變頻調速器的應用 電氣自動化071 姬帥【摘要】化工廠的設備負荷是多變的。如果風機、水泵按照固定的轉速，不能隨化工負荷的變化而變化，必將造成浪費電能或化工負荷突變而燒毀或損壞機械設備。 本設計利用變頻調速器，使風機、水泵隨時都將隨化工負荷的變化而變化，改善設備的起動和運行特性，減少機械磨損，提高經濟效益。【關鍵詞】變頻器 風機 節能一、指導思想和依據（一）指導思想培養學生創新精神和技術應用的能力，通過畢業設計環節的訓練，能使學生靈活、正確地應用所學的理論知識，聯系實際獨立地完成設計項目工作，以全面檢驗學生分析問題、解決問題的能力。（二）依據本設計依據南化氮肥廠合成氨車間二臺氮氣鼓風機，它是合成氨系統中補充氮氣的重要設備。正常情況下一臺運行一臺備用。只有大檢修、停車置換時才兩臺同時運行。年運行時間8760h，年平均負荷率不足30，因此大大浪費了能源，本設計利用變頻調速器對鼓風機變頻調速，可以提高經濟效益。二、變頻調速器的原理及其構成（一）變頻調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所要求的頻率的交流電。鼓風機的節電原理就是用調速控制代替擋風板控制風流量，這是一個節電的有效途徑。因此，通過對變頻器輸出頻率的控制，實現交流電動機的調速，最終達到對傳動負載的精確定量控制。變頻調速控制系統主要由電控設備、變頻器、交流電動機、傳動機械及傳感器等部分組成。變頻控制系統可進行開環控制，也可進行閉環控制。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機（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倍頻率的脈動電壓，為了抑制電壓波動采用直流電抗和電容吸收脈動電壓。3.逆變部分把直流電功率變換成生產所需頻率的交流電功率。（三）控制回路1.運算回路將外部速度、轉矩等指令同檢測回路的電流電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓頻率。2.電壓/電流檢測回路與主回路隔離檢測電壓、電流等。3.驅動回路驅動主回路元件的導通和關斷。4.保護回路檢測主回路的電壓、電流等。當發生過載或過電壓等異常時為防止逆變器和異步電動機損壞使逆變器仃止工作或抑制電壓、電流值。保護回路分為變頻器保護和電動機保護。5.變頻器保護（1）瞬時過電流保護（2）過載保護（3）再生過電壓保護（4）瞬時仃電保護（5）接地過電流保護（6）冷卻風機保護。6.異步電動機保護（1）過載保護（2）超頻（超速）保護。7.其它保護（1）防止失速過電流（2）防止失速再生過電流三、變頻器的應用設計：（一）工藝系統圖閥1：出口檔板；閥2：旁路閥 閥1、閥2均由計算機控制，開路大小取決于系統需要。系統需氮量由閥1進行調節，余氣由閥2返回鼓風機入口。為了防止煤氣返回氮氣系統，在不需要氮氣時也不能仃車，氣體全部通過閥2進行循環，鼓風機效率在40，而電機則滿負荷運行。（二）風機的H一一Q特性 圖一 A為100風量曲線 B為50風量曲線圖一為風機的風壓一一風量曲線（H一Q）。圖中曲線1為恒速時圖中曲線1為恒速時的H一一Q曲線；圖中曲線2為管網風阻特性曲線（檔板開度全開）；假設風機工作在A點為額定工作點，輸出風量Q1為100，軸功 率P1與Q1、H1的乘積即AH1OQ1的面積成正比。根據生產工 藝的要求，當風量需要從Q1減少到Q2（50）時，如采用調節檔板的方法相當于增加管網阻力，使管網阻力特性曲線變為曲線（3），系統由原來的工作點A移到新工作點B運行。從圖中可以 看出流量減少，風壓反而增加。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。如采用轉速控制方式 風機轉速由n1降到n2如圖中曲線（4）所示，工作點移到C點， 可見在滿足同樣的風量Q2的情況下，風壓H2大幅度降低，軸功率 P3也顯著減少。曲線：（1） 恒速時H一一Q特性曲線（2） 管網風阻特性曲線（檔板全開）（3） 管網阻力特性曲線（檔板50開起）（4） 轉速控制曲線（三）風量、轉速一一所需功率特性曲線： 風機最大的特點是：流量與轉速成正比； 負載轉矩與轉速的平方成正比；軸功率與轉速的立方成正比。 