1变频器在铝行业的应用及选择

变频器在铝行业的应用及选择摘要：主要介绍了变频器在铝行业中的典型应用，以及变频器的选择方法，而且简要地给出了变频器在铝行业的应用实例，变频调速系统的系统接线方式及应用效果。关键词：变频器；风机泵类；电动机引言随着科学技术水平的不断提高，新型大功率电力电子元器件的诞生，集成电路和微机技术的应用，交流变频调速技术已日趋完善和成熟。交流变频调速系统以调速范围宽、动态响应快、调速精度高、保护功能完善和操作简单等优点，已在冶金、造纸、石化等多个领域得到应用。变频器是利用电力电子器件把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机变速运行的设备，是运动控制系统中的功率变换器。交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，随着新型大功率半导体器件的推出，控制理论不断更新和发展，微电子技术的不断完善，各种通用的和高性能的交流传动控制系统相继诞生，变频器也越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的诸多领域，在风机、水泵、压缩机等流体机械上应用可以节约大量的电能，其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性，因此取得了极佳的经济节能效益。一、变频装置在铝行业的典型应用对于铝行业，工艺流程复杂，使用了大量交流传动系统和异步、同步电机，其中，在氧化铝厂包括：矿山、选矿系统、烧结法系统、拜耳法系统以及供电系统等；在电解铝厂包括：电解车间、电解烟气净化、超浓相输送、整流以及动力部分等。交流变频装置在铝行业主要典型应用如表1所示。工厂类型／工艺流程主要工艺设备主要辅助设备铝土采矿机械电动装岩机、电耙、凿岩机、局扇、喷证机矿山矿山机械电机车、矿车、放矿机、提升机、起重机、皮带输送机、计量装置对旋式风机、轴流式风机、空压机供电电力变压器、提升整流变压器、高压开关柜、微机保护系统供水多级泵、冷却塔氧化铝厂选矿部分圆锥破碎机、圆震动筛、胶带机、堆取料机、球磨机、双螺旋分级机、浮选机、浓缩机、陶瓷过滤机、液下泵、矿浆搅拌槽鼓风机、化验分析设备、起重机拜耳法部分原矿浆槽、宽流道板式换热器、种分槽、进料泵、旋流器、沉降槽、絮凝剂制备统、赤泥外排泵、立式叶滤机、平、立盘过滤机、强制蒸发器、强制制循环泵、管磨机、套管预热器、保温溶出器、自蒸发器、矿泵隔膜泵、种子过滤机、气态焙烧炉、燃烧系统高压清洗泵及清洗装置、真空泵、电收尘器、冷却器、化验分析设备、起重输送设备、包装机、生产供水及废水处理系统、循环水系统电收尘器、起重输送设备、鼓风机、计量系统、熔盐制备系统、生产供水及废水处理系统、循环水系统烧结法部分破碎机、堆取料机、球磨机、分级机、分离沉降槽、絮凝剂制备系统、料浆调配槽、水力旋流器、回转窑及冷却机、燃烧系统、泥浆泵、化灰机电收尘器、起重输送设备、鼓风机、计量系统、熔盐制备系统、生产供水及废水处理系统自备热电厂锅炉、汽轮机、发电机、上煤系统、化学水处理系统、除灰渣系统；供电系统引风机、一二次风机、电动给水泵、循环水泵、循环水系统电解铝厂电解槽、超浓缩输送系统、多功能天车、铸造机、阳极组装设备、氧化铝储运设备、整流设备、动力变压器等布袋除尘器、循环水系统化验分析设备、起重输送设备、压缩空气系统二、交流调速及变频器在铝行业应用现状目前．在铝行业交流调速及变频器主要应用于输送泵类、风机水泵类、传输驱动等环节。例如，变频器在氧化铝厂种分工艺沉没泵中的应用、变频器在炭素厂煅烧车间胶带输送机中的应用、变频器在氧化铝超浓相输送系统中的应用、锅炉的高压给水泵、热网循环泵等泵类。众所周知．电解铝厂的主要生产原料是氧化铝，电解铝生产系统采用冰晶石一氧化铝熔盐电解工艺生产铝。铝电解的生产过程控制系统，主要由氧化铝输送及电解槽的控制两大部分组成。而氧化铝的输送自动控制系统一般包括由卸料站到车间日用储罐和由日用储罐到各电解槽上料箱两部分。