáng)程（壓力）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比：（3）功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：在實(shí)際生產(chǎn)過程中，流量總是發(fā)生變化的，隨工藝條件進(jìn)行調(diào)節(jié)的，如果將節(jié)流調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)節(jié)將沒有節(jié)流損失，調(diào)節(jié)效率是最高。很接近理想的調(diào)節(jié)。 例如：當(dāng)轉(zhuǎn)速減少10，則： n 1/n0.9 流量Q 10.9Q 風(fēng)壓H 1（0.9）2H0.81H P 1 （0.9）3 N 0.729N 也就是說功率消耗減少了27.1。（五）生產(chǎn)裝置狀況： 1.風(fēng)機(jī)型號(hào)及其參數(shù)風(fēng)機(jī)為型號(hào)為9一37一3一Na20出力：155700Nm 3 /h ；空氣動(dòng)力：146.7kW；風(fēng)壓：400mmH2O ；空氣效率：0.63軸功率：149.5Kw ；加動(dòng)力： 15機(jī)械效率：0.982. 配用電機(jī)型號(hào)及其參數(shù)配用電機(jī)型號(hào)為 J S138一10功率：180kW；轉(zhuǎn)速：585r.p.m視在功率：223KVA；COS：0.87；電流341A；電壓380V（六）變頻器的選型1.變頻器選型時(shí)要確定以下兩點(diǎn)：（1）采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。（2）變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。2.變頻器介紹（HITACHI） 銘牌特性型 號(hào)：J300一一055 H F EJ300一一系列名稱055 一一一適用電機(jī)容量（4極）（七）控制電路設(shè)計(jì)1.主電路：2.電源和電機(jī)的接線：3.控制電路接線圖：4.端子接線圖：四、工作原理說明：化工廠的設(shè)備負(fù)荷是多變的。如風(fēng)機(jī)、水泵、爐條機(jī)隨時(shí)都將隨化工負(fù)荷的變化而變化，如果不能隨化工負(fù)荷的變化而變化，必將造成大馬拉小車?yán)速M(fèi)電能或化工負(fù)荷突變而燒毀或損壞機(jī)械設(shè)備。（一）電動(dòng)機(jī)功率：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率為：PS =S/（1S）PF =S/（1S）KMFN 一一一一一（1）PS：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率 KwS ：轉(zhuǎn)差率 S=（N0一N）/ N0N ：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度 r/minN0 ：電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速 r/min n =60f/pPF ：負(fù)載消耗功率 KwMF ：負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Kgf.m（二）不同負(fù)載特性下的負(fù)載機(jī)械轉(zhuǎn)矩：MF = CN I 一一一一一（2）C：常數(shù)I：0一一恒轉(zhuǎn)矩1一一線性變化2一一平方變化將（2）式帶入（1）式并考慮 N= N0（1S）得出：PS=KC N0i1S（1S） 一一一一一（3）電機(jī)輸出到負(fù)載的功率為：P F KMFN 一一一一一（4）如果把負(fù)載達(dá)到同步轉(zhuǎn)速N0時(shí)所需功率作為電機(jī)的最大輸出功率P F max = K C N0i1 一一一一一（5）對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（i=0）轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)為：PS/ P F max =KC N0i1S（1S）i/K C N0i1 = S（1S）I = S 一一一一一（6）所以：由（6）可見滑差電機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)差損耗與轉(zhuǎn)差S成正比。當(dāng)S0.5的低速區(qū)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)達(dá)50以上，當(dāng)深調(diào)速即S1時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗更大。（三）注意事項(xiàng)：1.蓋上前面板后才能接通電源，通電后不允許打開前面板。2.變頻器通電后，即使停機(jī)也不能觸摸變頻器端子。若選擇重試模式，在跳閘停機(jī)時(shí)，變頻器有可能突然再起動(dòng)，不要靠近機(jī)器。3.瞬間停電發(fā)生時(shí)，若運(yùn)行指令己發(fā)出，則恢復(fù)供電后它可以重新開始運(yùn)行。所以必須設(shè)定恢復(fù)供電后不會(huì)重新運(yùn)行電路。4.停止鍵只在功能設(shè)定后有效，因此必須單獨(dú)設(shè)立緊急停止按鈕。接通電源前要確認(rèn)運(yùn)行指令有無發(fā)出。5.停機(jī)或運(yùn)行時(shí)需確認(rèn)電機(jī)方向是否正確、轉(zhuǎn)速和頻率是否正確、電機(jī)是否有異常振動(dòng)或躁聲、斷電后十分鐘之后再進(jìn)行檢查和維修。