圖二為風機運轉特性曲線圖中曲線（5）為理想曲，從該曲線中可以看出，當風機輸出額定量（100）工作在A點時，其轉速也為額定轉速，這時需要的軸功率為額定功率。當輸出風量為50（工作在B點）時，其轉速為額定轉速的50，這時所需要的軸功率為額定功率的12.5。（四）幾種調量方法的比較： 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，當檔板開度關小時，風阻增 加，在低風量區軸功率減少不多。從節能的角度來看，不適合風量控制 （2）曲線（5）效率是100的調速裝置進行轉速控制時所需的功率， 實際的調速裝置，根據控制方式的不同效率也是不同的。曲線（3）為電 磁滑差電機調速控制曲線。曲線（4）為變頻調速控制曲線。顯然，兩種 調速控制曲線比較，還是變頻調速控制效率高，更接近于理想曲線。 一一 表一列出幾種調量方法所需的功率： 功率%流量%調量方式出口檔板入口檔板電磁調速變頻調速30705218105085583022709565494090100827975 變頻調速在風機、泵上的運用：1.性能曲線及比例定律：（1）流量與轉速的一次方成正比：（2）揚程（壓力）與轉速的二次方成正比：（3）功率與轉速的三次方成正比：在實際生產過程中，流量總是發生變化的，隨工藝條件進行調節的，如果將節流調節改為變頻調節將沒有節流損失，調節效率是最高。很接近理想的調節。 例如：當轉速減少10，則： n 1/n0.9 流量Q 10.9Q 風壓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）生產裝置狀況： 1.風機型號及其參數風機為型號為9一37一3一Na20出力：155700Nm 3 /h ；空氣動力：146.7kW；風壓：400mmH2O ；空氣效率：0.63軸功率：149.5Kw ；加動力： 15機械效率：0.982. 配用電機型號及其參數配用電機型號為 J S138一10功率：180kW；轉速：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.變頻器選型時要確定以下兩點：（1）采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。（2）變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。2.變頻器介紹（HITACHI） 銘牌特性型 號：J300一一055 H F EJ300一一系列名稱055 一一一適用電機容量（4極）（七）控制電路設計1.主電路：2.電源和電機的接線：3.控制電路接線圖：4.端子接線圖：四、工作原理說明：化工廠的設備負荷是多變的。如風機、水泵、爐條機隨時都將隨化工負荷的變化而變化，如果不能隨化工負荷的變化而變化，必將造成大馬拉小車浪費電能或化工負荷突變而燒毀或損壞機械設備。（一）電動機功率：電動機的轉差功率為：PS =S/（1S）PF =S/（1S）KMFN 一一一一一（1）PS：電動機轉差功率 KwS ：轉差率 S=（N0一N）/ N0N ：電動機轉子速度 r/minN0 ：電動機同步轉速 r/min n =60f/pPF ：負載消耗功率 KwMF ：負載轉矩 Kgf.m（二）不同負載特性下的負載機械轉矩：MF = CN I 一一一一一（2）C：常數I：0一一恒轉矩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）電機輸出到負載的功率為：P F KMFN 一一一一一（4）如果把負載達到同步轉速N0時所需功率作為電機的最大輸出功率P F max = K C N0i1 一一一一一（5）對于恒轉矩負載（i=0）轉差功率損耗系數為：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）可見滑差電機拖動恒轉矩負載時，轉差損耗與轉差S成正比。當S0.5的低速區運行時，轉差功率損耗系數達50以上，當深調速即S1時，轉差功率損耗更大。