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1 引言 隨著電力電子技術的發展，變頻器在各行業中已得到廣泛的應用，變頻調速技術應用于設備拖動系統中，實現了電機軟啟動、連續調速和節能運行目的。變頻器的低頻、低電流啟動，使設備的機械沖擊力顯著降低，也避免了電機啟動時對電網的影響；實現了異步電機的平滑調速功能；提高了設備的工藝性能，延長了使用壽命和實現節能運行。本文主要闡述應用變頻器對熱媒鍋爐煤氣恒壓供給系統的控制原理和實現方法。 2 設備概況 煤氣恒壓供給是陽極成型熱媒鍋爐正常工作的重要因素之一。在實際中，由于煤氣生產設備的不穩定性和用戶的隨機性，使煤氣供給系統的壓力波動較大（0.6～5.1kpa之間），對鍋爐的穩定燃燒影響很大：煤氣壓力太低，會引起鍋爐燃燒器熄火和熱值降低等問題，導致熱媒油溫度的提高或供熱不足，影響陽極質量和產能；過高會造成鍋爐燃燒不充分，浪費燃料。為保障預焙陽極碳塊成型正常生產，我廠一、二期成型熱媒鍋爐系統均設計了煤氣增壓裝置。原煤氣增壓風機采用工頻電源供電的交流異步電機拖動，擋板開度調節鍋爐煤氣流量，以實現鍋爐穩定燃燒和溫度控制。其控制原理是：當煤氣進口管道內壓力低于4.6kpa時，煤氣增壓風機自動啟動運行；當進口煤氣壓力高于4.8kpa時，加壓風機自動停機。這種增壓控制方式，雖能保證熱媒鍋爐所需煤氣供給，但風機長期工作在高轉速（2924r/min）、低負載運行狀態，風機機體、傳動軸支撐軸承座等部件振動大（如附表所示），軸承磨損劇烈，其壽命很短。據維修統計，四套新軸承連續使用60～70天就得更換，風機故障率高、維修頻繁、費用高；風機長期工作在低負載（或空載）狀態，電能浪費大。故中國鋁業青海分公司2005年5月，對熱媒系統增壓風機控制系統實施了變頻器控制改造。實際證明，改造效果良好。 附表 煤氣加壓風機工頻工作狀態下的有關參數 
注： 1、a項為負載端軸承座的徑向振動值；b項為風機拖動端軸承座振動值。 2、風機軸承座振動超過13mm/s時，軸承溫度升高到75℃以上，就會引起軸承座震裂、軸承抱死和風機葉輪出現裂紋等后果，故在日常點檢中，當檢測到其振動達到12mm/s時，就采取重點監護運行，并及時安排檢修工作。 3 變頻器控制系統設計 在系統設計中，通過對國內市場上多種變頻器性能和控制特點比較，并結合增壓風機的工作特點和實際現狀，最終選擇了abb公司生產的cas800系列的變頻器。這種變頻器除具有其它變頻器的一般控制功能外，還具有pid控制、多信號輸入、睡眠功能、設定值修正等多種控制功能，能很方便地實現煤氣恒壓控制系統。 3.1 系統配置 （1）風機拖動電機參數：型號qu180 m2bg；功率22kw；額定轉2925r/min；額定電流42a；額定電壓380v。 （2）變頻器參數：cas800—30kva 380v。 3.2 控制原理 煤氣風機拖動機構由一臺22kw交流異步電機驅動，采用acs800-30kva變頻器控制。風機變頻器通過外部電位器設定值與煤氣進口管道內壓力實時測量值相比較，作為增壓變頻器調速初始給定信號，并通過pid調節功能修正后，作為實際頻率控制給定值，實現風機轉速調節，達到恒壓控制的目的。其系統原理如圖1所示；其變頻器模擬信號接線如圖2所示。
變頻器pid控制功能，能很好地抑制煤氣供應系統壓力波動和風機喘振引起的壓力抖動現象，抑制對變頻器的擾動問題。通過大積分時間常數設定，使煤氣壓力擾動加入到系統的瞬間，積分不起作用，因積分調節作用是滯后的。調節器的滯后時間越大，調節速度越慢，這十分有利系統穩定，滯后性有減小波動，增加系統的抗干擾能力的作用。 3.3 睡眠功能參數設定 根據實際監測和統計，煤氣壓力通常在夜間會升高（達到4.5kpa左右），會使電機工作在超低速狀態，為節約電能，對變頻器設置了睡眠功能控制。 