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一、引言
鍋爐在選用與其配套的風(fēng)機(jī)容量時(shí)，均是按鍋爐的最大蒸發(fā)量予以考慮，且留有20%風(fēng)壓和20%流量的裕量。這就是說，即使鍋爐全載運(yùn)行，其風(fēng)門開度也不會(huì)是100%，最多僅能達(dá)到80%左右，并且鍋爐根據(jù)季節(jié)不同負(fù)荷量也會(huì)相應(yīng)變化。此外，風(fēng)機(jī)在選用其配套電動(dòng)機(jī)時(shí)，也留有一定裕量。因而在鍋爐的正常運(yùn)行中，其電動(dòng)機(jī)總是處于不全載情況下運(yùn)行。因此，對鍋爐風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中流量的調(diào)節(jié)常采用改變擋板開度的方式，因而在擋板上產(chǎn)生了附加的壓力損失。浪費(fèi)了大量能源。采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約能源，而且使系統(tǒng)運(yùn)行更加合理可靠。
二、變頻器工作原理及技術(shù)規(guī)范
1、變頻器原理介紹
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。低壓變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率。通過變頻器可以自由調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。如圖1為變頻器內(nèi)的控制電路框圖。  圖1 變頻器內(nèi)的控制電路框圖
2、變頻器技術(shù)規(guī)范
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控制 |
控制方法 |
空間電壓矢量控制方式 |
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頻率設(shè)定分辯率 |
數(shù)字 : 0.01 Hz (100 Hz以下), 0.1 Hz ( 100 Hz以上)
模擬 : 0.05 Hz / 50 Hz, 輸出頻率范圍:0 – 300 Hz |
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頻率精度 |
數(shù)字 : 最大輸出頻率的0.01 %
模擬 : 最大輸出頻率的0.1 % |
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V/F 比率 |
線性, 平方根, 任意 V/F |
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過載能力 |
額定電流150 % -1 分鐘, 額定電流200% - 0.5 秒。(特性與時(shí)間成反比) |
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轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 |
手動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 (0 - 20 %), 自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 |
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運(yùn)行 |
輸入信號 |
運(yùn)行方式 |
鍵盤/ 端子 /RS485 通訊 |
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頻率設(shè)定 |
模擬 : 0 - 10V / 4 - 20 mA /, 子板的另外端口(0 - 10V/4 - 20 mA)
數(shù)字 : 鍵盤/RS485 通訊 |
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啟動(dòng)信號 |
正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn) |
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多段速度 |
至多可以設(shè)定8個(gè)速度 (使用多功能端子) |
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加減速時(shí)間 |
0-6000秒，加減速時(shí)間可切換
加減速方式:線性, S型 |
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緊急停止 |
中斷變頻器的輸出 |
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寸動(dòng) |
慢速運(yùn)行 |
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自動(dòng)運(yùn)行 |
通過設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行(7段速度) |
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故障復(fù)位 |
當(dāng)保護(hù)功能處于有效狀態(tài)時(shí)，可以自動(dòng)復(fù)位故障狀態(tài)。 |
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輸出信號 |
運(yùn)行狀態(tài) |
頻率檢測等級，過載報(bào)警，過電壓，欠電壓，變頻器過熱， 運(yùn)行，停止，恒速，自動(dòng)程序運(yùn)行 |
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故障輸出 |
觸點(diǎn)輸出 – 交流250V 1A, 直流30V 1A |
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模擬輸出 |
從輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，直流電壓中選擇
(輸出電壓: 0 - 10V) |
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運(yùn)行功能 |
直流制動(dòng)，頻率限制，跳頻，滑差補(bǔ)償，反轉(zhuǎn)保護(hù)，PID 控制等 |
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保護(hù)功能 |
變頻器保護(hù) |
過電壓，欠電壓， 過電流， 保險(xiǎn)絲斷，接地故障， 變頻器過熱， 電機(jī)過熱， 缺相，過載保護(hù)，外部故障1,2， 通訊錯(cuò)誤，速度指令丟失， 硬件故障， 選件錯(cuò)誤等。 |
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變頻器報(bào)警 |
堵轉(zhuǎn)防護(hù)，過載報(bào)警， 溫度傳感器故障。 |
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瞬間掉電 |
小于15 毫秒：連續(xù)運(yùn)行
大于15 毫秒：允許自動(dòng)重新啟動(dòng) |
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顯示 |
鍵盤 |
運(yùn)行信息 |
輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，設(shè)定頻率，運(yùn)行速度，直流電壓 |