五、經(jīng)濟(jì)效益分析（一）運(yùn)行測(cè)試為了計(jì)算比較的需要，對(duì)1鍋爐送風(fēng)機(jī)分別在檔板調(diào)節(jié)狀態(tài)和變頻調(diào)速狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)每個(gè)狀態(tài)在自然運(yùn)行（即正常生產(chǎn)操作）情況及調(diào)節(jié)檔板不同開度下分別記錄電流表的累計(jì)數(shù)和測(cè)量電壓、電流、檔板開度、風(fēng)壓、實(shí)測(cè)情況如下：1.檔板調(diào)節(jié)狀態(tài)的測(cè)試：（1）A狀態(tài)鍋爐負(fù)荷在65一70T/H進(jìn)行了4小時(shí)的自然運(yùn)行測(cè)試（電量記電度表1小時(shí)的累計(jì)數(shù)其它均為1小時(shí)的平均值）。時(shí) 間始一終H檔板開度電流A電 壓V風(fēng) 壓mmH2O電 量KWh8一932175400701159一10331804007012010一11361854007512811一123418040070124（2）B狀態(tài)鍋爐蒸發(fā)量不限，調(diào)節(jié)檔板開度，測(cè)量結(jié)果如下：檔板開度電流A電壓V風(fēng)壓mmH2O電量KWh備注瞬時(shí)值20121405589.4瞬時(shí)值251384052997.9瞬時(shí)值3014840535109.5瞬時(shí)值3315640558115.2瞬時(shí)值3517540570117.6瞬時(shí)值3718040580120.96瞬時(shí)值40185405100128.22瞬時(shí)值45195405112138.3瞬時(shí)值50215405150147.3瞬時(shí)值（3）數(shù)據(jù)分析B狀態(tài)時(shí)，根據(jù)以往的運(yùn)行情況，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓在70一80 mmH2O能滿足鍋爐在滿負(fù)荷時(shí)刻的燃燒需要，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看到70一80 mmH2O對(duì)應(yīng)的檔板開度是35一37，耗電量是117.6一120.96KWh，而在“A”狀態(tài)測(cè)試的數(shù)據(jù)則是70一75 mmH2O，所對(duì)應(yīng)的檔板開度為32一36，電量1h累計(jì)數(shù)是120一128 KWh，因?yàn)椤癆”狀態(tài)為自然運(yùn)行狀態(tài)，所以它含有各種因素的變化在內(nèi)，這個(gè)數(shù)據(jù)較為實(shí)際。為了計(jì)算有一定的代表性，取平均值即121.0 KWh。2.用變頻器調(diào)節(jié)狀態(tài)的測(cè)試：（1）A狀態(tài)鍋爐蒸發(fā)量在65T/h左右，空氣量適合的自然運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)行4h的電量計(jì)數(shù)，每小時(shí)測(cè)一次，其結(jié)果如下：（電量取累計(jì)數(shù)，其它取平均值）時(shí)間始一終頻 率Hz風(fēng) 壓mmH2O電 流A電 壓V電 量KWh檔板開度8一92451009一1025.07511519626.910010一1126.58313022029.710011一1224.97511519426100（2）B狀態(tài)用變頻器調(diào)正，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從小到大逐漸升高頻率，依次測(cè)風(fēng)壓、電流、電壓、電量：（瞬時(shí)值）頻率Hz風(fēng) 壓mmH2O電 流A電 壓V電 量KWh檔板開度20.7508215714.110022.7659717619.210025.37511219223.610026.08011420026.010027.89511821231.210029.810713022737.110037.312515224343.1100（3）數(shù)據(jù)分析：由“B”狀態(tài)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，只要風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓達(dá)到70一80 mmH2O時(shí)就能完全滿足鍋爐在滿負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行條件，因此70一80 mmH2O對(duì)應(yīng)的頻率是23一26之間，電量是20一26 KWh，而在“A”狀態(tài)包括了操作工操工因素及其它的影響在內(nèi)。“A”狀態(tài)較“B”狀態(tài)要符合實(shí)際一點(diǎn)，因此我們?nèi)　癆”狀態(tài)的測(cè)試平均值26.7 KWh即變頻器調(diào)節(jié)時(shí)在相同的送風(fēng)條件下耗電量為26.7 KWh。（二）經(jīng)濟(jì)效益展示采用變頻技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)的要求調(diào)正鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)整氮?dú)饬?。?fù)荷率（）運(yùn)轉(zhuǎn)率（）所需功率（kW）節(jié)電量（萬度）30以下601035.483150212210.76517010403.9471908751.3190以上11980全年節(jié)電51.49萬度，按0.3元/度計(jì)算，節(jié)電費(fèi)15.45萬元/年。(三)經(jīng)濟(jì)效益比較使用變頻調(diào)速裝置比使用檔板節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)約電量為：1.年節(jié)約電量：（121一26.7）24330746856 KWh2.節(jié)約電費(fèi)：0.23574685617.5511萬元3.變頻器投資及回報(bào)：變頻器投資14萬元；14萬元/17.5511萬元0.8年收回投資。（四）綜