其中，前者为氧化铝远距离输送控制，而后者为近距离输送，并且在输送过程中，还要求将氧化铝自动分配各槽上料箱中去。我国目前各铝厂尤其是新建厂中，几乎都是通过氧化铝超浓相输送到各槽上料箱中去。采用超浓相输送的工艺主要流程是：车间日用贮罐中的氧化铝经过配料计量后加入到风动溜槽，在配套离心高压风机提供的高压风作用下，送到各电解槽上部的槽料箱，供电解槽使用，多余的废气通过溜槽上部的排气I：1放出。这种方式自动化程度高，输送效率高，能耗低，对设备损害小。因其是封闭式的方式，不会造成原料浪费和环境污染。将电解车间超浓相输送适当分区，使用变频调速系统，可以调整氧化铝超浓相输送系统中的风压，风压始终能快速达到现场生产所需的设定值，大大减少了电解槽料箱的跑、漏料现象，减少了溜槽堵塞和排气箱堵塞的机率，电解车间的缺料现象明显减小了。而且其调节精度高，响应速度快，节能效果显著。氧化铝厂种分槽是生产中最重要的流程之一，种分槽物料较为粘稠、流动性差，因此对于种分槽的各种泵类的驱动就要求在低速时可正常起动，且有足够大的驱动力矩．用来克服结疤以及摩擦等带来的品力，以保证足够的扬程。作为种分槽沉没泵就是最有代表性的重要的设备，在氧化铝厂种分槽沉投覃迁变频调速系统，延长了电机的使用寿命，而且在设备稳定运行、保护、节能等各方面都达到了原设计目的．效果十分明显。在炭索厂中。煅烧是生阳极制造不可缺少的环节．将原辩破碎后输送至煅烧炉(即回转窑)，胶带输送设备就是一个载体。胶带输送机由电动机作为原动力如果在起动、运转、停止的过程中，转速不平滑，起动瞬间起动电流大，对电网有冲击，对机械设备有损害，不能满足生产工艺的要求。因此，煅烧车车间胶带输送机的电动机采用变频调速系统，使起动、停车、运行、DECACC/及中止等步骤上实现平稳、平滑、无抖动、无级调速，令现场工艺过程始终处于受控状态，其转矩处于恒转矩控制。在火力发电厂，陆续加装变频装置，对凝结水泵、送风机、引风机等大型辅机设备进行变频改造，明：系统稳定性良好，同时大大提高了过程工艺参数的关注。以上控制系统运行方式均可设为就地控制/远程控制。远程控制由计算机控制，主控制室计算机根据反馈来的参数及各种状态进行控制，控制的对象为变频器，由微机控制变频器输出调节电机运转。变频器输出频率是变频器和异步电动机系统的独立控制变量，用来满足工艺的需要。三、变频器的选择由于在铝行业变频器主要运用于风机泵类负载，因此主要介绍风机泵类负载变频器的选择。风机泵类属于平方转矩的负载，转速n的变化将引起电机转矩T和功率P的强烈变化。在只改变风机转速的条件下，风机流量与其转速成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。因此在系统中应用变频器调速技术，及时调整电机转速，风机可以迅速响应负载变化引起的风量风压变化，同时使能耗大为降低。对于风机、泵类等负载，对调速低于额定频率以下且负载转矩较小，在过载能力方面要求又较低，对转速精度没有什么要求时，可以选择普通功能型的U/F控制变频器。大多数的风机和水泵在出厂时已经配好了电机，所以采用变频器调速时，一般不再另配电机。变频器的制造商大多提供风机和水泵专用的变频器，所以选择变频器比较简单。3．1选择变频器时应注意的问题对于平方转矩负载，选择变频器时最主要的问题是如何得到最佳的节能效果，需要正确预置变频器的功能。需要考虑以下几点：（1）由于负载转矩与转速的二次方成正比，当工作频率高于电动机的额定频率时，负载转矩可能大于电动机的转矩，使电动机过载。因此变频器设置时，最高工作频率不应高于电动机的额定频率。也不要轻易将变频器出厂时设置的最高频率增加，避免对电动机出现不利情况。变频器的容量应与最高工作频率时的负载功率相当或稍大。（2）为了得到最佳的节能效果，大多设置有若干的低频FU/控制曲线，在系统调试的时候确定具体采用哪个控制曲线。原因是低频控制曲线的转矩相对减少了，在相同转速下，功率减小了，达到了节能效果。(3)选用低频FU/控制曲线后，由于转矩的相对减少，有时会出现不能起动的问题。