鋁廠焙燒車間引風機的高壓變頻調速系統(tǒng)設計

摘要變頻調速技術從誕生到現在，一直經歷著飛速的開展。變頻調速以節(jié)能低耗、提高生產效率等突出優(yōu)勢，已成為企業(yè)提高產品市場占有率和競爭力的有效手段之一，其中大容量傳動的高壓變頻調速技術也得到了廣泛的應用。高壓電機利用高壓變頻器能夠實現無級調速，滿足生產工藝過程對電機調速操縱的要求,以提高產品的產量和質量。然而由于器件技術和逆變技術還不十分成熟，在變頻器使用過程中還存在一些不盡人意的的地點；因此如何滿足生產工藝要求、提高高壓變頻器可靠性是每個業(yè)內企業(yè)技術攻關和進步的要緊難題。論文設計的內容是鋁廠焙燒車間引風機的高壓變頻調速系統(tǒng)。在分析以上缺乏因素的同時，設計著手于系統(tǒng)的節(jié)能和運行可靠性兩方面。論文要緊對高壓變頻器和高壓變頻調速系統(tǒng)做了具體闡述和設計；首先介紹了高壓變頻器的開展概況及趨勢并做了市場分析，在高壓變頻器選型這方面為實現變頻器應用的最正確性價比提供參考。其次，論文給出了高壓變頻調速系統(tǒng)的設計主回路。主系統(tǒng)針對“一拖一〞即一臺變頻器操縱一臺電機，實現工頻/變頻切換的功能。在對高壓變頻器設計中要緊涉及了移相變壓器、功率單元和操縱等系統(tǒng)的設計。設計過程中不僅要求滿足工藝要求，而且保證整個系統(tǒng)的可靠性運行。特別是DCS操縱系統(tǒng)參與操縱高壓變頻調速系統(tǒng)，大大提高了高壓變頻器的運行可靠性。最后，從作者自身的學習和總結，推測了高壓變頻技術的開展和技術開展方向。要害詞：高壓變頻器高壓電機節(jié)能DCSAbsractFrequencycontroltechnologyfrombirthtonow,Ithasbeenexperiencingrapiddevelopment.FrequencyControltohighlighttheadvantagesofenergysavingandlowconsumption,improveproductionefficiency,hasbecomeoneofaneffectivemeanstoimproveproductmarketshareandcompetitiveness.High-voltagelarge-capacitytransmissionfrequencyconversiontechnologyhasalsobeenwidelyused.Thehigh-voltagemotorswithhigh-voltageinvertercanrealizesteplessspeedregulation,Meettherequirementsoftheproductionprocessofthemotorspeedcontrol,Toimproveproductyieldandquality.However,duetothedevicetechnologyandinvertertechnologyisnotverymature,therearestillsomeunsatisfactoryplaceintheinverterusingtheprocess.Howtomeettherequirementsofproductionprocess,improvethereliabilityofhighvoltageinverteristhemainchallengeoftheindustry'stechnologyresearchandprogress.Paperisthecontentofthedesignofhighpressureofroastingaluminumplantworkshopinduceddraftfanvariablefrequencyspeedregulationsystem.Ontheanalysisoftheabovefactorsandinsufficient,designofenergysavingandgetdowntothesystemoperationreliabilitytwoaspects.Papermianlytothehighvoltageinverterandthehighvoltagevariablefrequencyspeedregulationsystemforthespecificdesign;First,introducestheconverterdevelopmentsituationandtrendsandmadeamarketanalysis,thehighvoltageinverterintheselectionfortherealizationoftheoptimalperformanceandpriceratioofthefrequencyconverterapplicationtoprovidethereference.Secondly,thispaperanalyzesthedesignofhighvoltagevariablefrequencyspeedregulationsystemofmianloop.Thesystemisainvertercontrolamotor,realizeindustrialfrequency/frequencyconversionswitchfunction.Inthehighvoltageinverterinthedesignphaseshiftinginvolvedwiththemiantransformerandpowerunitandcontrolsystemdesign.Designprocessrequiresnotonlymeetthetechnologicalrequirement,andensurethatthewholeofthereliabilityofthesystemoperation.EspeciallyDCScontrolsystemandtheconnectionbetweenthehighvoltageinvertercommunication,greatlyimprovingthereliabilityofthehighvoltageinverter.Atlast,fromtheauthor,sownlearningandsummarized,andforecaststhehighvoltagevariablefrequencytechnologydevelopmentandtechnologydevelopmentdirection.Keywords:High-voltageinverterHighvoltagemotorEnergysavingDCS名目TOC\o"1-3"\h\z\u摘要PAGEREF_Toc326574801\hIAbsractPAGEREF_Toc326574802\hII1緒論PAGEREF_Toc326574803\h11.1畢業(yè)設計研究背景PAGEREF_Toc326574804\h11.2設計的目的和意義PAGEREF_Toc326574805\h21.3設計原那么與方案PAGEREF_Toc326574806\h22高壓變頻器PAGEREF_Toc326574807\h52.1高壓變頻器PAGEREF_Toc326574808\h52.2變頻器的開展概況及趨勢PAGEREF_Toc326574809\h5變頻器的開展概況PAGEREF_Toc326574810\h5高壓變頻器的開展趨勢PAGEREF_Toc326574811\h6我國高壓變頻器市場分析PAGEREF_Toc326574812\h62.3變頻器的選型PAGEREF_Toc326574813\h72.4選型原那么PAGEREF_Toc326574814\h93高壓變頻器交流調速系統(tǒng)PAGEREF_Toc326574815\h103.1交流變頻調速原理PAGEREF_Toc326574816\h103.2系統(tǒng)組成介紹PAGEREF_Toc326574817\h114高壓變頻器交流調速系統(tǒng)的設計PAGEREF_Toc326574818\h134.1鋁廠高壓變頻交流調速系統(tǒng)的設計PAGEREF_Toc326574819\h134.2高壓變頻器調速工作原理PAGEREF_Toc326574820\h154.3旁路柜設計PAGEREF_Toc326574821\h164.4移相變壓器柜設計PAGEREF_Toc326574822\h18移相變壓器的設計PAGEREF_Toc326574823\h18移相方式和工作原理PAGEREF_Toc326574824\h194.5功率單元柜的設計PAGEREF_Toc326574825\h22功率單元元件作用。PAGEREF_Toc326574826\h23輸進側及輸出側結構PAGEREF_Toc326574827\h25功率單元的操縱系統(tǒng)設計PAGEREF_Toc326574828\h264.6操縱柜設計PAGEREF_Toc326574829\h28對外接口PAGEREF_Toc326574830\h30操縱方式PAGEREF_Toc326574831\h31速度設置方式和運行方式PAGEREF_Toc326574832\h314.7變頻操縱裝置中的PLC及PID的設計PAGEREF_Toc326574836\h354.8高壓變頻器的可靠性設計PAGEREF_Toc326574837\h405節(jié)能計算PAGEREF_Toc326574838\h425.1引風機變頻調速節(jié)能原理PAGEREF_Toc326574839\h425.2風機節(jié)能計算PAGEREF_Toc326574840\h436總結與展瞧PAGEREF_Toc326574844\h45總結PAGEREF_Toc326574845\h45展瞧PAGEREF_Toc326574846\h45致謝PAGEREF_Toc326574847\h47參考文獻PAGEREF_Toc326574848\h48附錄PAGEREF_Toc326574849\h491緒論1.1畢業(yè)設計研究背景節(jié)約能源、落低生產本鈔票成為各個企業(yè)開展和盈利的要害因素之一，變頻調速系統(tǒng)作為最理想、最有開展?jié)摿Φ恼{速方式之一，既能夠提高企業(yè)競爭力和開拓更大市場，又是國家經濟和科技開展的重要戰(zhàn)略。隨著高壓變頻器產品中的高壓大功率變頻調速裝置不斷地成熟起來，高壓變頻器調速系統(tǒng)在企業(yè)中的運用越來越多。由于國內高壓變頻器市場還處于成長的初期，近年來國內高壓變頻器市場增長率大幅提高，其增長速度和開展?jié)摿ο喈斂汕?。盡管國內高壓變頻器產品還不成熟，但技術在不斷的開展提高。盡大多數的國內高壓變頻器都在向著不斷突破更高功率、能夠實現更多功能的新產品方向努力，同時著力提高產品的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的調速方式不僅存在著大量能量損耗和污染現象，而且不能夠實現自動操縱，操作繁瑣，對人身和設備輕易造成危害。變頻調速系統(tǒng)的設計在滿足企業(yè)生產要求的同時，本身也在不斷創(chuàng)新進步，成為解決節(jié)約能源、開發(fā)利用環(huán)保的有效途徑。