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錯(cuò)誤信息 |
當(dāng)故障保護(hù)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)， 保存有3個(gè)故障歷史信息。 |
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環(huán)境 |
環(huán)境溫度 |
-10 ℃ ～ 40 ℃ |
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儲(chǔ)存溫度 |
-20 ℃ ～ 65 ℃ |
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環(huán)境濕度 |
最大90 % RH .(不結(jié)露) |
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高度/振動(dòng) |
1,000 m 以下，5.9m/秒²(=0.6g)以下 |
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應(yīng)用地點(diǎn) |
無腐蝕氣體、易燃?xì)怏w、油霧或粉塵及其它 |
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冷卻方式 |
強(qiáng)制風(fēng)冷 |
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三、節(jié)能分析
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如下圖示為壓力H-流量Q曲線特性圖:風(fēng)機(jī)、泵類在管路特性曲線R1工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時(shí)風(fēng)機(jī)、泵類所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實(shí)際上通過增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機(jī)、泵類的工作點(diǎn)移到R2上的B點(diǎn)，壓力增大到H2，這時(shí)風(fēng)機(jī)、泵類所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風(fēng)機(jī)、泵類所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運(yùn)行成本換取簡單控制方式。  n1-代表電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的特性；
n2-代表電機(jī)降速運(yùn)行在n2轉(zhuǎn)速時(shí)的特性；
R1-代表風(fēng)機(jī)、泵類管路阻力最小時(shí)的阻力特性；
R2-代表風(fēng)機(jī)、泵類管路阻力增大到某一數(shù)組時(shí)的阻力特性。
若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時(shí)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時(shí)變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。對于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進(jìn)行計(jì)算：若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時(shí)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時(shí)變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。
四、改造前設(shè)備工況
通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板和閥門的開啟角度的機(jī)械調(diào)節(jié)方法來滿足不同的用風(fēng)量，這種操作方式的缺點(diǎn)是:（1）電機(jī)及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，負(fù)荷強(qiáng)度重，電能浪費(fèi)嚴(yán)重；（2）調(diào)節(jié)精度差，控制不精確；（3）電氣控制直接起動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流對電網(wǎng)沖擊大，需要的電源（電網(wǎng)）容量大，功率因素較低；（4）起動(dòng)時(shí)機(jī)械沖擊大,設(shè)備使用壽命低；（5）電氣保護(hù)特性差，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備等。采用變頻器可實(shí)現(xiàn)大的電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長使用壽命，同時(shí)也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。
五、變頻改造方案
變頻柜具有工/變頻切換功能，系統(tǒng)各臺(tái)電機(jī)均由相應(yīng)變頻器驅(qū)動(dòng)，在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)可選擇工頻啟動(dòng)，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。變頻可以通過DCS(4-20mA)信號調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以采用電位器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以在DCS中顯示電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和電流運(yùn)行的電流。變頻柜控制電氣圖如下：
六、總結(jié)
采用變頻器控制將有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：
(1)、采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消擋板調(diào)節(jié)，降低了設(shè)備的故障率，節(jié)電效果顯著；
(2)、采用變頻器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
(3)、電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對環(huán)境的影響；
(4)、具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能；
(5)、變頻具有工/變頻切換功能，能夠保證生產(chǎn)的連續(xù)性。
實(shí)踐證明，變頻改造具有顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且還大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，另外當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻裝置內(nèi)的直流電抗器能很好的改善功率因數(shù)，也可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。  工變頻切換圖
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