解决的办法是选用另一个低频FU/控制曲线，或者将变频器的起动频率设置得大一点。(4)由于低频FU/控制曲线对应的转矩特性不可能与负载的特性完全吻合，因此在低频控制曲线下运行，仍具有节能的潜力。选择调速时注意流量与压力两个指标，满足工艺要求的低转速可能会使压力过低，以至产生不能使用的后果。3．2变频器电压和电流的选择变频器输出电压的等级是为适应异步电动机的电压等级而设计的，通常等于电动机的工频额定电压。实际上，变频器的工作电压是按U／f曲线关系变化的。变频器规格表中给出的输出电压是变频器的可能最大输出电压，即基频下的输出电压。由于电动机的发热时间常数通常以分钟计算，小功率电动机约为几分钟，大功率电动机可达十几分钟乃至若干小时，所以相对于电动机而言的短时间，大多超过一分钟。变频器虽然也有过载能力(通常为150％)，但允许过载的时间只有一分钟，相对于电动机的发热时间常数而言，几乎没有什么过载能力。所以电动机有过载时，损坏的首先是变频器(如果变频器的保护功能不完善)。所以在选择变频器时，变频器的额定电流是一个准确反映半导体变频装置负载能力的关键量。因此，选择变频器额定电流的基本原则是：电动机在运行的全过程中，变频器的额定电流应大于电动机可能出现的最大电流，即maxMNII(1)式中：NI——变频器的额定电流，A；maxMI——电动机的最大运行电流，A。（1）变频器驱动单个电机时的电流选择由于变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率大一个等级，一般为max1.1MNII(2)(2)变频器驱动多台电动机时的电流选择多台电动机由单个变频器供电且同时起动时所需电流最大。一般情况下，功率较小的电动机(小于7.5kW)采用直接起动，功率较大的则使用变频器功能实行软起动。此时，变频器输出的额定电流按下式进行计算pninjimimiNKIII/)(11(3)式中：mimiI1——所有直接起动电动机的堵转电流之和；ninjiI1——所有软起动电动机的额定电流之和；pK——变频器容许过载倍数(1.3～1.5)。3．3变频器容量的选择变频器的容量需要和电动机的容量配合。(1)变频器驱动单个电动机时的容量选择连续恒定负载运行时所需的变频器容量CNP的计算如式(4)和式(5)所示，式(4)满足负载的输出要求，式(5)实现与电动机容量的配合。选择时要同时满足式(4)和式(5)。cosMCNkPP(4)3103MMCNIkUP(5)式中：MP——电动机轴上输出的机械功率，kVA；——电动机的效率；cos——电动机的功率因数；MU——电动机的电压，V；MI——电动机的电流，A；K——电流波形的修正系数，PWM方式是通常取为1.0～1.5；CNP——变频器的额容量，kVA。(2)大惯性负载启动时变频器的容量选择大惯性负载启动时变频器的容量计算如下：)375(cos95502ANLNCNtnGDTknP(6)式中：2GD——换算到电动机轴上的总飞轮矩，2mN；LT——负载转矩，mN；At——根据负载要求确定的电动机加速时间，s;Nn——电动机的额定转速，r/min；其他各量同上。大惯性负载如起重机的平移机构、离心式分离机构和铸造机等，这种负载折算到电动机轴上的等效GD。比电动机轴上的GD。大得多。根据变频器厂家提供的变频器容量匹配表选择变频器时，具有较大的安全性。(3)变频器驱动多台电动机时的容量选择变频器同时驱动多台电动机时，需要考虑变频器的过载能力，要保证变频器的额定电流大于所有电动机的运行电流之和。设变频器的过载能力为Kp，允许过载的时间为1min，如果电动机的加速时间在1min以下时，则变频器的驱动容量可按式(7)计算，如果电动机的加速时间在1min以上时，则变频器的驱动容量可按式(8)计算。)]1([cosSSTMCNPKNNkPPK(7))]1([cosSSTMCNKNNkPP(8)式中：TN——电动机并联的台数；SN——电动机同时起动的台数；SK——电动机起动电流与电动机额定电流的比值；其他各量同上。四、变频