鋁廠擁有眾多拖動風機、泵類負載的大型高壓電動機，其中大局部都運行在通過風門或閥門調節(jié)流量的節(jié)流狀態(tài)，造成大量能源白費，存在巨大節(jié)能空間；對該類高壓電機進行調速設計，不僅可大幅落低電能消耗，而且可提高設備自動化水平，改善設備運行狀態(tài)，節(jié)約設備維修費，并可改善工藝操縱效果，是一條節(jié)能落耗的重要技術途徑。對鋁廠設計一套高壓變頻調速系統(tǒng)，在保證設備正常運行的情況下落低了風機的用電量，節(jié)約了生產本鈔票。而且還能夠做到將進口擋板的開度開到最大，風量的調節(jié)依據生產需求通過調節(jié)電機的轉速來實現，使風機處于最正確節(jié)能運行狀態(tài)，從而到達了節(jié)電的目的。變頻改造后還為風機、電機以及各種管道附屬設備提供多項保衛(wèi)措施，從而延長設備使用壽命。1.2設計的目的和意義近幾年隨著國內高壓變頻技術的進步，變頻器的性價比和穩(wěn)定性有特別大幅度的提升，變頻器是交流電氣傳動系統(tǒng)中的一種，它以節(jié)能、提高產品質量、提高生產率、實現自動化、改善環(huán)境、推動技術進步在各個行業(yè)得到廣泛應用。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有開展前途的調速方式。設計一套高壓變頻調速系統(tǒng)對深進了解交流傳動與操縱技術的走向，具有十分積極的意義。如何解決設備運行中存在嚴重的能源白費，不然而增強企業(yè)競爭力的要求，更是創(chuàng)立資源節(jié)約型社會的國策的要求。變頻調速技術是風機、水泵等設備調速技術的首選，也是該類技術開展的必定方向。對設備進行變頻器設計后，能夠大大落低企業(yè)的生產本鈔票，落低生產設備的故障率，延長設備的使用壽命，產生較大的經濟效益和社會、環(huán)境效益，提高企業(yè)的綜合競爭力和開展力。采納高壓變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的要緊目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、落低生產本鈔票。從而到達提高了企業(yè)產品的競爭力，有利了企業(yè)的長期開展。1.3設計原那么與方案本設計對鋁廠焙燒車間焙燒爐設計一套變頻器自動操縱系統(tǒng)以落低能源消耗和資源白費,提高設備的可維護性和運行的可靠性為目的,以到達解決好氧化鋁廠設備運行中存在嚴重的能源白費咨詢題。變頻調速技術是風機、水泵等設備調速技術開展的必定方向。對設備采納變頻技術,能夠落低企業(yè)的生產本鈔票,落低生產設備的故障率,延長設備的使用壽命。氧化鋁焙燒工藝流程：氧化鋁焙燒爐將燃燒完AL(OH)3以后，盡大局部AL2O3下沉到氧化鋁冷卻倉，然而燃燒后的煙氣中含有局部有用的AL2O3、其他煙氣和粉塵，這局部煙氣經引風機引導進進電收塵中，電收塵將有用的AL2O3吸附住，經處理后的煙氣隨之排到大氣中。生產量大時，引風機抽風量大，引風機轉速高。生產量小時，用氣量小，引風機轉速低。未用變頻前風量大小靠操縱擋板和風門配合操縱引風機的風量。引風機的原操縱方式為，利用引風機進口的擋板調節(jié)開度的大小來操縱風煙系統(tǒng)的風量〔圖1-1的實線局部〕，采納變頻器變頻以后〔圖1-1中增加的虛線局部〕，系統(tǒng)結構發(fā)生了變化，新結構下增加了變頻器及相關的操縱器設備，而且引風機的操縱模式也發(fā)生了相關的變化。由原來的擋板操縱模式，改為擋板全開狀態(tài)，保證在變頻模式下擋板不參與操縱而且盡量減少擋板本身產生的阻力，由變頻器調速系統(tǒng)改變引風機的轉速來調節(jié)風量，到達原有的操縱要求。氧化鋁廠焙燒車間引風機高壓變頻調速系統(tǒng)設計方案是：整個系統(tǒng)采取工頻和變頻切換，在正常工藝生產過程中，啟用變頻器，實現變頻器對電機的操縱。只有在變頻器出現故障或需維護時，才會轉換的工頻運行。1-1引風機操縱系統(tǒng)圖變頻運行特性較工頻改善方面運行特性：1〕滿足運行工況的要求，操作靈活方便，響應速度快。2〕效率高，能耗低，節(jié)能效益顯著，性價比高。3〕風機變轉速運行的狀態(tài)參數如振動、軸承溫度良好，減少機械磨損。4〕啟動轉矩大、電流小，機械特性好。5〕系統(tǒng)動態(tài)響應速度快，可實現連續(xù)調速，調節(jié)線性度好，自動投進率高。6〕系統(tǒng)抗干擾能力強，操作方便、工作可靠。7〕采納移相干式隔離變壓器進行輸進側隔離，多重化脈沖整流，系統(tǒng)對電網的諧波污染小、功率因數高。8〕系統(tǒng)內部采納單旁路技術，落低故障停機時刻，提高單元故障下的帶負荷能力。2高壓變頻器2.1高壓變頻器變頻器是利用電力電子器件把工頻電源變換成各種頻率的交流電源以實現電機變速運行的設備,是運動操縱系統(tǒng)中的功率變換器。通常把驅動1KV以上交流電動機的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國際慣例和我國國家標準，電壓在10KV以上的稱為高壓，10KV以下稱為中壓。但由于大伙兒習慣上把額定電壓為3KV和6KV和10KV的電動機稱為“高壓電機〞因此驅動那個電壓等級的變頻器統(tǒng)稱為高壓變頻器。高壓變頻器是一種串聯疊加性高壓變頻器，即采納多臺單相三電平逆變器串聯連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電。2.2變頻器的開展概況及趨勢隨著高壓變頻器技術的不斷成熟，高壓變頻器在各個領域得多了廣泛的應用。高壓變頻器應用上的巨大節(jié)能潛力和優(yōu)良的調速性能，使得它具有強勁的開展動力和寬廣的市場空間。目前，高壓變頻技術差不多成為電力傳動領域的熱門話題之一，關于大容量電力傳動系統(tǒng)，尤其是大容量風機水泵系統(tǒng)進行高壓變頻器改造已成為一種趨勢，它為使用大功率傳動裝備的企業(yè)和行業(yè)帶來了特別大的節(jié)能效益。變頻器的開展概況隨著變頻調速技術的開展，作為大容量傳動〔2-10KV〕變頻調速技術也得到了廣泛的研究和應用，高壓變頻器一成為當前電力電子技術最新開展動向之一。到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結構，各種新型的高壓變頻器不斷出現。依據其組成方式，高壓變頻器要緊分為兩種，即間接高壓變頻器和直截了當高壓變頻器。直截了當高壓變頻器要緊有采納低壓IGBT多重化技術的單元串聯多電平PWM電壓型高壓變頻器和采納高壓IGBT、IGCT的三電平型高壓變頻器。高壓變頻器的開展趨勢變頻器從一開始進進我國，國外品牌就占據大局部市場份額，同時，國內變頻器的研制和生產也在向前開展，目前，國產變頻器正在被更國的國內外客戶認可和選用。高壓變頻器正向著高可靠性，低本鈔票，高輸進功率因數，高效率，低輸進輸出諧波，低共模電壓，低dv/dt等方向開展。電流源型變頻器技術成熟，且可四象限運行，但由于高壓時器件串聯的均壓咨詢題，輸進諧波對電網的礙事和輸出諧波對電機的礙事等咨詢題，使其應用受到限制。對風機和水泵等一般不要求四象限運行的設備，單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器在輸進，輸出諧波，效率和輸進功率因數等方面有明顯的優(yōu)勢，具有較大的應用前景。關于軋機，卷揚機等要求四象限運行和動態(tài)性能較高的場合，雙PWM結構的三電平電壓源型變頻器會得到廣泛的應用。同時高壓變頻器還朝著冗余設計、無速度傳感器矢量操縱、高耐壓功率器件、大容量化、能量回饋、多電平PWM等技術方向開展。我國高壓變頻器市場分析高壓變頻器作為大功率風機、水泵的變頻調速設備，廣泛應用于電力、冶金、石油化工、供水、水泥、采礦等行業(yè)。2004年及往常在我國還屬于小規(guī)模應用時期，然而近幾年，應用規(guī)模在逐漸擴大，高壓變頻器市場正處于一個高速增長的時期。據統(tǒng)計，在最近幾年內中國高壓變頻器的市場維持著年均30%以上的復合增長率。我國高壓變頻器市場“十一五〞期間維持著爆發(fā)性增長的態(tài)勢，該行業(yè)通過起步時期，目前正逐步趨于成熟。近年來，國內具有一定規(guī)模和實力的變頻器廠家開始在產品要害技術研制方面加大投進，進行自主研發(fā)和創(chuàng)新，并按照國際標準進行生產，使國產變頻器的整體技術水平得到大幅提高。同時，國內變頻器廠家對市場進行了細分，針對中國市場的實際需求，實現了與國外產品的差異化生產，在專用變頻器的開發(fā)和應用推廣上取得了一定的成績，并被市場所同意。依據我國目前電機裝機總量、電機配裝變頻器比例、國家對“節(jié)能落耗〞的目標，以及我國經濟開展速度等因素考慮，我國變頻器市場的潛力還特別大。專家認為，今后變頻器市場將向大功率、高端方向開展。變頻器技術本身就存在一個從低壓向高壓、從小功率向大功率轉變的技術開展過程，表達在產品開展趨勢上確實是根基變頻器產品的功率越來越大，適用于更大規(guī)模電機的節(jié)能調速需求。大功率變頻器市場份額早先全然掌握在國外廠商手中，隨著國內企業(yè)技術水平提高，國產變頻器產品的功率也隨之逐步提高，因此國內品牌對國外品牌實現替代的過程是一個先替代小功率變頻器產品，后替代大功率變頻器產品的過程。這種替代過程的演進，使得變頻器市場上的大功率產品逐漸增多，市場向大功率產品開展的趨勢明顯。2.3變頻器的選型變頻器的大量推廣使用，在節(jié)能、省力化、自動化及提高生產率、提高質量、減少維修和提高舒適性等多方面都取得了令世人矚目的應用效果。然而，變頻器畢竟是近二十年來新出現的一種蘊涵多種高新技術的電力電子產品，要想讓它發(fā)揚特別好的應用效果，就必須對它的選型做深進的研究。變頻器的正確選用關于機械設備電控系統(tǒng)的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉矩和使用環(huán)境的要求，然后決定選用何種操縱方式和防護結構的變頻器最適宜。所謂適宜是在滿足機械設備的實際工藝生產要求和使用場合的前提下，實現變頻器應用的最正確性價比。變頻器選型時要確定以下幾點：1)采納變頻的目的；恒壓操縱或恒流操縱等。2)變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注重負載的性能曲曲折折曲曲折折折折線，性能曲曲折折曲曲折折折折線決定了應用時的方式方法。3)變頻器與負載的匹配咨詢題；I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。II.電流匹配；一般的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。4)在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于一般電機的選型。鋁行業(yè)中有金屬粉塵、腐蝕性氣體等等。因此必須依據現場情況做出相應的對策。1)變頻器應該安裝在操縱柜內部。2)變頻器最好安裝在操縱柜內的中部；變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要制止安裝可能阻擋排風、進風的大元件。3)變頻器上、下部邊緣距離操縱柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大元件等的最小間距，應該大于300mm。2.4選型原那么在選型前，首先要依據機械對轉速〔最高、最低〕和轉矩〔起動、連續(xù)及過載〕的要求，確定機械要求的最大輸進功率〔即電機的額定功率最小值〕。

