变频器在工业企业中的应用

变频器在工业企业中的应用姓名许政单位电力厂工种电工申报级别高级技师时间2010年10月15日1变频器在工业企业中的应用电力厂许政【摘要】：主要介绍了变频器的工作原理、调速性能和节能作用，指出变频器在工业企业的应用中取得了较好的经济效益和社会效益，具有广阔的应用前景。要根据现场情况做好变频器的选型、安装与日常维护工作。【关键词】：变频器；节能；工业企业；应用概述由于变频器应用的广泛性，决定了变频器市场容量非常庞大据有关资料研究，2007年中国低压变频器规模达110亿元，2008年中国高压变频器市场规模达39亿元。广东一省而言；低压变频器市场规模就达35亿。此外，作为节能的公认产品，变频器在目前举国上下节能减排的大环境下，更将有更大的发展，国务院甚至将高压变频器作为全国电厂节能减排重要产品予以推荐。我厂在风机和水泵设备上也广泛应用了变频器。比如：东方铜业公司、精锌冶炼厂、热电厂等单位的风机就应用了罗彬康完美无谐波高压变频装置；铅锌冶炼厂风机采用了施耐德中压变频器。全集团公司各个生产单位都广泛应用了低压变频器。1．变频器技术的发展变频器技术的发展，其中主要以变频器控制方式的发展和电力电子器件的发展作为基础的。很久以来，人们在交流电机调速方面进行了大量的研究。由脉宽调制到变频变压VVVF技术，自20世纪80年代起，变频器进行了商业化；后来，随着磁场定向控制理论，异步电机转子磁场定向矢量控制方法等的出现，成为矢量控制型变频器的理论基础。1985年，德国迪普布罗克首先提出了直接转矩控制理论，1995年，ABB首先推出了直接转矩控制通用变频器，其动态转矩响应已达到小于2ms，不带速度传感器(PG卡)也可以达到±O．1％的速度控制精度。电子元器件的长足发展是变频器技术发展的现实基础，从第一代晶闸管(SCR)到门极关断晶闸管(GT0)、双极型电力晶体管(GTR)，再到半导体场效应管(MOSFET)、MOS控制晶体管(MCT)及目前普遍广泛应用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。另外，集成功率模块(ISPM)的开发应用，将整流电路、逆变电路、控制回路、驱动和保护、电源电路全部整合在一个模块内，使变频器的体积大大缩小，成本大大降低。22．变频器概况变频器作为一种能源转换的节能设备，随着技术的发展，电力电子器件的自关断化、模块化、交流电路开关模式的高频化和控制手段的全数字化等促进了变频装置的小型化、多功能化，灵活性和适应性不断增强，应用领域不断扩大。2．1变频调速的基本控制方式异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为n=60f／P(1)n——同步转速，r／min；f——供电电源频率，Hz；p——电机磁极对数。由(1)式可知，改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，即可改变异步电动机的轴转速，实现调速运行。2．2变频器的基本构成变频器分为交一交和交一直一交两种方式。工业中常用的通用变频器为交一直一交形式，又称为间接式变频器，是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率可控制的交流电去驱动电动机。其基本构成如图（1）所示。图（1）变频器的基本构成变频器由主电路(包括整流器、中间直接环节、逆变器)和控制电路组成。整流器把三相3交流电整流成直流电；逆变器是利用半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，通过有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出；中间直流环节作为储能环节来实现与感性负载的异步电动机交换无功功率，缓冲无功能量。控制电路由运算电路、检测电路、控制信号和驱动电路构成，实现对逆变器的开关控制和各项保护功能。2．3工作原理控制系统由变频器主电路和外部二次控制电路组成。见变频器的主工作电路图(2)。变频器经接触器串接于电源与被控三相异步电动机之间，变频器内部由整流器(整流模块)、滤波器(滤波电容)和逆变器(大功率晶体管模块)三个主要部件和以单片机为核心的控制系统构成。主回路是先将工频交流电通过整流器变成直流电，经滤波后，再经过逆变器通过给定输入控制量，将直流电变成可控频率、电压的交流电，供给三相交流异步电动机，实现电动机调速运行。图（2）变频器主工作电路图2．4变频调速的优点变频调速是调速性能最好且最具有发展前途的调速技术。变频调速产品是工业发达国家4中用于三相异步电动机调速的主要产品，占90％左右。其主要优点是：节能效果好，可高达55％以上；调速范围宽，调速比可达到20：1；启动及制动性能好，可实现软启动、自动平滑加减速及快速制动；保护功能完善，可实现过压、欠压、过载、过流、瞬间停电、短路、失速等多种保护方式，且能实现故障判断显示；易于在电子计算机系统中使用，可实现远距离控制。3．变频器的应用3．1变频器在泵类负载中的应用变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，相应地改变机泵的转速和工况，使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。某工厂对装置内负载波动大，调节阀节流严重的机泵安装了65台变频器，总容量为3600kW，其中大部分是闭环控制系统，即现场一次表经变送器将信号通过屏蔽电缆送到PID调节器，调节后通地屏蔽电缆将4mA～20mA直流信号送到变频器盼设定口，控制变频器的输出。余下部分是开环控制系统，即根据控制目标通过电位器给定来控制变频器输出，以使电动机工作在符合工艺要求的转速上，完全靠变频器输出控制电动机转速来控制流量，使机泵的出口阀达到全开状态，扬程与管网阻力特性曲线相吻合，泵出口扬程大幅度下降，电动机输出有功功率也明显降低，获得最佳的节能效果。变频器的使用，使节电率达到50％～70％，不但提高了工艺要求，实现了生产过程自动化，而且延长了设备的使用寿命，提升了产品质量，同时减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，取得了较好的经济效益和社会效益。3．