恒壓控制系統的睡眠功能設置原理：當煤氣供應系統壓力達到4.5kpa以上（煤氣其它用戶消耗量減少，會使煤氣供給管網內壓力增高）。這時為滿足鍋爐正常運行的壓力要求，pid過程控制器就降低電機的轉速，電機不會停止，而保持低速運轉狀態。由于管路存在的自然壓力損耗和低速運行時，離心風機的低效率，變頻器設定的壓力值一般要求較高于實際所需壓力值。當睡眠功能檢測到這種低速情況時，經睡眠延時后，將停止這種超低速運轉。在控制系統進入睡眠模式后，變頻器仍然處在監視煤氣壓力狀態。當壓力低于最小允許值以下時，并經喚醒延時后，則重新啟動風機工作。其睡眠控制邏輯關系如圖3所示。
在圖3中，其有關參數設定要求及實際設定值如下： （1）40.21—睡眠設定值。如果電機速度低于此設定值（10hz），且在時間差內大于睡眠延時時間，則變頻器進入睡眠模式；在睡眠模式下，電機停止運行。 （2）40.22—睡眠延時時間設定（20s）。當電機速度低于睡眠速度設定值時，計時器開始計時；當電機速度高于睡眠速度時，計時器復位。設定范圍0.0—3600.0s。 （3）40.23—睡眠功能喚醒設定值。如果過程實際值低于設定值，且時間長于喚醒延時時間，則變頻器就被喚醒。其設定范圍0.0—100.0%（以過程給定值的百分比形式表示）。 （4）40.24—睡眠功能喚醒延遲時間。當過程實際值低于喚醒設定值時，計時器開始工作；當過程實際值高于喚醒值時，計時器復位。其設定值范圍0.0—3600.0s。 （5）99.02—變頻器控制模式。設定“3”時，則為pid控制模式。 其睡眠功能時序圖如圖4所示。
4 控制系統調試 變頻調速控制系統設計、安裝完成后，根據實際生產需要進行系統調試，以確保系統控制的實際效果。新系統最后的調試工作極為重要和關鍵，這也關系到整個改造工程的成敗，根據實際生產，系統地進行參數修正，調整各項控制參數到最佳數值，才有可能充分發揮系統控制的先進性和優越性。 變頻器的參數設置較簡單，其主要是煤氣進口壓力信號作用后需要修改的有關參數設置。調試步驟如下： （1）確定設定信號的范圍。首先斷開壓力測量信號，將給定電位器調至最小，啟動變頻器運行（帶載），緩慢增加給定電位器電阻至風機出口壓力達到5.2kpa，測取電位器的實際阻值和電壓值u（ai3、ai4端），并記錄變頻器的輸出頻率值。 （2）將壓力信號接入控制系統，并使給定信號為u，設置pid的有關參數為一定值，緩慢增加壓力，測取煤氣進口壓力對系統的影響程度（通過記錄其對應的數據，可得出其線性關系），如果對給定值修正不理想，可重新設定pid參數（一般是改變比例常數），以求取最佳修正參數值。 （3）喚醒值的確定。將煤氣進口壓力提高到4.8 kpa，并使給定信號電壓為u，啟動系統工作，測取變頻器的輸出頻率，再換算成實際給定量大小，即可得到喚醒值大小。 （4）系統投入運行后，必須驗證實際干擾信號的影響程度，如系統震蕩，如不穩定，可改變pid的微分、積分時間常數值，以確定實際需要的參數值。 （5）實際測得：給定最大電壓為8.4v；當煤氣壓力為0.6kpa時，變頻器輸出頻率為42hz；喚醒值設置為82%（實際運行值）。 （6）煤氣恒壓控制系統變頻調試中注意的事項：加速時間要求盡可能的短（可減小系統滯后時間），因為設定過長，會使煤氣壓力突然大幅降低時，風機不能立即提速，造成鍋爐熄滅；增加減速時間，能降低煤氣供給壓力波動和調速控制系統的干擾，對電機轉速的調節，有助于煤氣穩定、可靠地供給，也防止變頻器頻繁加、減速狀態動作，導致變頻器過熱和保護功能動作。雖然這種設定犧牲了一些系統的動態響應性和跟隨性，但卻能很好地滿足鍋爐正常工作的安全性和穩定性。 實踐證明，這種變頻控制調節裝置比較適合壓力波動較大，且要求流量穩定、壓力較高的供氣用戶。改造結果證明，效果良好，煤氣壓力控制指標滿足鍋爐正常運行的要求，熱媒油溫度調整迅速、穩定，燃燒充分，鍋爐效率提高9%；日節電73kw.h以上。 