P=n.T/9950〔kW〕

式中:P—機械要求的輸進功率〔kW〕

n—機械轉速〔r/min〕

T—機械的最大轉矩〔N.m〕然后，選擇電機的極數和額定功率。電機的極數決定了同步轉速，要求電機的同步轉速盡可能地覆蓋整個調速范圍，使連續(xù)負載容量高一些。為了充分利用設備潛能，防止白費，可準許電機短時超出同步速度，但必須小于電機準許的最大速度。轉矩取設備在起動、連續(xù)運行、過載或最高速等狀態(tài)下的最大轉矩。最后，依據變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流確定變頻器的參數與型號。

3高壓變頻器交流調速系統(tǒng)3.1交流變頻調速原理由電機學知，交流異步電動機的轉速公式如下：

n=60?(1-s)/p(1-1)

式中p——電動機定子繞阻的磁極對數；

f——電動機定子電壓供電頻率；

s——電動機的轉差率。

從式〔1—1〕中能夠瞧出，當異步電動機的磁極對數p一定，轉差率s—定時，改變定子繞組的供電頻率f能夠到達調速目的，電動機轉速n全然上與電源的頻率f成正比，因此，平滑地調節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無級地調節(jié)異步電動機的轉速。變頻調速調速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬于恒轉矩調速方式，在基頻以上，屬于恒功率調速方式，與直流電動機的落壓和弱磁調速十分相似。且采納變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度落低電機的起動電流，增加起動轉矩。因此變頻調速是交流電動機的理想調速方案。高壓變頻器調速原理:高壓變頻裝置為交一直一交電壓源型變頻調速系統(tǒng)。三相高壓電經高壓開關柜進進，經輸進落壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主操縱柜中的操縱單元通過光纖時對功率柜中的每一功率單元進行整流、逆變操縱與檢測，如此依據實際需要通過操作界面進行頻率的給定，操縱單元把操縱信息發(fā)送到功率單元進行相應得整流、逆變調整，輸出滿足負荷需求的電壓等級。變頻器輸出的電流波形特不接近于理想正弦波形，對電網有害的諧波重量低，可通過改變調制波的頻率和幅值來調節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。3.2系統(tǒng)組成介紹高壓變頻調速系統(tǒng)采納功率單元串聯技術，不僅解決了器件耐壓的咨詢題也解決了環(huán)流咨詢題，級間輸出電壓移相疊加，極大第改善系統(tǒng)輸出電壓的諧波性能、落低輸出電壓的du/dt；通過電流的多重化技術落低輸進側諧波，減少了對電網的諧波污染。a)移相變壓器柜柜內裝置移相變壓器，移相變壓器采納移相延邊三角形，減少了高壓變頻調速系統(tǒng)對電源網側的諧波。移相變壓器的輸進是三相高壓電〔經開關柜〕。輸出是通過延邊三角形整流后的互成一定角度的三相低壓信號，分不接到每一相的功率單元的輸進端。b)功率單元柜功率單元柜用于放置功率單元，由主控柜通過光纖通訊來操縱各個功率單元的動作。功率單元柜的輸進是移相變壓器的輸出:每相的功率單元輸出信號前后串聯起來，形成三相的電壓輸出，用于操縱電機。該柜內還有輸出電壓、電流檢測局部。c)主控柜高壓變頻調速系統(tǒng)的主操縱局部一數字處理器〔DSP〕為操縱核心，輔以超大規(guī)模集成電路可編程邏輯器件〔FPGA〕、模擬輸進〔AI〕和模擬輸出〔AO〕、數字輸進(SI)繼電器輸出(RO)單元。圖3-1高壓變頻調速系統(tǒng)圖人機界面由數碼鍵盤〔LED〕和觸摸屏組成。主操縱局部和單元操縱局部的操縱信號通過光纖進行信號傳輸，有效防止電磁干擾，保證系統(tǒng)操縱信號的可靠性。主控柜的輸進信號有：旁路柜的接觸器狀態(tài)信號、輸進、輸出電壓、電流檢測信號、各個功率單元的相應信號、以及用戶通過人機界面的操作等。4高壓變頻器交流調速系統(tǒng)的設計4.1鋁廠高壓變頻交流調速系統(tǒng)的設計圖4-1氧化鋁廠焙燒車間引風機的方案主回路氧化鋁廠焙燒車間引風機的設計方案主回路如圖4-1所示；整個系統(tǒng)由1臺功率柜、1臺操縱柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺引風機組成，圖中共有2個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，KM4與KM3采納機械互鎖，并采納PLC操縱系統(tǒng)實現電氣連鎖，防止系統(tǒng)誤操作。當KM1、KM4閉合,KM3斷開時，電機運行在變頻狀態(tài)；當KM1、KM4斷開,KM3閉合時，電機工頻運行，現在高壓變頻器從高壓中隔離出來。系統(tǒng)實現工頻/變頻切換，在變頻器出現故障時，依舊能滿足鋁生產，保證故障時不需停機，提高運行可靠性，減少甚至防止企業(yè)因故障停機造成的損失。圖4-2變頻器開停運行機流程圖KM3和KM4之間存在機械和電氣雙重閉鎖關系，防止變頻器輸出側和10kV電源側短路。當引風機需要變頻運行時，操作變頻器下口開關KM4、變頻器上口開關KM1合閘，然后啟動引風機運行。需要引風機工頻運行時，停止引風機、斷開變頻器下口開關KM4和變頻器上口開關KM3；然后閉合引風機工頻旁路開關KM3，然后啟動引風機運行。電氣操縱圖見附錄圖2。高壓變頻器的設計由移相變壓器、功率單元、操縱系統(tǒng)三局部設計組成。高壓變頻器采納高-高方式，用額定電壓為10KV的高壓PWM電壓型變頻器直截了當驅動電機，實現變頻器的調速，這種方式整體效率高，高壓變頻器設計參數要求：變頻器功率：1250kW額定輸出電流：85A額定輸進電壓：10KV輸進功率因數≥0.98輸出頻率范圍：0~50HZ輸出電壓范圍0~10KV變頻器效率≥96%過載能力100%連續(xù)160%連續(xù)1min220%準許1.5S4.2高壓變頻器調速工作原理電網電壓通過副邊多重化的隔離變壓器落壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸進，單相輸出的交直交PWM(PulseWidthModulation)電壓源型逆變結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直截了當輸出，提供高壓電動機。高壓變頻凋速系統(tǒng)每相由8個功率單元串聯而成，每個功率單元承受全部的電機電流、提供1/8相電壓和1／24的輸出功率每個功率單元分不由輸進變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互盡緣，二次繞組采納延邊三角形接法，實現多重化，以到達落低輸進諧波電流的目的。給功率單元供電的二次繞組每3個一組，分為8個不同的相位組輸進電流波形特不接近于正弦波，總的諧波電流失真小于1％，輸進的綜合功率因數可達O．98以上。逆變器輸出采納多電平操縱式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定的電角度，實現多電平PWM，輸出電壓特不接近于正弦波，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小dv／dt特別小，功率單元采納較低的開關頻率，以落低開關損耗。4.3旁路柜設計旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電機投進到工頻電網運行，保證生產不受礙事。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保衛(wèi)。旁路柜的設計要緊決定于高壓變頻器所帶負載的數目以及工頻和變頻工作方式的切換方法。引風機的運行方式決定了變頻調速系統(tǒng)采納了一拖一的變頻器調速方式，因此，其旁路柜功能和結構就較為簡單。旁路柜要緊配置：四個真空接觸器KM1、KM2、KM3、KM4和兩個刀閘隔離開關K1、K2。該方案在設計中考慮了如下咨詢題:

(1)刀閘k1、k2無機械閉鎖功能，只是在檢修時由手動斷開以形成明顯的斷開點，確保工作人員的平安。在工頻和變頻運行狀況下均處于閉合狀態(tài)。

(2)工頻旁路接觸器KM3與變頻進線接觸器KM4、變頻出線接觸器KM1具備電氣閉鎖功能，不能同時閉合。

(3)在變頻運行狀況下，KM1、KM4閉合，KM3斷開。如需自動切換至工頻運行，現在先停止變頻器輸出，跳閘用戶10kv開關柜，再由電氣操縱依次斷開KM1、KM4，然后閉合KM3使電機切換至工頻側，再合閘開關柜，使電機工頻運行。

(4)在工頻旁路運行狀況下KM3閉合，KM1、KM4斷開。如需自動切換至變頻運行，現在由電氣線路操縱先跳閘10kv開關柜，再斷開KM3，然后依次閉合KM4、KM1，再合閘開關柜，啟動變頻器，完成由工頻旁路運行到變頻運行的自動切換。電機工頻運行時，假設需對變頻器進行故障處理或維護，切記在KM1、KM4分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。

合閘閉鎖：將變頻器“合閘準許〞信號串聯于KM1、KM4合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，高壓斷路器KM1、KM4合閘不準許；在KM1、KM4合閘狀態(tài)下，假設變頻器出現故障，那么“合閘準許〞斷開，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器高壓輸進電源。