（三）注意事項：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，即使停機也不能觸摸變頻器端子。若選擇重試模式，在跳閘停機時，變頻器有可能突然再起動，不要靠近機器。3.瞬間停電發生時，若運行指令己發出，則恢復供電后它可以重新開始運行。所以必須設定恢復供電后不會重新運行電路。4.停止鍵只在功能設定后有效，因此必須單獨設立緊急停止按鈕。接通電源前要確認運行指令有無發出。5.停機或運行時需確認電機方向是否正確、轉速和頻率是否正確、電機是否有異常振動或躁聲、斷電后十分鐘之后再進行檢查和維修。五、經濟效益分析（一）運行測試為了計算比較的需要，對1鍋爐送風機分別在檔板調節狀態和變頻調速狀態進行測試，對每個狀態在自然運行（即正常生產操作）情況及調節檔板不同開度下分別記錄電流表的累計數和測量電壓、電流、檔板開度、風壓、實測情況如下：1.檔板調節狀態的測試：（1）A狀態鍋爐負荷在65一70T/H進行了4小時的自然運行測試（電量記電度表1小時的累計數其它均為1小時的平均值）。時 間始一終H檔板開度電流A電 壓V風 壓mmH2O電 量KWh8一932175400701159一10331804007012010一11361854007512811一123418040070124（2）B狀態鍋爐蒸發量不限，調節檔板開度，測量結果如下：檔板開度電流A電壓V風壓mmH2O電量KWh備注瞬時值20121405589.4瞬時值251384052997.9瞬時值3014840535109.5瞬時值3315640558115.2瞬時值3517540570117.6瞬時值3718040580120.96瞬時值40185405100128.22瞬時值45195405112138.3瞬時值50215405150147.3瞬時值（3）數據分析B狀態時，根據以往的運行情況，風機出口風壓在70一80 mmH2O能滿足鍋爐在滿負荷時刻的燃燒需要，由試驗數據中可以看到70一80 mmH2O對應的檔板開度是35一37，耗電量是117.6一120.96KWh，而在“A”狀態測試的數據則是70一75 mmH2O，所對應的檔板開度為32一36，電量1h累計數是120一128 KWh，因為“A”狀態為自然運行狀態，所以它含有各種因素的變化在內，這個數據較為實際。為了計算有一定的代表性，取平均值即121.0 KWh。2.用變頻器調節狀態的測試：（1）A狀態鍋爐蒸發量在65T/h左右，空氣量適合的自然運行狀態下，進行4h的電量計數，每小時測一次，其結果如下：（電量取累計數，其它取平均值）時間始一終頻 率Hz風 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狀態用變頻器調正，調節變頻器的輸出頻率，從小到大逐漸升高頻率，依次測風壓、電流、電壓、電量：（瞬時值）頻率Hz風 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）數據分析：由“B”狀態的測試數據分析，只要風機出口風壓達到70一80 mmH2O時就能完全滿足鍋爐在滿負荷時的運行條件，因此70一80 mmH2O對應的頻率是23一26之間，電量是20一26 KWh，而在“A”狀態包括了操作工操工因素及其它的影響在內。“A”狀態較“B”狀態要符合實際一點，因此我們取“A”狀態的測試平均值26.7 KWh即變頻器調節時在相同的送風條件下耗電量為26.7 KWh。（二）經濟效益展示采用變頻技術根據系統的要求調正鼓風機轉速而調整氮氣量。負荷率（）運轉率（）所需功率（kW）節電量（萬度）30以下601035.483150212210.76517010403.9471908751.3190以上11980全年節電51.49萬度，按0.3元/度計算，節電費15.45萬元/年。(三)經濟效益比較使用變頻調速裝置比使用檔板節流調節節約電量為：1.年節約電量：（121一26.7）24330746856 KWh2.節約電費：0.23574685617.5511萬元3.變頻器投資及回報：變頻器投資14萬元；14萬元/17.5511萬元0.8年收回投資。（四）綜