5 結束語 應用變頻器對熱媒加壓風機控制系統改造，實現了煤氣恒壓控制目的；提高了鍋爐運行的安全性和穩定性，節約電能顯著，據統計每月可節約用電2200kw.h，風機故障仃機率降至4h/月（改造前平均為23h/月左右）；風機傳動軸承座軸承的更換周期延長到7個月以上（改造前平均為2個月）。并取得了以下好處： （1） 改造實施難度低。適合企業自己施工改造，沒有復雜的外部控制電路設計，調試方便。 （2） 控制參數易修改。通過變頻器內部設定數據修改，就能實現控制系統各項參數的調整和優化。 （3） 改造費用低。只需購置變頻器；許多原有的電器器件都得到了充分利用，如電機、壓力傳感器、控制箱、操作臺等。 （4）維修工作少。改造兩年來，其電器控制系統只進行了幾次清灰和日常檢查；系統工作穩定；風機維修費用每年減少1.8萬元（購置軸承費用）。 （5）節約電能。在相同煤氣消耗量和壓力條件下，電機電流平均降低7.2a，電機溫度降低8～11℃。 來源：電子工程網 變頻器在液位自動控制中的應用及其節能效果 1 引言 在工礦企業中大量地使用著風機、水泵、攪拌機、壓縮機等，這些機械一般都以交流電動機驅動。其中大部分電動機均不是工作在額定功率，而經常只有額定功率的50%～70%，甚至更低一些（20%～70%）。但電動機大部分處在恒速運行狀態，并以檔板、閥門或放空回流的辦法進行流量或壓力的調節，從而白白損失大量的電能，功率越大的風機、水泵，損失的電能越多。 對于水泵和風機，表達其特性的參數有：流量（風量）q，揚程（風壓）h，功率p等。 根據流體力學原理，流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。如水泵的流量或風機的風量等調節，只需調節電機的轉速就可以實現，而同時將大大降低電機的消耗功率，節約了電能。 根據電工學的基本原理，要改變電動機的轉速，只要改變供電電源的頻率或者改變電動機的極對數或者轉差率就可以改變電動機的轉速。 改變極對數進行調速從理論上講效率最高，因為它沒有額外的損耗，但對電動機的制造要求高，機械結構較為復雜，且屬于有級調速，不靈活，因此較少使用。改變轉差率，以往曾用過滑差電機，但由于電機結構復雜、故障率較高，維修困難，現也很少采用。改變頻率進行調速，可以達到無級調速，在20世紀80年代初期在我國采用還不多，原因是變頻裝置本身的限制，后來隨著微電子技術及功率器件特別是igbt功率器件的迅速發展，變頻調速技術也得到了前所未有的發展，按目前技術的水平，不但調速精度達到了很高，而且損耗可以減少到最小（變頻器效率可高達99%）。現在變頻調速可以應用到各種規格的電動機中。 2 變頻調速器的應用 變頻調速器是一種高效節能調速裝置，它以dsp或微處理器為核心，可為電動機運行于多種電氣控制和具有報警功能，保障設備安全，延長使用壽命。特別是它可以根據設定信號調節電動機轉速，實現生產自動控制，節電效果顯著，可有力地促進企業節能工作的開展，因而在電機供電控制中得到廣泛應用。下面以我廠催化裝置中的輕柴油泵為例簡單說明其應用。 2.1 控制流程簡介 輕柴油泵采用一開一備的配置方式，共有p1205a/b兩臺泵。在正常情況下，一臺運行另一臺備用，主、備泵的切換通過人工方式手動實現。在供電控制方式上，p1205a實行常規電氣控制，主電源直接供給電動機，p1205b實行變頻調速控制，主電源經過變頻后送給電機。系統調節參數為中間產品罐液位，測量位號為lt1206，pid調節回路調節閥lv1206。用控制電機轉速和調節閥開度使液位lt1206穩定在給定值上，dcs上將原有的lc1206調節器組態位號改為lc1206a，新增一個pid調節器位號lc1206b（其組態內容與lc1206a一致），用lc1206b和變頻器inverter控制電機轉速或用lc1206a控制調節閥的開度使流量穩定在給定的值上。 2.2 控制方案的實施 該流量在dcs中的控制原理如圖1所示。