旁路投進：將變頻器“旁路投進〞信號并聯于KM3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，假設變頻器出現故障且自動投進準許，或者需要將電機從變頻投進到工頻狀態(tài)運行〔按下“工頻投切〞按鈕〕，系統(tǒng)將首先分斷變頻器高壓輸進、輸出開關KM1和KM4，通過一定延時后，“旁路投進〞閉合，即工頻旁路開關KM3合閘，電機投進電網工頻運行。旁路功能:高壓變頻器增設有旁路開關柜分自動和手動旁路柜兩種，設計時能夠依據現場運行設備穩(wěn)定性要求分不選擇自動或手動旁路柜。高壓變頻器可實現正常狀態(tài)時的軟啟動，工頻運行與變頻運行的相互切換功能一滿足現場運行需要。手動旁路：當高壓變頻器在故障維護狀態(tài)時，可將旁路柜的K1和K2斷開，然后人工合上KM3，將高壓變頻器隔離，從而不礙事高壓電動機的正常運行。自動旁路：變頻器在故障維護狀態(tài)時，可通過智能操縱設備實現K1和K2開關自動跳閘，KM3自動合閘的切換功能，變頻器需要檢修維護時也可通過自動旁路開關柜的自動/手動啟停方式選擇實現高壓電機的變頻/工頻運行，從而滿足工藝要求。4.4移相變壓器柜設計本文設計的10kV電壓等級的高壓變頻器最大優(yōu)勢之一確實是根基采納移相變壓器，實現輸進多重化，使其減少輸進諧波。移相變壓器具有三個功能：①實現一次側、二次側線電壓的相位偏移，以消除諧波。②變換得到需要的二次側電壓。③實現整流器與電網間的隔離。圖4-3移相變壓器結構圖其系統(tǒng)結構如圖4-3所示。變壓器輸進繞組接到10KV三相電壓，輸出繞組有24組副邊繞組，分為8個功率單元/相，三相共24個單元。移相角分為±3．75°、±11．25°、±18．75°、±26．25°，每移相組的電壓為720V，有a1-a8供8個移相組串接組成的A相的每相相電壓為5760V，同此情況，分不有b1-b8和c1-c8串接組成B相和C相的相電壓也為5760V，線電壓為10000V。移相變壓器的設計移相整流變壓器為功率單元串聯型高壓變頻器的輸進端的整流變壓器又稱為“移相整流變壓器〞或“移相隔離變壓器〞。在電網三相電壓的情況下，為了使閥側〔整流后的低壓直流側〕輸出有更好的波形及減少諧波重量，我們往往采納多相的整流線路。采納移相整流變壓器一方面是為了提高整流效率，也為了落低諧波重量，而后者往往是人們要進行要求設計的。論文設計的采納8級串聯，理論上能消除23次以內的諧波。移相方式和工作原理設計時采納了二次側移相，二次側移相比立簡單，我們明白在電網三相電壓的根底上，為了獲得均勻分布多脈波閥側電壓，需要將每相閥側電壓在120內均勻展開。我們采納一次側繞組聯結成Y接，二次側由多個延邊三角形的移相繞組并聯在一臺變壓器上，由這些假設干個延邊三角形的移相繞組來得到所需要的不同的移相角度，從而得到單臺移相整流變壓器輸出的脈波數為48。48脈波移相整流變壓器，在每個鐵心柱上有24個延邊三角形的二次側繞組，它們的間隔為360/48=7.5°，即各個二次側繞組的移相角度為+26.25°、+18.75°、+11.25°、+3.75°、-3.75°、-11.25°、-18.75°、-26.25°。(1)額定輸出低壓確實定移相整流變壓器的額定低壓取決于高壓變頻器的功率單元的承受電壓。高壓變頻器的功率單元(低壓IGBT)的設計承受電壓為720V，每相設計8個功率單元串聯。那么所對應的線電壓(Y接)為10000V。如此，移相整流變壓器的額定輸出低壓也就確定為720V。(2)二次繞組相位差的設計移相整流變壓器的二次繞組的相位差是由整流的脈波數決定的，也確實是根基由高壓變頻器的功率單元的串聯數量決定，以本設計為例，每相設計8個功率單元，那么單臺移相整流變壓器輸出的脈波數為6×8=48脈波。那么二次繞組的相位差為360／48=7.5°，關于8副邊的變壓器，其移相角分不為+26.25°、+18.75°、+11.25°、+3.75°、-3.75°、-11.25°、-18.75°、-26.25°，各移相組角差為7.5°。延邊三角形聯結方式分為正序聯結和反序(逆序)聯結。由于正序聯結時，其移相角是順時針方式，稱為負角度；反序聯結時，其移相角是逆時針方式，稱為正角度。而不管是正序聯結依舊反序聯結，純三角形時，均作為0°?？蓪⒄蚵摻Y稱為-0°，反序聯結稱為+0°。聯結方式及移相見圖4-4。從移相上瞧，依據移相組的多少，在±30。角度內，采納等間距的電氣角度作為各移相角，就形成上述各移相角度。各移相組的角度誤差及電壓誤差均操縱在最小值，副邊各移相組具有相同的電壓和電流，但不相同的相位角，各移相組平均總的功率，其電壓經整流后疊加，再進行逆變和變頻。圖4-4主移繞組聯結圖及電壓向量圖(4)延邊三角形移相繞組和主繞組電壓的計算按正弦定理可得：移相繞組電壓Uy=U2×(sinβ/sin1200)=2/U2sinβ(2)主繞組電壓Uz=U2×[sin(600-β)-sin(β)]/sin1200=2U2sin(300-β)(3)其中：U2—變頻器單元所需電壓〔V〕β—所確定的移相角〔度〕應依據式(2)，(3)分不計算各移相角所對應的電壓。(5)延邊三角形移相繞組和主繞組電流的計算一次側電流：I1=P*103/3/U相〔A〕〔4〕二次側電流：移相繞組電流：Iy=P*103/U2〔A〕〔5〕每一支路電流：Iy支=Iy/N〔A〕〔6〕主繞組電流：Iz=Iy〔A〕〔7〕每一支路電流：Iz支=Iz/N〔A〕〔8〕其中：P—變壓器容量N—二次側繞組副邊數應依據式(4)～(8)分不計算各移相角所對應的電流。移相變壓器采納干式整流變壓器。這種變壓器能夠防潮、阻燃，對環(huán)境習慣性好，而且變壓器尺寸緊湊，占用空間小。變壓器柜內設計：柜內安裝為功率單元提供三相電源的移相變壓器。柜門上設有干式變壓器溫度操縱儀，為變壓器提供風機操縱以及溫度報警和過熱保衛(wèi)。柜前門內側裝有行程開關，當柜門翻開時報警。柜后門裝有電磁鎖，當高壓電進進柜內，電磁鎖自動鎖死，需用專用的電磁鎖鑰匙才能翻開柜子的后門。變壓器前面右側和后面左側是副邊繞組接線區(qū)域，與相應的三相電抗器輸進電纜連接。輸進電源接線在后面上部，直截了當進進變壓器；輸進電壓檢測直截了當接在變壓器輸進側，輸進電流檢測在變壓器的Y接星點電纜上。4.5功率單元柜的設計功率單元要緊由三相橋式整流橋、濾波電容器、IGBT逆變橋構成，以及功率器件的驅動、保衛(wèi)、信號采集、光纖通訊等功能組成的操縱電路。每個電流大小相同的功率單元在結構及電氣性能上完全一致，能夠互換.單元柜內安裝的功率單元和三相輸進電抗器分成三組，每組串聯成一相，每相串聯8個功率單元和8個電抗器，分前后排列。串聯后A1、B1、C1三個功率單元星接，最后三個單元A8、B8、C8輸出接高壓輸出室的接線銅排上。星接電纜上穿有霍爾電流傳感器，檢測輸出電流。功率單元要緊由整流〔交流變直流〕、濾波、再次整流〔直流變交流〕、交-直局部。整流電路：由VD1-VD6六個整流二極管組成三相不可控全波整流橋。二極管的正向電流為電機額定電流的1.414-2倍。采納二極管整流電路的另一個優(yōu)點是變壓器對浪涌電壓的汲取能力較強，雷擊或操作過電壓能夠通過變壓器產生浪涌電流，通過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足以汲取到單元的浪涌能量。