2变频器在风机上的应用通常在工业生产、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被风门、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、维修费用居高不下。在中央空调、炼钢厂、水泥制造、化纤等行业中都用到风机。在没有调速控制之前，一般采用降压启动，并且正常运行后，电动机全速运行，而风量的大小则通过风门来调节。一5般情况下，风门的开度为50%--80%，电机只能是满负荷运行，电动机的工作效率很低，造成了很大的浪费。变频器的出现很好的解决了根据工况而直接控制风量的大小，满足了工况的要求。变频器是无级调速的，用变频器改造风机，具有以下特点：1）启动停止平衡，无级调速，调速范围大。2）工作可靠，能长期稳定运行。3）操作简便，维护量小。4）输出特性可满足风机性能要求。5）节能效果显著。根据离心泵的特性，风机的流量变化与转速成正比，压力变化与转速成正比，而功率变化与转速变化立方成正比。因此，当风机转速降低时，风量减少。电机功率成立方比下降。因此要提高电动机的工作效率、节约电能，可在风机电动机上安装调速装置。安装了调速装置的风机电动机如图（3）所示。补水泵投切开关循环泵热交换器加热、保暖P2P1锅炉RDPLC压力检测压力控制压力控制压力检测温度检测温度控制电源图（3）安装了调速装置的风机电动机6根据工作的情况调节调速器装置就可以满足工作状况的要求。另外，用变频器对风机进行改造不必对原始系统进行大改动。经过变频器改造后，工作时，让电动机高速运行已达到我们的要求。不工作时，使电动机低速运转节约电能。控制系统总体构成如图（4）所示。图（4）控制系统总体构成其中，鼓风机、引风机、炉排机变频器受燃烧控制系统的控制，给水泵变频器受汽泡水位的控制。控制器的输出信号将控制相关的变频器输出频率，以达到稳定工况及提高锅炉热效率和节能之目的。通过对变频器在工业锅炉上的应用进行总结，具有以下优点：1）节电降耗效果显著，操作简便，调节平衡，尤其与微机控制相连更体现了优越性。2）平滑启动及转机转速下降，机械磨损减小，故障率下降，减少了停机、停炉对生产的影响。3）挡板和调节阀的机械磨损、卡死等故障不复存在了。改造效果明显，以75KW为例：改造前实测数据：U=380V;I=120A;cos∮=0.887P=1.732UIcos∮=1.732*380*120*0.887=70KW改造前年耗电量（一年以330天计算）为：70KW*24*330=554400度。改造后实测数据：U=380V;I=120A;cos∮=1P=1.732*380*75*1=49KW改造后年耗电量（一年以330天计算）为：49kw*24*330=388080度。每年节省电量：554400-388080=166329度；节电率：166320÷554400=30%；每年节约锅炉传感变动仪器控制器变频调速器显示器工控机打印机7电费（按0.6元/度计）：166320*0.6=99792元。对风机改造表明：1）采用交流变频器对风机进行节能改造具有结构简单、改造方便、节能效果明显、投资回收期短的特点；2）使用变频器后，风机可软启和软停、减少设备机械冲击、延长设备使用寿命、降低设备维修费用。3．3变频器与节能变频器的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。我国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。据统计；在我国电网的总负载中，动力类占59％，其中的90％是异步电动机，电动机所耗电能占整个工业用电的60％～70％。据分析，我国带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1．8亿kW。因此国家大力提倡节能，并着重推荐了变频调速技术。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的3次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的3次方下降。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例的下降，而此时轴输出功率成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4／5时，其耗电量为28．16kW，省电48．8％；当转速下降到原转速的112时，其耗电量为6．875kW，省电87．5％。因此，采用变频器精确调速来调节流量、风量，节电效果非常可观，节电率为20％～50％。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计容量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此，变动负载的节能潜力巨大。以化工行业为例，化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户，其主要生产工艺都是通过各种泵、空气压缩机来完成。目前，这些油泵、水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，如将占绝对多数的非调速型电机改成调速运行，使其耗电量实现随负荷大小而变化，则可节约大量能源，将产生显著的节能效果。现代电力电子技术、交流调速技术的发展使得交流电动机变频调速在频率范围、动态响应、精度要求和使用效果等方面发生了巨大的变化。据不完全统计，各大中型化工企业中，鼠笼式异步电动机占整个电动机总容量的80％，因此，变频调速技术在化工行业中的应用具有广阔的发8展空间。4变频器的选型与安装负载的性质决定了变频器的选型和使用。选择使用变频器时必须熟悉所驱动设备的负载性质，了解各种变频器的性能，才能合理正确选用。生产机械的转矩特性分成三种类型：恒转矩负载、风机泵类(减转矩)负载、恒功率负载。选煤生产调速机械设备多为前两种负载特性。恒转矩负载(如胶带输送机、给料机)，要求的输入负载转矩与转速基本无关。由于功率与转矩、转速两者之积成正比，所以生产机械所需的功率与转速成正比，变频器驱动该类性质的负载时，低速下的负载转矩要足够大，并且