控制過程如下：在正常情況下lc1206b調節回路輸出4～20ma調節信號到變頻器作為頻率設定信號，變頻器按照給定信號輸出相應頻率的電壓電源，從而調節電機轉速。同時lc1206a調節回路保持在手動方式，輸出鎖定在100%，控制泵出口調節閥處于全開位置，以便實現變頻器控制流量的目的。在dcs上，在相應的流程圖上對應p1205b位置組態了變頻器調速圖案，在變頻器運行時，其狀態顯示為綠色，當變頻器處于非運行狀態（包括變頻器故障和人為停機）時，其顏色為紅色。 當變頻器出現故障或人為將其切除時，流程圖上變頻器圖案出現紅色，工藝操作人員進行人工切換泵，lc1205b切到手動方式，lc1206a進入自動狀態輸出4～20ma信號，控制調節閥lv1206的開度，p1205a電動機以額定轉速運行。 2.3 控制系統的組成 該控制系統包括工頻控制系統和變頻控制系統。工頻控制系統由dcs中組態的控制器lc1206a，調節閥lv1206，電動機，柴油泵p1205a和液位測量lt1206組成，變頻控制系統由dcs中組態的控制器lc1206b，變頻器，電動機，柴油泵p1205b和液位測量lt1206組成。 2.4 變頻器的選型和主要參數設定 筆者選用的變頻器是深圳艾默生電氣有限公司的td2000系列變頻器。 型號：td2000-4t1100p； 適配電機：110kw； 電源輸入：三相380v，50hz/60hz； 電網輸入波動容許值：電壓±20%;電壓失衡率《3%;頻率±5%。較進口變頻器更能適合我國的電網情況。 輸出電壓：0～380v正弦波，頻率0～400hz可調。 由于我廠是石油煉化企業，變頻器安裝在防爆區以外，變頻器到機泵的距離較遠，一般都在一百多米以外，所以筆者在配置時增加了相應的輸出電抗器。 為了保證電動機的可靠運行，變頻器的主要參數設定如下： （1）上限頻率f11設定為電動機的額定頻率50hz，下限頻率f12設定為5hz。 （2）v、f輸出特性中最高頻率f04及基本運行頻率f05均設為電機額定值50hz，額定輸出電壓設定為380v。 （3）v/f曲線模式f07設定為1（因為是風機水泵類為平方轉矩負載）。 （4）運行頻率控制設定方式f00設定為3，模擬設定2（cci-gnd），用模擬電流/電壓端子輸入設定，范圍dc0（2）-10v/0（4～20ma），選擇電流輸入4～20ma，此時將控制板上的電壓/電流選擇插件cn10的跳線選擇1側。 （5）運行命令選擇f02設定為1，外部端子運行控制有效，即用操作柱來啟動變頻器。 （6）停機方式f30設定為1，外部端子運行控制有效，即用操作柱來仃止變頻器。 （7）停機方式f30設定為0，選擇自由運行停止。 2.5 應用效果 變頻調速器投用后，控制回路的穩定性和可靠性比調節閥有明顯提高，控制偏差保持在±1%以內，被控參數波動幅值較小。電機在變頻調速器的控制下保持中速運行狀態。在電機啟動、控制過程中實行延時斜升、斜降，并且有輸出短路、欠壓、過流、過載過熱等報警跳閘及在線故障診斷功能，保證其運行安全可靠，降低故障率，減少了設備損耗，尤其顯著的是節能效果相當明顯。在正常工況下，投用前后的電氣參數如附表所示。
從附表中可以看出，使用變頻器后功率節省38.72kw，按年運行8000h計算，每年可節省電能309760kw·h，若按電價0.35元/kw·h計算，每年節約電費10.8416萬元。不到一年可收回投資。 3 結束語 實際應用證明，變頻器的使用可取得意想不到的效果，特別是企業正在為降低生產成本提高經濟效益而大量采用新技術的今天，變頻調速技術以其良好的投入產出比，將會有更加廣闊的應用前景。深圳艾默生電氣的變頻器是在消化各種變頻器的基礎上，根據我國電網波動范圍較大的狀況開發的，其功能齊全，性能穩定，到目前為止在我廠使用了12臺艾默生td2000系列變頻器，功率在90kw～250kw，運行一年多從未出現質量問題。 |