濾波電路：電容的耐壓強度一般為400V,還有一局部余量，直流直流母線電壓為720V，兩個電容串聯就滿足設計要求，那個地點選取三個電容串聯。圖4-5單元電路主電路圖緩沖電路：電阻R串進直流主電路中，通電一段時刻之后接通繼電器將其移除，本設計采納的是利用電源與直流母線電壓的關系，來確定開關K5的接通時刻。當接通電源時，電容電壓較低，現在電源電路不工作，不能輸出24V電源，繼電器不動作，直流電流流過電阻R給電容充電，當電容兩端電壓上升到一定值之后，電源電路開始工作，輸出24V電源繼電器閉合，電阻R被短接。主電路參數設計如下：均壓電阻R=20kΩ濾波電容C1-C3=3300Uf/400V整流二極管VD1-VD6=250A/2000VIGBT模塊V1-V4=200A/1700V功率單元元件作用。儲能電容：又喊電解電容，在充電電路中要緊作用為儲能和濾波。PN端的電壓電壓工作范圍一般在430VDC～1200VDC之間，而一般的高壓電容都在400VDC左右，為了滿足耐壓需要就必須是三個400VDC的電容串起來作1200VDC。容量選擇為3300uf/400V。均壓電阻：防止由于儲能電容電壓的不均燒壞儲能電容；因為二個電解電容不可能做成完全一致，如此每個電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發(fā)熱嚴重或超過耐壓值而損壞。C5濾波電容,要緊作用為汲取IGBT的過流與過壓能量。VT1-VT4逆變管〔IGBT盡緣柵雙極型功率管〕：構成逆變電路的要緊器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調的交流電。續(xù)流二極管作用是把在電動機在制動過程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管VT1-VT4在交替導通和截止的換相過程中，提供通道。功率單元操縱結構如圖4-6：直流母線經充電電阻R給電容充電，當電容電壓上升的接近飽和時，相應給主控板，主控板輸出信號時開關閉合，切除電阻R。旁路作用是在功率單元模塊出現故障，主控板檢測到故障信號，迅速啟動閉合旁路開關，切除功率單元，不延誤系統(tǒng)正常運行。圖4-6功率單元操縱結構圖操縱局部:電源板、驅動板、操縱板〔CPU板〕。電源板：開關電源電路向操作面板、主控板、驅動電路、檢測電路及風扇等提供低壓電源，開關電源提供的低壓電源有：±5V、±15V、±24V向CPU其附屬電路、操縱電路、顯示面板等提供電源。驅動板：要緊是將CPU生成的PWM脈沖經驅動電路產生符合要求的驅動信號鼓舞IGBT輸出電壓。操縱板〔CPU板〕：也喊CPU板相當人的大腦，處理各種信號以及操縱程序等局部。輸進側及輸出側結構輸進側由移相變壓器給每個單元供電，高壓變頻調速系統(tǒng)在10kV電源側采納多達48脈沖移相整流技術，電網側諧波污染小，功率因數高，無需功率因數補償及諧波抑制裝置，對同一電網上用電的其它電氣設備不產生諧波干擾。每個功率單元都承受電機電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸進繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互盡緣。二次繞組采納延邊三角形接法，目的是實現多重化，落低輸進電流的諧波成分。輸出側由每個單元的輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到的階梯PWM波形。在輸出側由每個單元的L1、L2輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，由于采納多重化的正弦脈寬調制SPWM技術，輸出諧波特不小，可消除葉片與軸承的振動，無需諧波抑制裝置可直截了當適配各種電機。圖4-7電壓疊加形成高壓輸出原理三相交流電整流后經濾波電容濾波形成直流母線電壓。高壓變頻調速系統(tǒng)采納多個功率單元串聯的形式。關于10kV系統(tǒng)，每相8單元串聯，每個功率單元輸出交流有效值Vo為720V，相電壓為5760V，線電壓為10000V。逆變器由4個耐壓為1700V的IGBT模塊組成H橋式單相逆變電路，通過PWM操縱，在L1和L2兩端得到變壓變頻的交流輸出，輸出電壓為單相交流0-720V,頻率為0－50Hz。逆變器輸出采納多電平移相式PWM操縱技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓特不接近正弦波。由于采取多電平移相式PWM,等效輸出開關頻率特別高，且輸出電平數增加，可大大改善輸出波形，落低輸出諧波，諧波引起的電動機發(fā)熱、噪聲和轉矩脈動都大大落低。功率單元的操縱系統(tǒng)設計功率單元實質確實是根基一臺單相3電平交一直一交變頻器，其工作是在變頻器操縱下進行變頻的，因此功率單元需要接收變頻操縱器的操縱指令，按照操縱要求進行變頻。DSP(DigitalSignalProcessing)操縱器核心由高速32位DSP芯片和工控PC機協(xié)同運算來實現，精心設計的算法能夠保證電機到達最優(yōu)的運行性能。主控器的核心為雙DSP的CPU單元，使指令能在納秒級完成。如此CPU單元能夠特別快的依據操作命令、給定信號及其它輸進信號，計算出操縱信息及狀態(tài)信息，快速的完成對功率單元的監(jiān)控。DSPIC30F4012是一款性能優(yōu)良、資源豐富、功能強大、價格廉價的一款DSP，特不適合作為功率單元操縱器，使用該芯片開發(fā)功率單元不需要直截了當接收PWM信號，只需要接收要求輸出頻率、載波頻率、相位等參數就能夠操縱變頻，簡化了高壓變頻器操縱器系統(tǒng)設計難度，完善了功率單元功能，縮短了開發(fā)周期，制造本鈔票低，具有一定推廣價值。圖4-8功率單元操縱電路原理圖高壓變頻器中的操縱信號傳送裝置，是由雙DSP(數字信號處理器)的CPU單元、接口單元、三個相控單元、操作面板及開關量、模擬量的輸進、輸出子模塊組成，其特征是：CPU單元接收操作面板，I/O接口單元或上位機通信接口的操作命令和給定信號，處理后輸出電壓、頻率給定信號到三個相控單元，信號在三個相控單元轉換成PWM操縱信號，經電/光轉換器轉換成光信號，從光發(fā)送器端口發(fā)往各功率單元，來自功率單元的應答信息經光/電轉換器轉換成電信號，予處理后送主控器集中處理，主控器依據操縱命令、給定信號及運行信息、應答信息進行運行操縱、狀態(tài)分析、故障診斷運算，檢測出故障后按故障性質進行故障處理，如封鎖系統(tǒng)、高壓跳閘等，并給出相應故障信號，還提供故障音響信號；從I/O接口可輸出運行狀態(tài)(開關量)及運行參數(模擬量)，用戶可依據需要選擇輸出量；CPU單元上備有調試用PC機接口，通過在PC機運行調試程序；CPU單元上還備有上位機通信接口RS232，能夠以通信方式從上位機取得操縱命令和給定信號，操縱變頻器的運行，并返回運行狀態(tài)和運行參數的有關信息，以供集中監(jiān)控。4.6操縱柜設計變頻器全部交由上位機DCS操縱，設計的接口講明如下:

(1)集控室操作員站依據現場工藝要求通過標準4～20mA調速信號操縱變頻器轉速輸出，變頻器通過4～20mA模擬信號實時反映現場電機運行電流、電機運行轉速(AI兩路、AO一路);

(2)變頻器運行、停止、待機，輕故障報警、重故障停機、遠程/就地操縱方式、工頻旁路/變頻狀態(tài)量實時上傳上位機(DI節(jié)點假設干，依據設計需要進行拓展或縮減);

(3)變頻器啟動、停止、急停、報警解除為用戶操縱變頻器DO節(jié)點;

(4)電氣聯鎖信號:高壓合閘準許、跳閘信號、合閘信號、用戶開關位置接至原用戶斷路器操縱回路;

(5)工藝聯鎖信號:關用戶風門信號(DI)、風門位置信號(DO)。DCS〔DistributedControlSystem〕系統(tǒng)是一種集散化系統(tǒng),“集中〞與“分散〞的有機結合,保證了其作為工業(yè)操縱設備的優(yōu)越性。DCS系統(tǒng)輸出4～20mA電流信號操縱高壓變頻調速系統(tǒng)的運行頻率,來操縱電機的運行轉速。高壓變頻調速系統(tǒng)相應4～20mA電流信號指示高壓變頻調速系統(tǒng)的輸出頻率、輸出電流。高壓變頻調速系統(tǒng)同時接收DCS操縱系統(tǒng)的啟動、停止、急停、復位操縱信號，調整運行狀態(tài)。

當高壓變頻調速系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)輸出故障停機和報警信息，用于提示用戶啟動故障處理措施，同時高壓變頻調速系統(tǒng)將信號發(fā)送給DCS，在DCS系統(tǒng)上顯示故障，以便于及時的排除故障。要是系統(tǒng)出現緊急情況，DCS監(jiān)視人員立即點擊變頻器緊急停止按鈕，現在變頻器立即封鎖輸出，并及時跳開現場10kV小車開關。圖4-9變頻器與DCS連接如圖4-9所示，檢測引風機出口壓力，因為當內外壓差太大時，布袋除塵器中的煙氣沒有被除掉，就被直截了當吸出，礙事凈化效果。為了保證煙氣凈化過程順暢進行，DCS同意壓力變送器傳輸過來的壓力信號，按照既定算法進行計算。當壓力超過系統(tǒng)設定值時，DCS發(fā)出4-20mA或0-5V的信號來落低變頻器的頻率，實現引風機落速運行來落低出口煙氣壓力；當壓力低于系統(tǒng)設定值時，DCS發(fā)出4-20mA或0-5V的信號來升高變頻器的頻率，實現引風機升速運行來升高出口煙氣壓力。DCS遠程操縱由DCS把DC4-20mA輸進到變頻器操縱引風機的轉速，變頻輸出DC0-10V電壓信號由電流轉換模塊轉換成4-20mA電流信號給DCS，到達監(jiān)控運行數據。變頻器與DCS系統(tǒng)接口原理如圖4-10所示:由DCS系統(tǒng)發(fā)出到變頻器的操縱信號有三種,分不為啟動/停止信號、轉速操縱信號,緊急停止信號;由變頻器返回到DCS系統(tǒng)的相應信號有五種,分不為頻率信號,緊急停止信號;由變頻器返回到DCS系統(tǒng)的相應信號有五種,分不為頻率信號、電流信號、重故障信號、運行狀態(tài)信號、運行預備完畢信號。對外接口模擬量輸進：2路，4～20mA或0～5VDC。4～20mA時輸進阻抗250Ω，0～5VDC電壓輸進時輸進阻抗≥10MΩ。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號。

模擬量輸出：2路，4～20mA或0～5VDC輸出。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω，0～5VDC電壓輸出時最小阻抗5000Ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量。

數字量輸進：32路，光電隔離，隔離電壓500VAC。接收遠程操縱信號，速度給定開關信號及各開關狀態(tài)等。

數字量輸出：16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC，接點容量5A。輸出變頻器狀態(tài)，操縱主電源開斷等。通訊接口：MODBUS，MODBUS作為一種通用的現場總線，差不多得到特別廣泛的應用，許多廠商的工控器、PLC、變頻器、智能I/O與A/D模塊具備MODBUS通訊接口。由于MODBUS總線系統(tǒng)開發(fā)本鈔票低，簡單易用，同時現在已有許多工控器、PLC、變頻器、顯示屏等都具有MODBUS通信接口，因此它差不多成為一種公認的通信標準。通過MODBUS總線，能夠特別方便地將不同廠商生產的操縱設備連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。PROFIBUS通訊規(guī)約，實現與上位系統(tǒng)的通訊。主控板采納高速單片機，完成對電機操縱的所有功能，采納正弦波載波移相方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過RS－232通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態(tài)參數，并同意來自人機界面主控板的參數設置。操縱方式變頻器有三種操縱方式：

本地操縱：通過變頻器的人機界面操縱電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有操縱。

遠程操縱：通過內置PLC同意來自現場的開關量操縱。

上位操縱：通過RS485接口，采納PROFIBUS通訊協(xié)議，接收上位DCS系統(tǒng)的操縱；或與DCS硬件連接。速度設置方式和運行方式變頻器有多種速度設置方式，在閉環(huán)運行時，速度設置方式即為被控量的給定方式：

本地設置：通過薄膜式液晶屏設置運行頻率。

模擬設置：接收DCS系統(tǒng)0～10V或4～20mA模擬信號設置運行頻率或被控量給定值。

通訊設置：通過通訊方式接收來自DCS系統(tǒng)的運行頻率或被控量給定值。

多檔設置：通過開關量設置多檔運行速度或被控量給定值。

閉環(huán)調節(jié)：由PID自動設置運行頻率。變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式。

開環(huán)運行：變頻器以設置頻率輸出。頻率〔或稱速度〕的設置方式有本地設置、模擬設置、通訊設置和多檔設置。

閉環(huán)運行：對一個運行參數〔如流量、壓力等，簡稱被控量，此處以壓力為例〕實現跟蹤操縱。閉環(huán)運行時，實際壓力信號來自于現場信號，而壓力期瞧值有3種設置方式，分不為本地設置、模擬設置、通訊設置。圖4-10變頻器與DCS系統(tǒng)連接設計圖4.6.4性能要求〔1〕變頻裝置應設以下保衛(wèi)：過電壓、過電流、欠電壓、缺相、短路、超頻、失速、變頻器過載、電機過載、半導體器件的過熱、瞬時停電等全然保衛(wèi)功能，必要時能聯跳輸進側開關。

〔2〕變頻裝置操縱系統(tǒng)應可靠，重要元器件應冗余配置。變頻器應滿足本風光板操縱、現場操縱和主控室計算機〔DCS〕自動操縱三地操縱功能及轉換。且變頻器本體柜操作盤應能進行相關的各種操縱操作和參數設置，顯示面板具有電流、電壓、頻率、功率、功率因數、開、停、故障顯示及故障經歷等全然功能顯示。

〔3〕提供的變頻器支撐軟件宜為漢化的最新的正版軟件。變頻裝置應帶故障自診斷功能，能對發(fā)生的故障類型及位置提供中文指示，能在就地顯示并遠方報警。

〔4〕變頻裝置應能同意現有DCS或其它操縱系統(tǒng)的指令，并相應變頻器的要緊狀態(tài)信號和故障報警信號，至少包含以下開關量和模擬量信號：

開關量輸進：起動、停止、手動/自動轉換信號。

開關量輸出：高壓預備就緒、變頻器運行、故障、停止信號。

模擬量輸進：頻率調節(jié)〔轉速給定〕；DC4～20mA標準信號。

模擬量輸出：輸出頻率、輸出電流；DC4～20mA標準信號。

〔5〕變頻裝置的I/O可依據用戶的要求進行參數化，對開關量輸進回路在硬件上采取光電隔離措施，在軟件上采取消除接點抖動措施，并作好接地、屏蔽等抗干擾措施。對開關量輸出操縱應具有光電隔離輸出，并能直截了當啟動任何中間繼電器；模擬量信號增加信號隔離器隔離。

〔6〕變頻裝置應具有與現有操縱系統(tǒng)DCS或其它操縱系統(tǒng)的通訊接口；能與現有操縱系統(tǒng)DCS或其它操縱系統(tǒng)共同完成兩系統(tǒng)間的通訊連接。

〔7〕變頻裝置內部通訊應采納光纖連接，以提高通訊速率和抗干擾能力；變頻器柜內強電信號和弱電信號應分開布置，以防止干擾。4.7變頻操縱裝置中的PLC及PID的設計在高壓變頻器的設計中，為了提高高壓變頻器內部操縱的靈活性以及在現場應用的可擴展性，通常在高壓變頻器中內置PLC。自從20世紀70年代第一臺PLC誕生以來，PLC的應用越來越廣泛、功能越來越完善，除了具有強大的邏輯操縱功能外還具其他擴展功能A／D和D／A轉換、PID閉環(huán)回路操縱、高速記數、通信聯網、中斷操縱及特別功能函數運算等功能，并能夠通過上位機進行顯示、報警、記錄、人機對話，使其操縱水平大大提高。圖4-11高壓變頻操縱系統(tǒng)生產現場操縱單元的智能操縱終端有三種選擇，即由單片機組成的操縱終端、可編程邏輯操縱〔PLC〕以及工業(yè)操縱計算機。其中PLC是專為滿足各種操縱場合而設計的，新型高性能的PLC不僅能夠代替繼電接觸系統(tǒng)對開關量進行邏輯運算和操縱，還能夠對模擬量進行數據處理、算術運算以及操縱，有的還具有通信聯網功能。因此各類操縱系統(tǒng)中已開始越來越多地使用PLC，特別是在工業(yè)自動化領域得到了廣泛的運用。眾所周知，PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、系統(tǒng)配置靈活、編程、調試及維護方便等優(yōu)點。由于它的特別運行方式，實時性相對計算機慢些，但隨著微處理器技術的提高，PLC運行的周期大大縮短，足以勝任各種實時性要求較高的操縱對象。其操縱系統(tǒng)的智能操縱終端宜選用PLC操縱器，即操縱單元的核心部件由PLC擔任。設計選用的是西門子生產的PLC，其型號為S7-200，6ES7216-2AD22-0XBO。高壓變頻器使用西門子的PLC中的S7-200，具有較好的與DCS系統(tǒng)接口能力。siemenss7-200cncpu226cn1臺，模擬量i/o組合模塊em223cn1塊。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揚其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單操縱到更復雜的自動化操縱。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測。西門子CPU226介紹：CPU226具有24個輸進點和16個輸出點。本機集成24輸進/16輸出共40個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，設計時選擇一個擴展，擴展板塊選用EM233。最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID操縱器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可特別輕易地整體拆卸。用于較高要求的操縱系統(tǒng)，具有更多的輸進/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特別功能?？赏耆晳T于論文設計的操縱系統(tǒng)。CPU226與變頻器開關量的接線設計PLC操縱系統(tǒng)接線設計見附錄圖3。CPU226輸進接口I2.1變頻停止I2.2急停I1.5I1.6變頻/停止/就地I1.7遠程/就地I2.0就地變頻停止I2.3遠程復位I2.4遠程變頻啟動I2.5工頻啟動I2.6備用I2.7遠程信號圖4-12PLC引足分配圖I1.2風機故障信號I1.0風機運行信號I0.0頻率鎖定信號I0.1變壓器超溫信號I0.2備用圖4-13PLC與系統(tǒng)故障連接圖CPU226輸出接口：Q0.0變頻故障切除Q1.2封鎖IGBTQ0.1工頻故障切除Q1.3變頻運行指示Q0.2KM1合閘Q1.4報警故障指示Q0.3KM1分閘Q1.5變頻器運行指示Q0.4KM4合閘Q1.6變頻器就緒指示Q0.5KM4分閘Q1.7變頻器故障指示Q0.6KM3合閘Q0.7KM3分閘Q1.0風機維持Q1.1風機分閘圖4-14PLC輸出引足圖EM223輸出接口Q2.0跳用戶開關Q2.1用戶開關合閘準許Q2.2備用Q2.3變頻器報警指示PLC電源：輸出側采納220VAC給輸出的繼電器和指示燈，輸進側采納自身的24VDC，如4-15圖：圖4-15PLC電源接線圖高壓變頻器設計本身帶有PID調節(jié)器，通過參數設置，從變頻器的操縱端子上連接相應信號，從面板或操縱端子上設定目標值，通過內部的PID參數調節(jié)，實現自動操縱。給定儀表調節(jié)器面板風量設定，同時檢測引風機出風口風量和變送器檢測到的負壓實際值比立，經儀表調節(jié)器PID運算后輸出4～20mA電信號，作為變頻器頻率給定信號，用于變頻器操縱電機轉速，到達自動操縱風量的目的。這種方式采納內部操縱，優(yōu)點是不用增加不的器件，直截了當進行操縱，投資少，缺點是PID的調節(jié)精度不高，關于一般的操縱精度不高的場合可到達要求，關于要求周密度較高的那么難以滿足工況需求。另外，假設采納手、自動切換的場合，那么不行實現。必須再重新設置參數，改成開環(huán)操縱才能實現，比立繁瑣。如有的系統(tǒng)要求開始運行時采納手動調節(jié)，待系統(tǒng)的實際運行參數與目標值接近一致時，再用閉環(huán)運行，由被控物理量自動調節(jié)；還有的是在運行中相應環(huán)節(jié)出現咨詢題，如壓力傳感器或流量計出現咨詢題，不能正常工作，或儀表線出現斷線，無法實現自動操縱，在不能查出緣故的情況下，只能用手動先臨時運行，這種情況該方案就比立苦惱，要重新設置參數，才能實現手動操縱。4.8高壓變頻器的可靠性設計為保證高壓變頻調速系統(tǒng)的高可靠性，在提高系統(tǒng)各組單元的內在可靠性和系統(tǒng)抵抗外部故障因素的能力方面，要緊采納以下設計措施：

〔1〕上位操作計算機采納與主控計算機全然相同的軟硬件配置，當主控計算機發(fā)生故障時，能夠在不停機的狀態(tài)下，迅速替換，保證系統(tǒng)的可靠性運行。

〔2〕操縱系統(tǒng)由主控單元、PLC(西門子S7-200)、主控計算機組成，在主控計算機發(fā)生故障時，系統(tǒng)不停機，確保生產的進行。

〔3〕為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，所有的功率模塊與主控單元之間通過光纖通訊，低壓和高壓局部完全可靠隔離，所有I/O板全部采納了隔離措施，將通道上竄進的干擾源拒盡在系統(tǒng)之外。

〔4〕操縱器結構上采納箱體結構，各操縱單元板采納FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和外表焊接技術，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

〔5〕盡量采納低功耗的CMOS元器件提高系統(tǒng)的溫度習慣能力，落低功耗。

〔6〕電源系統(tǒng)完全采納開關電源技術，各局部功能單元采納獨立的供電措施，保證在某一局部發(fā)生故障時，其他局部仍能可靠運行。

〔7〕選用各種電阻、電容器及集成電路、隔離器件時，對其耐壓能力留有較大的余量，對集成電路的拉電流、灌電流能力使用，也留有足夠的余量。

〔8〕輸進干式變壓器免維護，可靠性高。

〔9〕多級模塊串聯，器件工作在低壓狀態(tài)，便于采納成熟技術，不易發(fā)生故障。

軟件可靠性措施：整個軟件開發(fā)過程按正向設計進行，底層實時操縱系統(tǒng)為自行設計和編寫，確保整個系統(tǒng)中沒有不清楚的局部，資源分配留出特別大裕度。整個系統(tǒng)的組成軟件通過嚴格測試，窮盡各種故障可能，確保系統(tǒng)不死機，不出故障。對所有接口關系嚴格定義，且均設立非法進進和退出處理措施。5節(jié)能計算5.1引風機變頻調速節(jié)能原理當風速的轉速從n1變?yōu)閚2時，風量Q、風壓H、風機功率P變化關系為：Q1/Q2=n1/n2〔1〕H1/H2=〔n1/n2〕2〔2〕P1/P2=〔n1/n2〕3〔3〕有上式〔1〕、〔2〕、〔3〕可知，風機流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的二次方成正比，而軸功率與轉速的三次方成正比。當需要的風量減小時，改變電機的轉速，理論上電機的能耗將以其3次方的速率下落。當風機轉速落低以后，其軸功率以轉速的3次方的速率落低，驅動風機電動機所需的電功率亦可大大減少，因此調節(jié)轉速是風機節(jié)能的重要途徑。由此可見，當通過落低轉速以減少風量到達節(jié)流目的時所消耗的功率落低許多。例如，當轉速與風量下落到90％時，軸功率落到額定功率的73％，當轉速與風量下落到70％時，軸功率落到額定功率的34％。當風機風量需要改變時，如采納調節(jié)風門開度的方式，那么會使大量電能白白消耗在閥門阻力上。如采納變頻調速調節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大